扩张?伸缩式机器人在肠道中的运动效率研究

贺术 颜国正

摘  要： 具备自主运动能力的肠道机器人内窥镜是肠道疾病诊疗设备的发展方向，文中研究一种扩张?伸缩式机器人内窥镜在肠道中的运动效率并提出提高运动效率的方法。计算了扩张?伸缩式机器人的运动效率，研究了驻留失效导致的步距损失，同时提出肠道压缩和拉伸模型分析肠道变形导致步距损失出现的原因。离体实验结果表明，设计的扩张?伸缩式机器人在离体肠道中的运动效率在34.2%～63.7%，实际运行速度在0.62～1.29 mm/s，机器人在肠道中的运动效率随着运动步态之间的时间间隔的增加而提高。通过研究发现，增强机器人扩张机构在肠道内的驻留能力是提高运动效率的关键，同时也提出提高运动效率的方法。文中的模型能对胃肠道机器人的设计提供参考。

关键词： 胃肠道; 机器人; 运动效率; 拟态; 内窥镜; 生物力学

中图分类号： TN98?34                             文献标识码： A                        文章编号： 1004?373X（2019）13?0146?06

Research on locomotion efficiency of an expanding?extending robot in intestinal tract

HE Shu1， YAN Guozheng2

（1.The Thirty?Second Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Shanghai 201800， China;

2.School of Electronic Information and Electronical Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract：The intestinal tract robotic endoscope with ability to move autonomously is the development direction of the intestinal disease diagnosis and treatment equipment. The locomotion efficiency of the expanding?extending robotic endoscope moving in the intestinal tract is researched and the way for improving its locomotion efficiency is proposed in this paper. The locomotion efficiency of the expanding?extending robot is calculated， and the step?size loss caused by lingering failure is researched. The reasons of occurring as the step?size loss caused by intestinal tract variant are analyzed by means of intestinal tract expression and Tensile model. The results of the vitro experiment show that the locomotion efficiency of the expanding?extending robot moving in vitro intestinal tract is between 34.2% and 63.7%， the actual locomotion speed is between 0.62 mm/s to 1.29 mm/s. The locomotion efficiency is improved with the increase of the time interval between locomotion gaits. It is found in the research that the key to improve the locomotion efficiency of the robot is to enhance the lingering ability of expanding mechanism of the robot in the intestine tract. Some methods to improve the locomotion efficiency of the robot are presented in this paper. The model proposed in this paper can provide a reference for the design of gastrointestinal robot.

Keywords： gastrointestinal tract; robot; locomotion efficiency; mimesis; endoscope; biomechanics

0  引  言

作为一种现代社会常见的疾病，胃肠道疾病的特征是较高的发病率以及较长的潜伏时间，早发现和早治疗是应对这类疾病的最好方式[1]。但是现有的肠胃道内窥镜检查会给人带来痛苦，这给此类疾病的大面积筛查造成阻碍。近年来，许多研究机构和组织致力于开发解决这些问题的替代方案，如以色列Given Imaging公司开发了型号为M2A的胶囊内窥镜，这种内窥镜只有胶囊的大小，可以在消化道中随着蠕动行进，它可以捕捉消化道内实时的图像信息并传送至外部接收器[2]。这种设备的行进依赖于消化道蠕动，自主运动功能的缺失导致这类检查存在一定的漏检率。

近年来，具备自主运动能力的胃肠道机器人内窥镜成为研究热点[3?8]。这些设备可以自主地在消化道内运动，是传统胃肠道内窥镜最有前景的替代方案之一。文献[9]开发了一种机器人内窥镜，机器人的两端都有一组腿，通过两组腿的配合使机器人在肠道内行进。文献[10]研发了一种由外部磁场驱动的机器人内窥镜，通过一个外部的手持永磁设备与机器人体内的磁场相互作用使机器人在胃部移动。文献[11]开发了一种机器人内窥镜，该机器人拥有一组腿式机构用于扩张肠道，并通过内部和外部磁场的相互作用驱动装置在消化道内运动。然而，对于所有的驱动类型来说，如何适应肠道以产生高效的运动是最重要的问题[12]。

目前已经开发出了一系列基于体内驱动方式的机器人内窥镜[13?17]。本文利用扩张?伸缩式机器人样机研究了机器人内窥镜在肠道中的运动效率。在分析机器人在肠道内运动的基础上，计算每个步态周期的运动效率，并建立模型分析肠道与机器人之间的驻留机理。模型考虑了机器人运动过程中肠道的扩张和延伸，并进行相关的效率计算。最后进行一系列离体实验，并结合理论模型对机器人的实际运动效率进行分析。

