南京航空航天大学 硕士学位论文 模拟动脉环境下介入诊疗机器人的研究 姓名：王文权 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈柏 20090301 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 用于微创、无创手术的仿生介入诊疗机器人开发已经成为国际医疗器械行业的热门课题。 本文基于腹足动物运动机理，介绍一种动脉内新型仿生介入机器人。该机器人利用磁流变液在 磁场作用下流变特性的变化，模拟腹足动物分泌液的“固化粘合”功能，并通过在机体与管腔 间形成的动压润滑效应模拟粘液的“液化润滑”功能，从而使机器人前后两个舱体在同一时刻 所受环境管壁的摩擦力产生很大的差异；同时，该机器人利用直线步进电机模拟腹足动物足面 肌肉的轴向波动。随着直线步进电机的伸张与收缩，机器人实现前进与后退。 论文首先在仿生学的基础上提出介入诊疗微机器人的结构设计方案及控制系统，并对机器 人的转向机理进行了建模分析，利用 ADAMS 对机器人运行状况进行仿真分析。 为分析流场对机器人的影响，论文首先建立了机器人模拟动脉环境数学模型及机器人在血 管中的受力模型。之后，应用 CFD 软件包对有机器人介入的动脉血管进行流场分析，分析流场 对机器人运行产生的影响和机器人的受力情况，并对几种外型结构的机器人受流场的影响进行 比较分析，结果表明：机器人两端端面取为椭圆球长轴面时所受流体冲击力最小。 为对机器人综合性能进行实验研究，构建了模拟动脉环境实验台，并对机器人的运动学及 动力学性能进行了实验研究，结果表明，机器人驱动方法切实可行，能有效抗击流体冲击。 关键词：关键词：仿生学，介入，磁流变液，SMA 弹簧，ADAMS，动脉，FLUENT 模拟动脉环境下介入诊疗机器人的研究 ii ABSTRACT The interventional micro-robots which can be used for mini-invasive or non-invasive therapy have become a hot topic in the field of international medical device industry. This paper introduces a novel bionic micro-robot which can intervene in artery based on the gastropods locomotion principles. This robot utilizes the changes of the rheological properties of the magnetorheological fluid (MRF) which is under the influence of additional magnetic field to simulate the cohesion function of gastropods mucus. And to simulate the mucus function of liquefied thus to lubricate, the lubrication effect has been formed between the body of the micro robot and the lumen. Therefore, large differences of the friction force between the cabin unit and the propulsive unit of the robot comes into being simultaneously. In addition, the linear stepping motor is utilized to simulate the axial movement of the gastropods pedal muscles. If the magnetic fields are controlled to affect the MRFs rheological properties periodically along with the motors elongating and shrinking, the micro robot will achieve forward locomotion or backward locomotion. In this paper, based on the bionic theory, the robots structure composition and control system have been introduced firstly. Then the steering mechanism of the micro robot is modeled. The running situation is also simulated with the software ADAMS. To analyze the effects of the flow field to the interventional robot, the mathematical model of the arterial environment and the robots mechanical model in artery have been built. The flow fields around the robot in artery are calculated using the CFD software package and the