CN100586361C - 基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人及其运动方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人及其运动方法，属于医用微型机器人技术领域。它利用磁流变液在磁场作用下流变特性的变化效应，模拟腹足动物运动过程中的分泌液的作用。由芯体、磁场发生线圈、双层橡胶膜、以及磁流变液组成的磁控增阻模块模拟腹足动物的腹足前部和后部的运动；由形状记忆合金弹簧、联接法兰和密封波纹管组成的转向单元模拟腹足动物的转向运动；利用直线致动器的直线伸缩运动模拟腹足动物运动过程中肌肉的轴向波动。该机器人能实现前进、转向、后退运动，具有良好的抗流体冲击能力和运动的低损伤的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种医用微型机器人，特别涉及一种基于腹足动物运动机理的仿生介入诊疗机器人及其运动方法。
背景技术
最初，介入诊疗机器人的研究是以消化道为应用背景，基于蛇和蚯蚓等软体动物的蠕动机理而提出的。如K.Ikuta基于蛇的运动原理，以形状记忆合金为致动器提出的蠕动式自主内窥镜机器人；如I.Hayashi所在课题组，S.Kato所在课题组、N.Saga所在课题组、K.Byungkyu所在课题组采用不同的驱动器分别提出了各自的仿蚯蚓蠕动内窥镜机器人设计方案。为了减轻机器人机身与管腔的硬接触给人体带来的损伤，科学家们提出了以柔性机身代替刚性机身：如J.W.Burdick等人提出一种直径可以随肠道内径变化的，并能适应肠道的柔软、纤弱和粘滑的仿尺蠖内窥镜机器人；如P.Dario等人研制的气动式蠕动微型机器人。
我国的上海交通大学、上海大学、大连理工大学以消化道为应用背景，分别提出各自的蠕动式内窥镜机器人设计方案。浙江大学周银生等提出的螺旋式微型机器人则巧妙的利用了流体动压润滑效应，避免了机器人运动过程中对胃肠等生物管道壁的损伤。
以大动脉、大静脉为应用背景的血管内定点介入诊疗机器人的研究刚刚起步。目前，主要朝以下两个方向发展：一种是微纳米机器人，主要在血管中进行微观操作，如瑞典科学家Edwin W.H.Jager研制出的由多层聚合物和黄金制成的微机器人。其外形类似人的手臂，其肘部和腕部很灵活，有2到4个手指，能在血液、尿液和细胞介质中捕捉和移动单个细胞的血管内微型机器人，见参考文献：Edwin W.H.Jager，OlleIngemar
Microrobots forMicrometer-Size Objects in Aqueous Media：Potential Tools for Single-CellManipulation.Science，2000，288：2335-2338。如中科院上海硅酸盐研究所施剑林研制的“纳米药物分子运输车”，直径只有200纳米，可以实现定点投药，见参考文献：Y.Zhu，J.Shi，W.Shen et al.Stimuli-Responsive ControlledDrug Release from a Hollow Mesoporous Silica Sphere/PolyelectrolyteMultilayer Core-Shell Structure.Angewandte Chemie InternationalEdition，2005，44(32)：5083-5087。另外一个研究方向是研究在血管中进行宏观操作的微小型机器人。目前日本科学家提出的一种基于外磁场驱动的螺旋式游动机器人，见参考文献：K.Ishiyama，M.Sendoh，A.Yamazaki et al.Swimming ofMagnetic Micro-Machines Under a Very Wide-Range of Reynolds NumberConditions.2001 IEEE Transactions on Magnetics，2001，37(4)：2868-2870和参考文献：M.Sendoh，K.Ishiyama et al.Fabrication of Magnetic Actuatorfor Use in a Capsule Endoscope.2003IEEE Transactions on Magnetics，2003，39(5)：3232-3234。外形尺寸为φ0.5×8mm，已能满足大血管环境对机器人尺寸结构的需要，如何克服血液流动对机器人的冲击，保证血管中的定点介入诊疗机器人系统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内介入诊疗机器人研究的关键。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中的技术难点，提供一种具有良好的抗流体冲击能力和运动低损伤的介入诊疗机器人。
原理：1980年Mark Denny在Nature杂志发表了他对腹足动物运动过程中的分泌液特性及其对运动的作用的研究结果，很好的揭示了腹足动物的运动机理及其良好的抗水流冲击能力的形成原因。见参考文献：M.Denny.The Role ofGastropod Pedal Mucus in Locomotion.Nature，1980，285(5)：160-161。研究发现：腹足动物在运动过程中会分泌出一种粘液，该粘液可以在液体和固体两种状态下变化。粘液在固体状态时在生物体与环境表面间形成的胶合作用保证了运动过程中足够的前进驱动力以及静止时良好的抗流体冲击能力；粘液在液体状态时在生物体与环境表面间形成的流体润滑效应有效的减小或避免了生物体与环境表面间的摩擦。良好的抗流体冲击能力和运动的低损伤很好的符合了血管内介入诊疗机器人的要求，因此，本发明提供一种基于腹足动物运动机理的血管内仿生介入诊疗机器人。