1  胃肠道机器人在肠道中的运行效率

为了适应肠道的特殊结构，设计一种扩张/伸缩式机器人来实现在肠道内的自主运动。机器人的运动基于尺蠖的运动原理，样机如图1所示。机器人拥有前后两组径向扩张机构以及一组轴向伸缩机构，径向扩张机构在扩张后（如图1b）所示）可以实现机器人在肠道内的驻留，轴向伸缩机构可以实现机器人与肠道之间的相对位移，三个运动机构的相互配合使机器人在肠道内实现仿尺蠖式运动。

图1  扩张?伸缩式机器人样机

扩张?伸缩式机器人在人体肠道内的运动步态模拟了自然界中尺蠖的运动方式，图2中对机器人每个运动步态进行分析，并通过这种运动步态研究机器人在肠道内的运动效率。假设图2a）为机器人运动过程中的第一个步态，在这个步态中，机器人的每个运动机构都处于打开的状态。图中的空心点表示该位置在机器人上，图中的实心点表示该位置在肠道上，如[Rr0]点是机器人后端扩张机构的位置，[Rf0]点是机器人前端扩张机构的位置，[Ir0]点是肠道上与[Rr0]点位于同一轴向位置的一点，[If0]点是肠道上与[Rf0]点位于同一轴向位置的一点。[dfr0]是机器人两个扩张机构之间的距离。

图2  机器人运动步态分析

从图2a）到图2b）的运动过程中，机器人后端扩张机构缩回，因为这个区域内的肠道失去了扩张机构的驻留作用，[Ir0]点的位置相对于[Rr0]点向运动方向回缩了一段距离。从图2b）到图2c）的运动过程中，机器人轴向运动机构缩回。在这一步态中，机器人和肠道上许多地方的位置发生了变化，机器人后端扩张机构运动到[Rr1]点，肠道上[Ir0]点的位置由于肠道被压缩的原因继续向机器人运动方向回缩了一段距离，[Rf0]点的位置由于前端扩张机构出现了驻留失效而移动到[Rf1]点（如果没有出现驻留失效，则[Rf0]点的位置不变），[If0]的位置也由于[Rf0]点位置的变化而移动了一段距离。这一步态后，机器人两个扩张机构之间的距离变为[dfr1]，假设这一过程中肠道的压缩量为[dic]，则[dic]就是这一过程中因为肠道压缩引起的步距损失。前端扩张机构的等效移动距离[df]则为驻留失效引起的步距损失。

从图2c）到图2d）的运动过程中，机器人后端扩张机构张开，图中[Ir1]点是肠道上与[Rr1]点位于同一軸向位置的一点，[If1]点是肠道上与[Rf1]点位于同一轴向位置的一点。从图2d）到图2e）的运动过程中，机器人前端扩张机构缩回，因为这个区域内的肠道失去了扩张机构的驻留作用，[If1]点的位置相对于[Rf1]点向运动方向移动了一段距离。从图2e）到图2f）的运动过程中，机器人轴向运动机构伸长。在这一步态中，机器人和肠道上许多地方的位置发生了变化，机器人前端扩张机构运动到[Rf2]点，肠道上[If1]点的位置由于肠道被拉伸的原因继续向机器人运动方向移动了一段距离，[Rr1]点的位置由于后端扩张机构出现了驻留失效而移动到[Rr2]点（如果没有出现驻留失效，[Rr1]点的位置则不变），[Ir1]的位置也由于[Rr1]点的位置的变化而移动了一段距离。假设这一过程中肠道的拉伸量为[die]，则[die]就是这一过程中因为肠道拉伸引起的步距损失。前端扩张机构的等效移动距离[dr]则为驻留失效引起的步距损失。

从图2f）到图2g）的运动过程中，机器人前端扩张机构张开，机器人开始重复新一轮的步态循环。图中显示了机器人扩张机构所在位置的移动过程。

通过上面的分析可知，导致机器人运动效率降低的原因主要有两点：由于肠道形变导致的步距损失;由于驻留机构失效导致的步距损失。机器人运动效率的计算公式如下：

以下分别对这两个原因引起的步距损失进行分析。

2  扩张机构失效引起的步距损失

为了分析扩张机构驻留失效导致的步距损失，对图2c）中的步态进行具体分析，如图3所示。图中[Ffr]是肠道对前端扩张机构的轴向作用力，[Frb]是肠道对机器人机身的作用力，这两个作用力的方向相反，大小相同。机器人扩张机构扩张肠道后，在与肠道之间不发生相对移动的前提下所能承受的最大轴向作用力称为最大驻留力。驻留失效出现的原因是[Frb]的大小超过了最大驻留力。

图3  驻留失效分析

肠道是非对称性的管状结构，具有复杂的生物力学特性，因此很难得到步距损失的精确表达式。为了简化分析，对肠道结构及其生物力学特性做如下假设：

1） 为了方便计算，假设肠道被机器人扩张机构扩张后的结构是规则的圆柱形和锥形。

2） 考虑到机器人在肠道内的运动速度较小（一般情况下低于10 mm/s），且由于机器人运动引起的肠道应变率同样较小（一般情况下低于5%），机器人运动过程中肠道的生物力学特性近似为[18?20]：