influences of the flow field to the movement of the robot are analyzed. To optimize the structure of the micro robot, the effects of the flow field to several micro robots which have difference contours have been analyzed comparatively. The results show that the minimal impact force to the robot appears when the robots two end surfaces are the long axial plane of ellipsoid. To carry out the experimental study of the robots movement properties, the artificial artery environment is established and the robots kinematics and dynamics properties are studied. The results show that the robots driving method is feasible and can endure the liquid impact effectively. Keywords: bionic, interventional, magnetorheological fluid, SMA spring, ADAMS, artery, FLUENT 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图目录 图 1.1 仿蚯蚓蠕动机器人蠕动过程示意图2 图 1.2 人工蚯蚓示意图2 图 1.3 仿尺蠖型机器人驱动原理示意图2 图 1.4 仿蚯蚓胶囊式机器人驱动机构图2 图 1.5 气动式蠕动微型机器人3 图 1.6 基于蚯蚓原理的多节蠕动机器人3 图 1.7 基于螺旋密封原理的无损伤内窥镜机器人3 图 1.8 螺旋形磁微机器人4 图 1.9 仿鱼鳍游动的微型机器人4 图 1.10 三自由度仿鱼机器人结构示意图4 图 1.11 IEM-Pt 作致动器的机器鱼模型.5 图 1.12 铁磁橡胶作致动器的微机器人5 图 1.13 差动杠杆放大原理驱动的微机器人5 图 1.14 仿蝌蚪与螺旋的微型机器人5 图 2.1 腹足纲动物分泌的粘液特性9 图 2.2 介入诊疗机器人外部结构示意图11 图 2.3 介入诊疗机器人内部结构示意图11 图 2.4 机器人前进运动状态变化图12 图 2.5 介入诊疗机器人在弯管中的运动示意图13 图 2.6 转向单元的弯转过程示意图14 图 2.7 机器人控制系统结构图15 图 2.8 机器人前进控制时序图16 图 2.9 机器人控制电路原理图17 图 2.10 ADAMS 中的机器人模型 19 图 2.11 前舱和推进单元随直线致动器驱动的位移曲线20 图 2.12 直线致动器推力和机器人运行摩擦力的关系曲线21 图 2.13 不同倾斜角度下摩擦力变化曲线21 图 2.14 不同倾斜角度下直线致动器驱动力变化曲线21 图 3.1 主动脉与大动脉的弹性腔模型22 模拟动脉环境下介入诊疗机器人的研究 vi 图 3.2 一个心动周期中，左心房压、左心室压、主动脉压、左心室容积和主动脉流量与心音、 心电和静脉压之间的关系.23 图 3.3 主动脉计算进口平均血流速度曲线24 图 3.4 血管中血流进口段长度25 图 3.5 血液表观粘度 a 随切变率 u r xr r += 运动方程： 22 11 ; 22 22 11 222 uuupuuu uv txrxrr rx p uv txrrrr rxr += + += + 式中，u和分别表示血流速度在x轴与r轴方向上的分量，p为压力，为血液密度，v = 表示血液的运动粘度，为血液的动力粘度。 3.5 机器人在动脉血管中的受力模型 血管中充满着高速流动的血液，会对在其中运行的机器人产生强大的冲击，所以如何保证 血管中机器人在高速流动的液体冲击下可靠的定位，又如何在逆向流动的液体中平稳的运行成 为血管介入诊疗机器人研究的关键。 本节就心脏泵血时机器人在动脉血液流中的受力进行分析。 机器人在血管内遵循血液动力学的基本定律，因此为了简化计算，规定如下：只研究水 平直管道内的机器人运动。所研究流体为不可压缩牛顿流体。将机器人简化为一个直径D 和长度为l的圆柱体。建立机器人在血管中的受力模型如图3.7所示。 图3.7血管机器人在血管中受力模型 机器人进入血管某个位置后，由于其阻碍了血液的流动，在机器人的迎流面上建立起由于 血流的静压力形成的压力p1，而绕过机器人的血液在背面建立起另一个压力p2，因此形成前后 压力差。血液对机器人的冲击和通过机器人表面的流体速度，形成了流体动压力pd。由于血管 图3.6血液在柱坐标系中的速度分量 r u u R x o 南京航空航天大学硕士学位论文 29 壁具有弹性，在心动周期中血管体积不断变化，这部分体积中的血液对机器人产生的冲击压力 为ph。由此建立机器人在血管内运动时的平衡方程： ()() d12h12 2 4 ppppff D +=+ （3.8） () 22 d 1 2 pCuv= （3.9） h pau= （3.10） 式中，u是血液的流速，v是机器人的速度，a是血液泵血时脉动波的速度，且au， 为血液密度，C是机器人表面形貌系数，可由实验得出。当机器人以速度v前进时，通过机器 人与血管之间间隙的流量为44： () 3 12 122 DhDh qppv l