CN102949168B - 一种多舱式无线胶囊机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及胶囊机器人，具体地说是一种多舱式无线胶囊机器人，包括多个串联的舱室，相邻两舱室之间通过连接装置连接；所述连接装置可为波纹管、扭簧或扭簧及接头。本发明将多个舱室串联连接，不同的功能模块可以分配到各个舱室中，克服了胶囊机器人整机集成体积庞大的缺点，使得胶囊机器人满足临床应用的尺寸要求。

Description

一种多舱式无线胶囊机器人

技术领域

本发明涉及胶囊机器人，具体地说是一种多舱式无线胶囊机器人。

背景技术

胶囊机器人，是指胶囊内窥镜具有在人体消化道内自主行走的能力，其动力来源于内部的驱动器，而不是来自于胃肠蠕动。它能够实现在体外通过无线的方式对胶囊机器人的行走速度和方向进行控制，以及停留在任意感兴趣的消化道位置，并进行影像拍摄、施药或活检等操作。目前已经出现了多种驱动方式的胶囊机器人，比如仿生驱动、螺旋驱动和体外磁场驱动等方式；但尚未出现功能完善的胶囊机器人整机方案。胶囊机器人为实现其在人体消化道内工作的基本功能，需要具备如下一些功能模块：驱动机构、无线通信、无线能量传输和图像采集。而对于功能更为强大的胶囊机器人而言，应当具备多传感监测、组织活检采样、药物释放、细胞学取材等功能。这样多的功能模块如果在一个胶囊机器人本体上全部集中体现出来，会造成整机尺寸过大，超出人体消化道这样狭小曲折的工作空间限制，从而无法满足患者诊疗的需求。此外，胶囊机器人各个功能模块已经出现的解决方案都存在着缺点，比如腿式和螺旋式驱动方式存在损伤人体组织的风险，电磁感应无线能量传输方式效率低等。

发明内容

为了解决多个功能模块集成后尺寸过大，无法在狭小曲折的人体消化道内工作的问题，本发明的目的在于提供一种多舱式无线胶囊机器人。该多舱式无线胶囊机器人能够将多个功能模块分配到串联的多个胶囊舱室中，从而满足人体消化道内诊疗的要求，可用于消化道内疾病的论断和治疗。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括多个串联的舱室，相邻两舱室之间通过连接装置连接。

其中：所述连接装置为波纹管结构，相邻的两舱室之间通过波纹管连接，在波纹管内部嵌入电源线和信号线，该电源线和信号线的两端分别与容置在两舱室内部的设备电连接。

所述连接装置包括扭簧、轴及连接线，在两相邻的舱室相对端分别设有扭簧，扭簧的一端与安装在舱室内的轴相连，另一端通过连接线与相邻舱室中的扭簧的另一端连接；所述两相邻舱室的相对端相互接触，彼此之间可相对绕所述轴转动；所述连接线包括钢丝绳、电源线及信号线，其中钢丝绳作为骨架、与扭簧相连，所述电源线及信号线的两端分别与容置在两舱室内部的设备电连接。

所述连接装置包括扭簧、轴、连接线及接头，在两相邻的舱室相对端分别设有扭簧，扭簧的一端与安装在舱室内的轴相连，另一端通过连接线连接有位于舱室外的接头，两相邻的舱室通过各自的接头连接；所述两相邻舱室中一个舱室接头的连接端面上设有凸台，另一个舱室接头的连接端上设有与凸台相对应的凹槽，所述凸台及凹槽上分别设有多个导电触点；所述凸台所在的连接端面上、在凸台的周围布有至少一个磁体，所述凹槽所在的连接端面上、在凹槽的周围布有至少一个与凸台周围磁体极性相反的磁体，两相邻舱室中的接头通过极性相反的磁体吸引相连；所述凸台所在连接端面上的磁体均布于凸台的周围，包括第一磁体部及第一接头部，第一接头部为球状突起；所述凹槽所在连接端上的磁体均布于凹槽的周围，数量与凸台所在连接端面上的磁体数量相同，包括第二磁体部及第二接头部，第二接头部为球状凹陷，第一接头部与第二接头部的连接为内嵌式，第一磁体部与第二磁体部相对端的极性相反；所述凸台上的导电触点包括一个正触点、一个负触点及至少一个信号触点，各触点的连接端均为凸导电触点；所述凹槽上的导电触点包括一个正触点、一个负触点及至少一个信号触点，各触点的连接端均为与所述凸导电触点相对应的凹导电触点；所述凹槽的内壁上设有滑轨，各触点分别容置于滑轨内，在滑轨内设有弹簧，弹簧的一端与凹槽内壁抵接，另一端与各触点抵接；所述凸台上的正触点位于凸台的中心，负触点及信号触点分布于正触点的周围；所述凹槽上的正触点位于凹槽的中心，负触点及信号触点分布于正触点的周围。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明将多个舱室串联连接，不同的功能模块可以分配到各个舱室中，克服了胶囊机器人整机集成体积庞大的缺点，使得胶囊机器人满足临床应用的尺寸要求。