式中：[σ]是肠道受到机器人施加的应力;[γ]为肠道的应力?应变系数;[ε]是肠道的应变率。

由图3中的分析可得出机器人前端扩张机构和肠道之间的移动距离为[df0-dfi0]，因为扩张机构在移动的同时对肠道有拉伸的作用，因此这并不是真正因为驻留失效导致步距损失的原因。假设机器人扩张机构在这一过程中对肠道施加的轴向应力为[σa]，则肠道在这一应力作用下的轴向应变为：

由于肠道的应变率通常较小，因此驻留失效导致的步距损失与[df0-dfi0]接近。

3  肠道形变引起的步距损失

3.1  肠道压缩引起的步距损失

为了分析由于肠道压缩导致的步距损失，对图2b），图2c）中的步态进行具体分析，如图4a），图4b）所示，图中的粗实线为肠道轮廓，虚线为机器人轮廓。

为了方便分析，将肠道分成不同的肠道段，如图4b）所示。[L2]段肠道与机器人机身接触，长度为[l2];[L1]段肠道位于机器人两个扩张机构之间且与机器人机身接触，长度为[l1];[L0]段肠道位于机器人两个扩张机构之间且不与机器人机身接触，长度为[l0]，与机器人机身的角度为[α]。[Fri]是机器人机身对肠道的轴向作用力，[Fricosα]是机器人对[L0]段肠道施加的作用力。[ref]是机器人的扩张距离，[rb]是机器人半径。

图4  肠道压缩模型

3.2  肠道拉伸引起的步距损失

为了分析由于肠道拉伸导致的步距损失，对图2e）、图2f）中的步态进行具体分析，如图5a），图5b）所示。

图5  肠道拉伸模型

通过上面的分析可得出如下有助于提高机器人运动效率的方法：

1） 通过分析式（1）可知，在步距损失不变的情况下，提高机器人的步距從理论上来说可提高机器人的运动效率。

2） 通过合适的方法提高机器人扩张机构在肠道中的驻留能力对提高机器人运动效率很关键，这能减小因为驻留失效引起的步距损失。

3） 通过分析式（15）和式（16）可知，减小机器人对肠道施加的作用力可降低肠道变形引起的步距损失。因此，通过优化机器人结构设计以及使用摩擦力更小的材料以减小机器人对肠道施加的作用力可有效提高机器人在肠道内的运动效率。

4） 通过分析式（15）和式（16）可知，机器人总体长度不变的同时缩短机器人两个扩张机构之间的长度可提高运动效率。

4  实  验

本文设计了一组离体肠道实验用于研究机器人在肠道内的运动效率，图2中机器人运动步态的图片均取自实验过程中。实验中设置的变量为：不同的理论运动速度、三种离体肠道直径。机器人理论运动速度的改变通过在每个运动步态之间插入一定的停顿时间来实现。如果每个运动步态之间的停顿时间为[tint]，则机器人运动一个步态循环的时间增加6[tint]。离体肠道#1的直径为12.7 mm，离体肠道#2的直径为15.9 mm，离体肠道#3的直径为19.1 mm，图6为实验中测得的数据。实验过程中，机器人在离体肠道内的运动速度最低为0.62 mm/s，最高为1.29 mm/s，机器人的运动效率最低为34.2%，最高为63.7%。

图6  机器人运动效率实验数据

从图6中的实验数据可以看出，机器人的运动效率随着[tint]的增加而提高，机器人的运动速度随着[tint]的增加而降低。[tint]的增加将使机器人的理论运动速度降低，因此实际运动速度也将降低，同时，[tint]的增加将使肠道在步态间隔有更长的时间适应扩张机构，有利于提高扩张机构的驻留能力，因此可以减少因为驻留失效导致的步距损失，提高机器人的运动效率。

5  结  论

本文对扩张?伸缩式机器人在肠道中的运行效率进行了研究，结合机器人的运动步态分析了影响运动效率的因素。导致机器人运动效率降低的原因有以下几点：由于机器人扩张机构驻留失效导致的步距损失、由于肠道形变导致的步距损失。建立模型分析驻留失效导致步距损失出现的原因，得出减小这部分步距损失的关键在于增强机器人扩张机构的驻留能力;建立肠道压缩与拉伸的模型，分别计算由于肠道压缩与拉伸导致的步距损失，并得出几点减小这部分步距损失的机器人设计要点。通过实验平台研究机器人在肠道内运动效率的特点，实验结果表明，机器人在离体肠道中的运动效率在34.2%～63.7%，实际运行速度在0.62～1.29 mm/s，机器人在肠道中的运动效率随着运动步态之间的时间间隔的增加而提高。本文中提出的模型和分析可对胃肠道机器人的设计提供参考。

参考文献

[1] NAJARIAN S， AFSHARI E. Evolutions and future directions of surgical robotics： a review [J]. International journal of clinical medicine， 2012， 3（2）： 75.

