面向大血管疏通的新型仿生游动介入机器人研究

研究能进入大动脉管、尿管等人体微细管道的微型机器人对心脑血管疾病的诊疗意义重大。本项目首先基于参考轨迹法对动物精子游动视频进行分析处理，依据仿生分析结果提出机器人总体设计方案；分别基于细长体理论及抗力理论建立宏观尺度与微观尺度机器人旋进推进的动力学模型，通过仿真结果对比，研究尺度效应对机器人运动性能的影响。在分析精子游动中的近壁效应以及尾部多态性的基础上，提出一种多尾仿生机器人设计方案，通过控制多个柔性尾部的协同动作实现机器人的前进、后退、转向、加减速与管道疏通，有效实现推进功能与管道疏通功能模块合二为一，系统结构简单，控制方便，运动过程中对环境流场影响小。设计制作机器人样机的机械、驱动控制模块，对机器人运行性能进行综合理论与实验研究，并基于实验结果，确定机器人自主运动控制策略。面向临床血管疏通需要，对机器人表面进行生物相容性处理，通过实验制定面向大血管疏通的介入机器人临床操作规范。

研究能进入大动脉管、尿管等人体微细管道的微型机器人对心脑血管疾病的诊疗意义重大。本项目基于参考轨迹法对动物精子游动视频进行分析处理，分析精子运动机理。基于抗力理论与细长体理论建立微观尺度旋进游动的数学描述模型，将理论计算结果与实验数据进行对比分析，揭示两种建模方法的优缺点。为实现宏微尺度机器人的统一控制，依据Fluent仿真分析数据，并结合抗力理论建模过程，建立了结构类似的宏尺度旋进游动机器人数学描述模型，实现了宏微旋进游动机器人描述模型的一致化与显式化。分析精子游动中的近壁效应以及单尾旋进游动时的分段多态性，进行了数值模拟与仿真。设计了三种不同布局方式的四尾旋进游动机器人、一种带平衡桨并能对机身自旋进行精确控制的双尾机器人、一种基于导流板实现方向控制的双尾旋进游动机器人以及一种内螺旋一体式机器人系统。对旋进游动机器人机身结构、螺旋尾关键结构参数等进行了优化研究。为因应游动机器人运动大角度机动的特点，引入Euler四元数描述单元体的姿态，建立了游动机器人在血流冲击下的运动学及动力学模型，有效避免了传统模型的奇异性问题，实现了基于模型的游动机器人运动仿真。提出了游动机器人水动力系数辨识方法。在Mathematica环境下，对游动机器人在三维弯曲管道内沿规划路径的游动特性进行了仿真分析，为机器人结构设计和运动控制提供了依据。制作了6种不同结构的旋进游动机器人样机；对机器人无线图像采集与控制机载子系统以及外部无线图像接收与控制子系统进行了设计与调试；设计制作了一种脉动流场模拟实验台；设计制作了基于流体动能发电的能量补给模块；对机器人运行性能进行理论与实验研究，研究发现：螺旋尾旋进速度增加到一定值后，由于尾涡影响的增大，机器人会出现后退，在临界转速以下，机器人自主运动控制策略可行有效；通过平衡桨控制机身自旋，能有效实现管道疏通。针对介入机器人进入动脉血管的应用需要，在抗菌、减摩涂层的基础上，实现了机器人外表的肝素化，形成了抗凝血表面。