CN100523583C - 一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置及方法。其特征是通过调整机器人外表面螺旋肋与柔弹性管壁的间隙实现运动的控制，通过机器人旋转磁场转速与径向膨胀间隙的关系，将多个机器人设计成具有不同的启动转速，通过两磁极圆环产生旋转磁场，在不同的启动转速段区间驱动，来实现多胶囊式体内微机器人游动速度的调整和相对定位控制。本发明的效果和益处是机器人的可靠性和实用性好，运动性能优良，驱动效率高，管径适用范围大，控制简便易行。适用于柔弹性管壁环境，在同一磁场条件下，以不同的启动转速段进行驱动，可以实现对多个机器人的运动与定位的操作。

Description

一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置及方法

技术领域

本发明属于自动化工程技术领域，涉及一种通过同一外旋转磁场条件下，在充满大粘度液体的封闭柔弹性管道内，实现多个胶囊式医疗微型机器人驱动控制的基本方法。

背景技术

磁控无缆驱动微机器人更接近于自然状态，在人体内作业时具有可靠性、安全高等特点。以人体柔弹性组织内的体液为媒介，它可到达体内的深处部位。因此游动微型机器人为体内介入治疗提供了一种重要的作业形式，在医学工程领域具有广阔的应用前景。

医疗微型机器人的作业环境是体内的肠道、泌尿系统、血管等，其环境特点是周围由柔弹性组织封闭、内部充有体液的狭小空间。为了不对柔弹性软组织造成创伤，要求微机器人以无电缆驱动方式，通过游动可靠的进入和退出体内深处，并采用简单、易于微型化的结构，以实现体内在线医疗作业。

为了满足体内柔弹性壁无创伤要求，日本K.Ikeuchi等人首先提出利用液体动压膜作为动力媒介的非接触无损伤体内驱动医用微机器人，它由圆柱体、螺旋肋以及提供大扭矩的微型马达构成。当微马达驱动螺旋肋在有粘液的腔道内旋转时，螺旋肋处的流体产生动压效应，并在管壁表面形成动压保护膜，当肋一端的液体动压力超另一端的液体动压力时，便产生轴向推力，实现非接触无损伤驱动。实验表明当机器人与管壁的间隙较小时，且滑动速度较高时，最大的推进力可达到1N。其缺点是拖带电缆，电机悬在管内，驱动力矩不能平衡，当圆柱体螺旋肋与管壁的间隙太大时，液体动压薄膜会发生破裂，推进力骤减。螺旋表面柔顺性差，其结构尚不能适应复杂环境内的作业。国内浙江大学也成功研制了类似的体内医用微型机器人，结构上巧妙地采用中间电机带动两端的螺旋肋旋向相反的圆柱部高速旋转，使体液在两个圆柱部和弹性壁之间产生动压效应，形成同向推力，对油膜的厚度与轴向推力的关系也进行了研究，也存在机器人与管壁间隙对轴向推力的影响问题，其结构尚不能自适应调整螺旋肋与管壁的间隙，因此柔弹性壁复杂环境内的适应能力尚需进一步提高，机器人还存在能量供给问题。由于螺旋行进机器人的驱动原理简单，因此可靠性与安全性更好，实用前景广阔。

事实证明采用磁场控制的无缆驱动方式是提高微型机器人实用性和可靠性的关键，因此磁控微型机器人迅速成为国际上的研究热点。为了实现无缆式外磁场驱动控制，日本K.Ishiyama等人提出了利用三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场，作用于胶囊内嵌钕铁硼磁体，在胶囊表面螺纹作用下旋进。但通电线圈产生旋转磁场存在驱动频率与磁场强度间的矛盾，高频驱动时，能量损耗大，发热严重，磁场衰减大，会因驱动力矩不足而导致胶囊机器人的截止驱动频率减小，旋进速度降低，甚至使机器人发生堵转而不能行走，影响体内作业的安全性与可靠性。其本体刚性结构也存在径向间隙不能补偿的问题，还不能适应复杂柔弹性壁环境内的驱动行走。

综上所述，通过径向间隙补偿是提高胶囊式医疗微型机器人在柔弹性管壁环境内驱动行走的有效途径，目前，在同一旋转磁场条件下，通过径向间隙补偿，实现多胶囊式医疗微型机器人的驱动控制的研究还未见报道。体内微型机器人群体操作的介入医疗概念具有重要实际应用价值，如将每个机器人设计成具有不同的医疗目的，能明显减小机器人的体积，提高安全性与可靠性，患者可以同时吞下具有不同医疗目的的多个胶囊微型机器人，在同一磁场下实现其群体协调操作，将显著提高体内的医疗效率，提高安全性与实用性，应用前景广阔。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种在充满大粘度液体介质的柔弹性管壁环境内和在同一外旋转磁场驱动条件下，对多个胶囊式医疗微型机器人实施驱动控制的操作装置和方法，实现多胶囊式医疗微型机器人的在同一旋转磁场驱动下的控制。