2.本发明各舱室之间可通过波纹管、扭簧、扭簧及接头相互连接，结构简单。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为本发明实施例2的结构示意图；

图3为本发明实施例3的结构示意图；

图4A为图3中第一接头的结构示意图；

图4B为图3中第二接头的结构示意图；

图5A为图4A中磁体的结构示意图；

图5B为图4B中磁体的结构示意图；

图6A为图4A中导电触点的结构示意图；

图6B为图4B中导电触点的结构示意图；

其中：1为舱室，101为光罩，102为镜头，103为控制电路板，104为功能模块，105为无线通信控制电路板，106为天线，107为波纹管，108为电源线和信号线，109为电池，110为电源管理电路板，111为接收线圈，112为驱动电路板，113为驱动机构；

201为第一扭簧，202为第一轴，203为第一连接线，204为第二扭簧，205为第二轴；

301为第三扭簧，302为第三轴，303为第二连接线，304为第一接头，305为第二接头，306为第三连接线，307为第四轴，308为第四扭簧；309为第一磁体，310为第二磁体，311为第三磁体，312为第四磁体，313为第一导电触点，314为第二导电触点，315为第三导电触点，316为第四导电触点，320为第五磁体，321为第六磁体，322为第七磁体，323为第八磁体，324为第五导电触点，325为第六导电触点，326为第七导电触点，327为第八导电触点，350为第一外缘，351为凸台，360为第二外缘，361为凹槽，3091为第一磁体部，3092为第一接头部，3093为第二磁体部，3094为第二接头部，3131为凸导电触点，3241为凹导电触点，3242为弹簧，3243为滑轨。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

本发明的无线胶囊机器人包括多个串联的舱室，相邻两舱室之间通过连接装置连接，各舱室可以根据需要来确定功能，进而安装相应的模块。

实施例1(连接装置为波纹管)

本实施例各舱室1之间的连接装置为波纹管结构，相邻的两舱室之间通过波纹管107连接，在波纹管107内部嵌入电源线和信号线108，该电源线和信号线108的两端分别与容置在两舱室内部的设备电连接。

如图1所示，本实施例以三个舱室1为例，其中舱室A为功能舱，舱室B为供能舱，舱室C为驱动舱。功能舱A包括光罩101、镜头102、控制电路板103、功能模块104、无线通信控制电路板105及天线106，功能模块104包括多种生理信息监测、组织活检采样、药物释放和细胞学取材等功能模块。供能舱包括可充电电池109、电源管理电路板110及无线供能接收线圈111。驱动舱包括驱动电路板112及驱动机构113。舱室A(功能舱)与舱室B(供能舱)、舱室B(供能舱)与舱室C(驱动舱)之间的连接形式均为柔性的波纹管107，内部嵌入了电源线和信号线108。

本实施例的工作原理为：

供能舱的接收线圈111接收到能量后，经过电源管理电路板110进行转化，对电池109进行充电，电池109两端的电压经过电源管理电路板110进行稳压处理后由电源线和信号线108中的电源线提供给功能舱和驱动舱作为电源。功能舱中的各个功能模块(包括镜头102、功能模块104、无线通信控制电路板105和天线106)以及驱动舱中的驱动电路板112和驱动机构113的工作与时序均由控制电路板103进行控制和协调。当胶囊机器人整体进入人的小肠后，柔性的波纹管107能够产生变形以适应小肠的形状。胶囊进入小肠的形态可能是驱动舱在前或者功能舱在前，而驱动舱能够实现正逆向的运动，从而拖动或者推动其它胶囊舱跟随运动。