[2] IDDAN G， MERON G， GLUKHOVSKY A， et al. Wireless capsule endoscopy [J]. Nature， 2000， 405（6785）： 417.

[3] WANG Xiaona， MENG Q H. Perspective of active capsule endoscope： actuation and localisation [J]. International journal of mechatronics and automation， 2011， 1（1）： 38?45.

[4] ZHANG P， LI Jing， HAO Yang， et al. A compensation strategy for accurate orientation of a tethered robotic capsule endoscope [C]// Proceedings of 2017 IEEE International Conference on Cyborg and Bionic Systems. Beijing： IEEE， 2017： 257?261.

[5] GAO Jinyang， YAN Guozheng， WANG Zhiwu， et al. Design and testing of a motor?based capsule robot powered by wireless power transmission [J]. IEEE/ASME transactions on mechatro?nics， 2016， 21（2）： 683?693.

[6] BASAR M R， AHMAD M Y， CHO J， et al. Stable and high?efficiency wireless power transfer system for robotic capsule using a modified Helmholtz coil [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2017， 64（2）： 1113?1122.

[7] DI NATALI C， BECCANI M， SIMAAN N， et al. Jacobian?based iterative method for magnetic localization in robotic capsule endoscopy [J]. IEEE transactions on robotics， 2016， 32（2）： 327?338.

[8] YANG Wanan， ZHAO Xin， Hu Chao， et al. The verification of force exerted on robotic capsule looped by magnet ring [J]. International journal of applied electromagnetics and mechanics， 2015， 47（3）： 677?689.

[9] VALDASTRI P， WEBSTER III R J， QUAGLIA C， et al. A new mechanism for mesoscale legged locomotion in compliant tubular environments [J]. IEEE transactions on robotics， 2009， 25（5）： 1047?1057.

[10] LIEN G S， LIU C W， JIANG J A， et al. Magnetic control system targeted for capsule endoscopic operations in the stomach—design， fabrication， and in vitro and ex vivo evaluations [J]. IEEE transactions on biomedical engineering， 2012， 59（7）： 2068?2079.

[11] SIMI M， VALDASTRI P， QUAGLIA C， et al. Design， fabrication， and testing of a capsule with hybrid locomotion for gastrointestinal tract exploration [J]. IEEE/ASME transactions on mechatronics， 2010， 15（2）： 170?180.

[12] ZHANG Cheng， LIU Hao， TAN Renjia， et al. Interaction model between capsule robot and intestine based on nonlinear viscoelasticity [J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part H： Journal of engineering in medicine， 2014， 228（3）： 287?296.

[13] CHEN Wenwen， YAN Guozheng， WANG Zhiwu， et al. A wireless capsule robot with spiral legs for human intestine [J]. The International journal of medical robotics and computer assisted surgery， 2014， 10（2）： 147?161.

[14] JIA Zhiwei， YAN Guozheng， LIU Hua， et al. The optimization of wireless power transmission： design and realization [J]. International journal of medical robotics and computer assisted surgery， 2012， 8（3）： 337?347.

[15] LIN Wei， SHI Yuting， JIA Zhiwei， et al. Design of a wireless anchoring and extending micro robot system for gastrointestinal tract [J]. The International journal of medical robotics and computer assisted surgery， 2013， 9（2）： 167?179.

[16] WANG Kundong， YAN Guozheng， JIANG Pingping， et al. A wireless robotic endoscope for gastrointestine [J]. IEEE transactions on Robotics ， 2008， 24（1）： 206?210.

[17] GAO Peng，YAN Guozheng， WANG Zhiwu， et al. Wireless technologies for robotic endoscope in gastrointestinal tract [J]. Journal of medical engineering & technology， 2012，36 （5）： 242?250.

[18] CIARLETTA P， DARIO P， TENDICK F， et al. Hyperelastic model of anisotropic fiber reinforcements within intestinal walls for applications in medical robotics [J]. The International journal of robotics research， 2009， 28（10）： 1279?1288.

[19] PHEE L， ACCOTO D， MENCIASSI A， et al. Analysis and development of locomotion devices for the gastrointestinal tract[J]. IEEE transactions on biomedical engineering， 2002， 49（6）： 613?616.

[20] TERRY B S， SCHOEN J A， Rentschler M E. Measurements of the contact force from myenteric contractions on a solid bolus [J]. Journal of robotic surgery， 2013， 7（1）： 53?57.