本发明的技术方案是：

将一块外表面缠绕有多头螺旋肋的配重铜环沿圆周方向分割成若干部分，形成多块带有螺旋肋的配重铜瓦，解除圆周方向的约束；将径向磁化的圆柱状钕铁硼磁体内驱动器作为机器人的中心轴与机器人前端头固定；分别将与配重铜瓦数目相同的平行四边形机构的机架沿与机器人轴线垂直的圆周方向等分的固定在机器人的钕铁硼磁体内驱动器上，再将与平行四边形机构的机架平行的连杆分别固定在若干块带有螺旋肋的配重铜瓦内凹面上，再将配重铜瓦的一端分别通过连杆铰接在机器人的后活动端头上，于是各个平行四边形机构与分别铰接在机器人的后活动端头上的连杆一起构成了径向离心同步伸展机构，它由六杆机构构成；将薄膜橡胶囊套在若干配重铜瓦组成的外圆柱表面上，并将薄膜橡胶囊的两个端口分别与机器人的前端头和后移动端头部密封，通过前端头的气门注入少量气体，薄膜薄膜橡胶囊增加了机器人表面的柔顺性，对人体软组织起到进一步的保护作用，螺旋肋也可以撑开薄膜薄膜橡胶囊凸起，不影响其产生推力，也可以防止流体动压力的泄漏。

机器人本体配重铜瓦与径向离心同步伸展机构的安装结构分为二种：

第一种结构方案是机器人外表面配重铜瓦连同螺旋肋沿圆周方向均匀分割四等分，解除圆周方向约束，分别由四个沿圆周方向均匀分布的径向离心同步伸展机构支撑。

第二种结构方案是机器人外表面配重铜瓦连同螺旋肋沿圆周方向均匀分割三等分，解除圆周方向约束，分别由三个沿圆周方向均匀分布的径向离心同步伸展机构4支撑。

以上两种结构是采用两种不同的技术方案来解除螺旋肋在圆周方向的约束，以便机器人外表面在径向能够自由膨胀，减小与管壁的间隙。

在外旋转磁场与内驱动器的耦合作用下，对机器人施加旋转力矩，径向离心同步伸展机构在配重铜瓦离心力的作用下，推动螺旋肋沿径向同步伸展，并拉动机器人后活动端头缩短，推动胶囊表面沿径向扩充和膨胀，即能将肠道等柔弹性管壁撑开，又能推动螺旋结构胶囊表面与复杂凸凹柔弹性管壁自适应接触，在其自定心膨胀作用能有效地消除机器人胶囊表面与柔弹性管壁的间隙，减小动压薄膜的厚度，显著提高机器人的轴向推力。通过调整外磁场的旋转速度控制胶囊表面与柔弹性管壁的接触程度，进而实现体内胶囊式机器人在复杂弹性壁环境内推力与速度的调整与控制。机器人旋转停止时，薄膜橡胶囊靠其弹性能拉动径向离心同步伸展机构返程。

机器人按一定转速转动时，径向离心同步伸展机构在配重铜瓦离心力的作用下，克服乳胶薄膜囊弹性力，推动螺旋肋沿径向同步伸展。在某一转速下，在一定粘度液体中，当机器人外表面与管内壁的间隙达到临界间隙时，机器人开始运动，该转速称为启动转速，转速小于启动转速时称为机器人的截止转速，以截止转速驱动时的运动特征是机器人只在管内空转，不能实现行走。

根据机器人径向膨胀量与转速的关系，通过改变薄膜橡胶囊壁厚或使用不同弹性模量的材质制造，也可以通过调整配重铜瓦的质量来实现。将各机器人设计成具有不同的启动转速，以各启动转速进行驱动调整，可实现多胶囊机器人的协调驱动控制。

本发明的效果和益处是：

通过管道外部旋转磁场实现微型机器人在柔弹性封闭管道内的双向游动控制，无电缆驱动方式提高了机器人的可靠性和实用性。通过改变旋转磁场转速来改变机器人外表面与管道的间隙，进而实现对机器人移动速度的控制，改变旋转磁场的方向，即可改变机器人的移动方向，实现简便易行。由于间隙是影响机器人行走的主要因素，因此在一定范围内减小间隙，可以显著提高机器人的运动性能与驱动效率。由于机器人可通过外表面的径向膨胀实现间隙自适应补偿，并具有撑开柔弹性管壁的功能，因此适合在柔弹性管壁环境内驱动作业。机器人适用管径范围大，即机器人可以在一定管径范围的管道内行走。机器人径向离心同步伸展机构径向膨胀时，其上的螺旋角始终保持45度角，此时机器人的速度最快。在同一磁场条件下，以多个机器人不同的启动速度段进行驱动，可以实现对多个机器人进行操作。