为了避免胶囊机器人存在损伤人体组织的风险，本实施例中的驱动舱可采用申请人于2008年12月26日申请的中国发明专利《一种胶囊机器人的电磁驱动器》，申请号为200810230251.3，公开号为CN101771322A，公开日为2010年7月7日。该驱动器采用“内力—摩擦”式驱动机构，在运动过程中没有腿足及其他驱动器与人体组织产生较大作用力的接触，避免对人体组织造成伤害。此外，双向的运动能力还能够满足多舱式胶囊机器人的整体运动需求。

为了提高无线能量传输的效率，本实施例中的供能舱可采用申请人于2011年4月15日申请的中国发明专利《一种无线电能传输装置》，申请号为201110096520.3。该传输装置采用强磁耦合方式，能够克服电磁感应供能方式存在的效率低下的缺点，高效地实现能量的供给，满足多舱式胶囊机器人的能耗要求。

实施例2(连接装置为扭簧)

本实施例与实施例1的区别在于，本实施例中的连接装置包括扭簧、轴及连接线，在两相邻的舱室相对端分别设有扭簧，扭簧的一端与安装在舱室内的轴相连，另一端通过连接线与相邻舱室中的扭簧的另一端连接。

如图2所示，本实施例以左右两个舱室1为例，其中左侧舱室与右侧舱室相对的一端内部设有第一轴202，右侧舱室与左侧舱室相对的一端内部设有第二轴205，第一扭簧201的一端与第一轴202相连，第二扭簧204的一端与第二轴205相连，第一扭簧201的另一端与第二扭簧204的另一端通过第一连接线203连接。第一连接线203由钢丝绳、电源线和信号线组成，其中钢丝绳起骨架作用、与第一、二扭簧201、204相连，可以避免电源线和信号线变形受损，电源线及信号线的两端分别与容置在两舱室内部的设备电连接。

本实施例的工作原理为：

在自然状态下，受到第一扭簧201和第二扭簧204的扭矩作用，两个舱室之间处于接触状态，且共轴线；当受到外部环境的作用力时，第一扭簧201和第二扭簧204会绕第一轴202和第二轴205收紧，第一连接线203拉长，两个舱室之间可相对转动而呈一定的角度，但仍处于接触状态，从而能够在形状上适应环境。

实施例3(连接装置为扭簧、接头)

本实施例与实施例2的区别在于，各舱室的扭簧一端与轴相连，另一端通过连接线与接头连接，相邻两舱室之间通过接头相连。

如图3所示，本实施例以左右两个舱室1为例，其中左侧舱室与右侧舱室相对的一端内部设有第三轴302，右侧舱室与左侧舱室相对的一端内部设有第四轴307，第三扭簧301的一端与第三轴302相连，另一端通过第二连接线303与位于该侧舱室外的第一接头304相连；第四扭簧308的一端与第四轴307相连，另一端通过第三连接线306与位于该侧舱室外的第二接头305相连；左、右两个舱室通过第一接头304和第二接头305相互连接。

如图4A所示，第一接头304的连接端面上设有凸台351，凸台351的周围为第一外缘350，在第一外缘350上设有至少一个磁体，本实施例在第一外缘350上沿周向均布了四个磁体，分别为第一磁体309、第二磁体310、第三磁体311及第四磁体312，四个磁体逆时针布置，各磁体的磁极按逆时针为NNSS。在凸台351上设有一个电源的正触点、一个电源的负触点及至少一个信号触点等多个导电触点，本实施例的凸台351上设置了第一导电触点313、第二导电触点314、第三导电触点315、第四导电触点316，其中第一导电触点313为电源的正触点，第二导电触点314为电源的负触点，第三导电触点315及第四导电触点316为信号触点，第一导电触点313位于凸台的中心，第二导电触点314、第三导电触点315、第四导电触点316为非均匀分布，分布在第一导电触点313的周围。如图4B所示，第二接头305的连接端面上设有凹槽361，凹槽361的周围为第二外缘360，在第二外缘360上设有至少一个磁体(磁体的数量与第一外缘350上的磁体数量相同)，本实施例在第二外缘360上沿周向均布了四个磁体，分别为第五磁体320、第六磁体321、第七磁体322及第八磁体323，四个磁体逆时针布置，各磁体的磁极按逆时针为SNNS，第五磁体320与第一磁体309相吸引、磁极相反，第六磁体321与第四磁体312相吸引、磁极相反，第七磁体322与第三磁体311相吸引、磁极相反，第八磁体323与第二磁体310相吸引、磁极相反。在凹槽361上设有一个电源的正触点、一个电源的负触点及至少一个信号触点等多个导电触点，本实施例的凹槽361上设置了第五导电触点324、第六导电触点325、第七导电触点326、第八导电触点327，其中第五导电触点324为电源的正触点，第六导电触点325为电源的负触点，第七导电触点326及第八导电触点327为信号触点，第五导电触点324位于凹槽361的中心、与第一导电触点313相对应，第六导电触点325、第七导电触点326、第八导电触点327为非均匀分布，分布在第五导电触点324的周围；第六导电触点325与第二导电触点314相对应，第七导电触点316与第三导电触点315相对应，第八导电触点327与第四导电触点316相对应。

