Adaptable, shape-conforming robotic endoscope

📄 arXiv: 2409.09557v1 📥 PDF

作者: Jiayang Du, Lin Cao, Sanja Dogramazi

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2024-09-14

备注: Title: Adaptable, shape-conforming robotic endoscope Authors: Jiayang Du, Lin Cao, Sanja Dogramazi Comments: 15 pages with 10 figures Subj-class: robotic colonoscope This manuscript has been submitted to other journals and is currently under review. Another manuscript borrowed some of the results of this manuscript, so it is necessary to cite the reference

💡 一句话要点

提出一种尺寸可调的形状自适应机器人内窥镜，旨在提高结肠镜检查的效率和舒适性。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 机器人内窥镜 形状自适应 结肠镜检查 膨胀机构 柔性波纹管

📋 核心要点

  1. 现有结肠镜检查效率和舒适度有待提高，传统内窥镜难以适应不同患者的肠道尺寸。
  2. 设计一种结合膨胀机构和外部驱动系统的机器人内窥镜，通过形状自适应来提高推进效率。
  3. 原型机实验表明，该内窥镜能够产生2.83N的推进力，最大线速度达到29.29 m/s，并能适应不同尺寸管道。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种尺寸可调的机器人内窥镜设计，旨在提高结肠镜检查的效率和舒适性。该机器人内窥镜结合了膨胀机构和外部驱动系统，可以根据不同的管道直径调整形状，从而提高推进过程中的稳定性和推进力。作为膨胀机构中的执行器，柔性波纹管在最大压力下可提供3.89 N的法向力和近10mm的轴向变形，可膨胀尖端的尺寸膨胀率达53%。在原型机的运动性能测试中，我们通过改变管道的摩擦系数和电机角速度，获得了原型机推进的关系。在人工肠道组织实验中，原型机可以产生2.83 N的推进力，平均最大线速度为29.29 m/s，并且在通过不同管道尺寸时可以产生有效的推进力。结果表明，该原型机可以实现形状自适应能力，从而获得更大的推进力。推进力与牵引力之间的关系、结构优化和小型化仍需进一步探索。

🔬 方法详解

问题定义：现有结肠镜检查的舒适性和效率较低，传统内窥镜难以适应不同患者的肠道尺寸变化，导致推进困难和患者不适。因此，需要一种能够根据管道直径自适应调整形状的内窥镜，以提高推进效率和患者舒适度。

核心思路：核心思路是设计一种具有可膨胀机构的机器人内窥镜，使其能够根据管道直径进行形状自适应。通过外部驱动系统控制膨胀机构，使内窥镜与管道内壁紧密贴合，从而提高推进过程中的稳定性和推进力。

技术框架：该机器人内窥镜主要由可膨胀尖端和外部驱动系统组成。可膨胀尖端包含柔性波纹管，通过充气或液压方式驱动其膨胀，从而改变内窥镜的直径。外部驱动系统负责控制波纹管的膨胀和收缩，以及内窥镜的整体推进。实验中，通过改变管道摩擦系数和电机角速度来测试原型机的运动性能。

关键创新：关键创新在于将可膨胀机构与外部驱动系统相结合，实现了内窥镜的形状自适应能力。这种设计使得内窥镜能够更好地适应不同尺寸的管道，从而提高推进效率和稳定性。柔性波纹管作为执行器，提供了足够的法向力和轴向变形，保证了膨胀机构的有效性。

关键设计：柔性波纹管的设计是关键。论文中提到，波纹管在最大压力下可提供3.89 N的法向力和近10mm的轴向变形，膨胀率达到53%。外部驱动系统的控制策略也至关重要，需要根据管道直径和摩擦系数进行调整，以实现最佳的推进效果。具体的控制算法和参数设置在论文中没有详细描述，属于未来研究的方向。

📊 实验亮点

实验结果表明，该原型机在人工肠道组织中能够产生2.83 N的推进力，平均最大线速度达到29.29 m/s。该原型机能够通过不同尺寸的管道，验证了其形状自适应能力和推进效率。与传统内窥镜相比，该设计有望显著提高结肠镜检查的效率和舒适性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于结肠镜检查等医疗领域，提高检查效率和患者舒适度。此外，该技术还可扩展到其他管道内部的机器人操作，如管道检测、维修等。未来，通过进一步的结构优化和小型化，有望开发出更灵活、更智能的微型机器人内窥镜，应用于更广泛的医疗场景。

📄 摘要（原文）

This paper introduces a size-adaptable robotic endoscope design, which aims to improve the efficiency and comfort of colonoscopy. The robotic endoscope proposed in this paper combines the expansion mechanism and the external drive system, which can adjust the shape according to the different pipe diameters, thus improving the stability and propulsion force during propulsion. As an actuator in the expansion mechanism, flexible bellows can provide a normal force of 3.89 N and an axial deformation of nearly 10mm at the maximum pressure, with a 53% expansion rate in the size of expandable tip. In the test of the locomotion performance of the prototype, we obtained the relationship with the propelling of the prototype by changing the friction coefficient of the pipe and the motor angular velocity. In the experiment with artificial bowel tissues, the prototype can generate a propelling force of 2.83 N, and the maximum linear speed is 29.29 m/s in average, and could produce effective propulsion when it passes through different pipe sizes. The results show that the prototype can realize the ability of shape adaptation in order to obtain more propulsion. The relationship between propelling force and traction force, structural optimization and miniaturization still need further exploration.