附图说明

附图1是本发明的多胶囊式医疗微型机器人驱动结构示意图。

附图2是第一种胶囊式医疗微型机器人模型的结构示意图。

附图3第二种胶囊式医疗微型机器人模型的结构示意图。

图中：a胶囊式微型机器人；b胶囊式微型机器人；c胶囊式微型机器人；d充满大粘度液体的柔弹性封闭管道；e钕铁硼圆环外驱动器。

1前端头；2气门；3薄膜橡胶囊；4径向离心同步伸展机构；5配重铜瓦；6螺旋肋；7钕铁硼内驱动器；8后活动端头。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

结合附图2中气门2用来向薄膜橡胶囊3内充入一定的气体，来增加机器人表面的柔顺性，以适应复杂管内环境，减小对人体的伤害，也使径向离心同步伸展机构4更容易将其撑开，并能防止流体动压力的泄露。四个径向离心同步伸展机构4沿圆周方向均匀分布，它由六杆机构组成，六杆机构包括平行四杆机构和分别连接于其末端和后活动端头8的连杆滑块机构组成，后活动端头8沿轴向缩短是为了使胶囊在径向上更容易变形，并减小胶囊内的压力变化。

将配重铜瓦5外表面缠绕多头螺旋肋6，螺旋肋可以为三头或4头，螺旋角为45度，以便产生的速度最大，并将本体配重铜瓦连同螺旋肋一同沿园周方向分为三或四部分，解除圆周方向的约束，再将分开的每块带螺旋肋的瓦状体分别连接在径向离心同步伸展机构上，将其外表面套上薄膜乳橡胶囊，与机器人前端头1和后活动端头8密封连接，通过气门2打入少量气体。

该机构在离心力作用下，几块配重铜瓦5沿着径向同步伸展，并拉动机器人一个端部缩短，推动薄膜乳橡胶囊3表面沿径向膨胀，即能将肠道等柔弹性管壁撑开，又能推动螺旋结构胶囊表面与复杂凸凹柔弹性管壁自适应接触，在其自定心作用下能有效地消除机器人胶囊表面与柔弹性管壁的间隙，显著提高机器人的轴向推力。通过调整外磁场的旋转速度控制胶囊表面与柔弹性管壁的接触程度，进而实现体内机器人在复杂弹性壁环境内推力与速度的调整与控制。

启动转速的设计可以通过改变薄膜乳橡胶囊3壁厚或使用不同弹性模量的材质制造，也可以通过调整配重铜瓦5的质量来实现。于是在同一旋转磁场下，由于各螺旋肋在不同薄膜橡胶囊3的约束下，径向形变量不同，其启动转速也不一样，以各启动转速进行匹配调整与驱动，可实现多胶囊机器人的协调驱动控制。

下面列举实施例子说明机器人启动转速的设计过程。如在运动粘度为500mm²/s(每平方毫米秒)的硅油内，当动压薄膜的厚度大于2毫米左右时，发生动压膜破裂，胶囊式机器人的轴向推力不能维持行走。

基于上述技术方案的机器人，如果其外螺旋肋表面的直径设计为19毫米，在内径为30毫米充满粘度为运动粘度为500mm²/s的硅油的管内驱动时，径向离心同步伸展机构在配重铜瓦离心力的作用下，推动螺旋肋沿径向同步伸展。根据机器人径向膨胀量与转速的关系，当外螺旋肋表面的直径膨胀为26毫米时，单向间隙达到2毫米，此时机器人开始驱动行走，该转速称为该机器人的启动转速。

根据机器人径向膨胀量与转速的关系，可以设计出具有不同启动转速机器人对应的薄膜橡胶囊厚度，如果要设计三个具有不同启动转速的机器人，结果为当启动转速为每分钟1100转时，对应的薄膜橡胶囊厚度为0.15毫米；当启动转速为每分钟1000转时，对应的薄膜橡胶囊厚度为0.12毫米；当启动转速为每分钟800转时，对应的薄膜橡胶囊厚度为0.1毫米。制作三个不同厚度的薄膜胶囊安装到配重铜瓦5外表面上，即完成了三个不同启动转速机器人的设计。