如图5A所示，第一外缘350上的磁体均包括第一磁体部3091及第一接头部3092，第一接头部3092为球状突起。如图5B所示，第二外缘360上的磁体均包括第二磁体部3094及第二接头部3093，第二接头部3093为球状凹陷。当第一接头304与第二接头305连接时，第一外缘350上的各磁体球状突起的第一接头部3092内嵌于第二外缘360上各磁体球状凹陷的第二接头部3093中。

如图6A所示，凸台351上的导电触点的连接端均为凸导电触点3131。如图6B所示，凹槽361上的导电触点的连接端均为与所述凸导电触点3131相对应的凹导电触点3241，在凹槽361的内壁上设有多个滑轨3243，滑轨3243的数量与凹槽361上的导电触点数量相同，凹槽361上的每个触点均容置于一个滑轨3453内，在滑轨3243内设有弹簧3242，弹簧3242的一端与凹槽361的内壁抵接，另一端与各触点抵接。

本实施例的工作原理为：

当第一接头304上的第一～四磁体309～312与第二接头305上的第五～八磁体320～323相互吸引后，第一接头304上的第一～四导电触点313～316与第二接头305上的第五～八导电触点324～326也相应接触，并由弹簧3242的弹力作用实现凸导电触点3131与凹导电触点3241的可靠接触。在实现接触后，其工作方式与实施例2相同。

实施例2与实施例3各舱室也可如实施例1中的舱室一样，根据需要来确定不同的功能。

Claims (3)

1.一种多舱式无线胶囊机器人，其特征在于：包括多个串联的舱室，相邻两舱室之间通过连接装置连接；所述连接装置包括扭簧、轴、连接线及接头，在两相邻的舱室相对端分别设有扭簧，扭簧的一端与安装在舱室内的轴相连，另一端通过连接线连接有位于舱室外的接头，两相邻的舱室通过各自的接头连接；所述两相邻舱室中一个舱室接头的连接端面上设有凸台，另一个舱室接头的连接端上设有与凸台相对应的凹槽，所述凸台及凹槽上分别设有多个导电触点；所述凸台所在的连接端面上、在凸台的周围布有至少一个磁体，所述凹槽所在的连接端面上、在凹槽的周围布有至少一个与凸台周围磁体极性相反的磁体，两相邻舱室中的接头通过极性相反的磁体吸引相连；所述凸台所在连接端面上的磁体均布于凸台的周围，包括第一磁体部及第一接头部，第一接头部为球状突起；所述凹槽所在连接端上的磁体均布于凹槽的周围，数量与凸台所在连接端面上的磁体数量相同，包括第二磁体部及第二接头部，第二接头部为球状凹陷，第一接头部与第二接头部的连接为内嵌式，第一磁体部与第二磁体部相对端的极性相反。

2.按权利要求1所述的多舱式无线胶囊机器人，其特征在于：所述凸台上的导电触点包括一个正触点、一个负触点及至少一个信号触点，各触点的连接端均为凸导电触点；所述凹槽上的导电触点包括一个正触点、一个负触点及至少一个信号触点，各触点的连接端均为与所述凸导电触点相对应的凹导电触点；所述凹槽的内壁上设有滑轨，各触点分别容置于滑轨内，在滑轨内设有弹簧，弹簧的一端与凹槽内壁抵接，另一端与各触点抵接。

3.按权利要求2所述的多舱式无线胶囊机器人，其特征在于：所述凸台上的正触点位于凸台的中心，负触点及信号触点分布于正触点的周围；所述凹槽上的正触点位于凹槽的中心，负触点及信号触点分布于正触点的周围。