下面说明实现三个机器人控制的具体实施方式。

结合附图1，图1中的两磁极钕铁硼圆环外驱动器e采用变频调速驱动控制，以产生转速可调的旋转磁场，采用两磁极钕铁硼圆环的技术方案可使产生的旋转磁场强度最大；三个胶囊式微型机器人a，胶囊式微型机器人b，胶囊式微型机器人c的启动转速从大到小排列，分别为每分钟1100转、每分钟1000转和每分钟800转。

将启动转速从大到小排列，分别为每分钟1100转、每分钟1000转和每分钟800转的三个机器人，即胶囊式微型机器人a，胶囊式微型机器人b，胶囊式微型机器人c，按顺序放入充满大粘度液体的柔弹性封闭管道d，由变频驱动控制钕铁硼圆环外驱动器e的旋转速度，以控制旋转磁场的转速。

以最大启动转速分钟1100转驱动时，三个胶囊机器人，即胶囊式微型机器人a、胶囊式微型机器人b和胶囊式微型机器人c同时运动，可以控制机器人a运动到指定位置；以胶囊式微型机器人b的启动转速每分钟1000转驱动时，机器人a空转不动，胶囊式微型机器人b和胶囊式微型机器人c两个机器人运动，可以控制胶囊式微型机器人b运动到指定位置；以胶囊式微型机器人c的最小启动转速每分钟800转驱动时，只有机器人c独自运动，另外二个胶囊式微型机器人a和胶囊式微型机器人b空转不前，可以控制胶囊式微型机器人c运动到指定位置。因此可以调整三个机器人之间处于任何相对的位置。在同一旋转磁场条件下，以此类推，可以实现更多数量机器人的驱动控制。

图3中：第二种胶囊式医疗微型机器人模型的结构与图2中第一种机器人模型的结构的区别是机器人外表面配重铜瓦5连同螺旋肋6沿圆周方向均匀分割为三等分，解除圆周方向约束，分别由三个沿圆周方向均匀分布的径向离心同步伸展机构4支撑。

Claims (4)

1.一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置，其特征在于：

将一块外表面缠绕有多头螺旋肋的配重铜环沿圆周方向分割成若干部分，形成多块带有螺旋肋的配重铜瓦；将径向磁化的圆柱状钕铁硼磁体内驱动器作为机器人的中心轴与机器人前端头固定；分别将与配重铜瓦数目相同的平行四边形机构的机架沿与机器人轴线垂直的圆周方向等分的固定在机器人的钕铁硼磁体内驱动器上，再将与平行四边形机构的机架平行的连杆分别固定在若干块带有螺旋肋的配重铜瓦内凹面上，再将配重铜瓦的一端分别通过连杆铰接在机器人的后活动端头上，各个平行四边形机构与分别铰接在机器人的后活动端头上的连杆一起构成了径向离心同步伸展机构，它由六杆机构构成；将薄膜橡胶囊套在若干配重铜瓦组成的外圆柱表面上，并将薄膜橡胶囊的两个端口分别与机器人的前端头和后活动端头密封，通过前端头的气门注入少量气体。

2、根据权利要求1所述的一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置，其特征在于机器人本体配重铜瓦与径向离心同步伸展机构的安装结构为：

机器人外表面配重铜瓦(5)连同螺旋肋(6)沿圆周方向均匀分割四等分，分别由四个沿圆周方向均匀分布的径向离心同步伸展机构(4)支撑。

3、根据权利要求1所述的一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置，其特征在于机器人本体配重铜瓦与径向离心同步伸展机构的安装结构为：机器人外表面配重铜瓦(5)连同螺旋肋(6)沿圆周方向均匀分割三等分，分别由三个沿圆周方向均匀分布的径向离心同步伸展机构(4)支撑。

4、使用权利要求1所述的一种多胶囊式医疗微型机器人的磁驱动控制装置的方法，其特征在于：

(1)根据薄膜橡胶囊的厚度、材质或调整配重铜瓦的重量，调整机器人的启动转速；

(2)在外旋转磁场与内驱动器的耦合作用下，对机器人施加旋转力矩，径向离心同步伸展机构在配重铜瓦离心力的作用下，推动螺旋肋沿径向同步伸展，并拉动机器人后活动端头缩短，推动胶囊表面沿径向扩充和膨胀；

(3)通过调整外磁场的旋转速度控制胶囊表面与柔弹性管壁的接触程度，实现体内胶囊式机器人在复杂弹性壁环境内推力与速度的调整与控制；机器人旋转停止时，薄膜橡胶囊靠其弹性能拉动径向离心同步伸展机构返程。

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