一种基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人，其特征在于：机器人依次由前舱单元、转向单元、推进单元构成；其中前舱单元包括诊疗模块和前舱磁控增阻模块；其中诊疗模块包括舱体及封装在舱体内的医疗器械或/和摄像装置或/和药品容器；其中前舱磁控增阻模块安装在诊疗模块后端，由芯体、磁场发生线圈、双层橡胶膜、以及磁流变液组成，磁场发生线圈安装在芯体上，装有磁流变液的双层橡胶膜覆盖在磁场发生线圈外表面，并高于舱体轮廓；其中推进单元包括直线致动模块和推进舱磁控增阻模块；其中直线致动模块包括舱体及封装在舱体内的直线致动器，直线致动器主轴在前端伸出；其中推进舱磁控增阻模块安装在直线致动模块后端，由芯体、磁场发生线圈、双层橡胶膜以及磁流变液组成，磁场发生线圈安装在芯体上，装有磁流变液的双层橡胶膜覆盖在磁场发生线圈外表面，并高于舱体轮廓；其中转向单元两端分别连接前舱单元和推进单元，并且它由至少二个形状记忆合金弹簧、联接法兰和密封波纹管组成；其中联接法兰中心开有螺纹孔，与推进单元的直线致动器主轴输出端配合，形状记忆合金弹簧一端固定在前舱单元后端，另一端固定在联接法兰前端，密封波纹管将形状记忆合金弹簧、联接法兰和直线致动器密封起来。
一种基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人的运动方法，其特征在于：
A、利用磁流变液在磁场作用下流变特性的变化效应，模拟腹足动物运动过程中的分泌液的作用；由芯体、磁场发生线圈、双层橡胶膜、以及磁流变液组成的前舱磁控增阻模块模拟腹足动物的腹足前部的运动；由芯体、磁场发生线圈、双层橡胶膜以及磁流变液组成的推进舱磁控增阻模块模拟腹足动物的腹足后部的运动；
B、由至少二个形状记忆合金弹簧、联接法兰和密封波纹管组成的转向单元模拟腹足动物的转向运动；利用直线致动器的直线伸缩运动模拟腹足动物运动过程中肌肉的轴向波动；
C、通过以下方式实现机器人的前进运动：
(a)、前舱磁控增阻模块中磁场发生线圈断电，
(b)、推进舱磁控增阻模块中的磁场发生线圈通电，则芯体与双层橡胶膜内的磁流变液形成封闭磁路，磁流变液固化，双层橡胶膜外侧与管腔壁啮合，增大了摩擦力，
(c)、直线致动器主轴向外伸张，使机器人前舱单元向前移动，推进单元保持不动，
(d)、直线致动器主轴伸张量最大后，前舱磁控增阻模块中磁场发生线圈通电，同理使磁流变液固化，双层橡胶膜外侧与管腔壁啮合，增大了摩擦力，
(e)、推进舱磁控增阻模块中的磁场发生线圈断电，则固化的磁流变液液化，双层橡胶膜外侧与管腔壁不再啮合，减小了摩擦力，
(f)、直线致动器主轴收缩，推进单元向前移动，前舱单元保持不动，直到直线致动器主轴收缩到最短位置机器人完成一个蠕动周期，
(g)、控制直线致动器及磁场发生线圈重复上述过程，则机器人进入下一个蠕动周期；
D、通过以下方式实现机器人的转向：
转向单元的形状记忆合金弹簧，在机器人直线蠕动时，起到前舱单元与推进单元之间的柔性连接作用，当需要转向时，控制某个或者某两个形状记忆合金弹簧，由于电热效应，形状记忆合金弹簧会变形，从而使前舱单元相对推进单元偏转一定角度，转向完成后断开电源，形状记忆合金弹簧恢复原形，从而实现转向功能；
E、通过以下方式实现机器人的速度控制与后退：
控制单位时间内输入脉冲数，可改变直线致动器的伸缩速度，从而改变蠕动速度；改变前舱磁控增阻模块，推进舱磁控增阻模块中磁场发生线圈导通与断开次序，使机器人两端摩擦力变化与前进时候相反，则机器人后退。
针对癌症，该介入诊疗机器人可以进行定点投药，将药物直接作用于病灶；针对心脑血管病，介入诊疗机器人可以用来从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪和胆固醇的沉积物，减少心血管疾病的发病率；可以进入人体血管，疏通患脑血栓病人被阻塞的血管，清除血栓。介入诊疗机器人潜入人体的血管和器官进行检查和治疗将使原来需要进行大型切开手术的病例实现微创伤甚至无创伤化。同现有技术比较，本发明具有如下优点：1)本介入诊疗机器人外部包裹有双层橡胶膜，内部充满液态磁流变液，因此与管壁的接触是软接触，用于体内介入诊疗对人体管腔无损伤；2)本介入诊疗机器人利用了在磁场作用下液态磁流变液的流变特性变化实现摩擦力的控制——控制电磁线圈的导通可以迅速将液态磁流变液固化，使其与凹凸不平的管壁形成啮合，从而提高机器人的驱动效率；撤销磁场，则固化的磁流变液将液化。
附图说明
图1为介入诊疗机器人的外形图。
图2为介入诊疗机器人的结构示意图。
图中标号名称：1.前舱单元，2.转向单元，3.推进单元，11.前端盖，12、32.舱体，13.诊疗模块，14.前舱磁控增阻模块，15、35.连接装置，21.球铰，22.形状记忆合金弹簧，23.联接法兰，24.密封波纹管，31.直线致动模块，33.直线致动器，34.推进舱磁控增阻模块，13a.医疗器械，13b.摄像装置，13c.药品容器，14a、34a.芯体，14b、34b.磁场发生线圈，14c、34c.双层橡胶膜，14d、34d.磁流变液。
具体实施方式
一种基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人，结构如图1、图2所示，依次由前舱单元1、转向单元2、推进单元3构成。
其中前舱单元1由前端盖11、舱体12、诊疗模块13、前舱磁控增阻模块14、连接装置15组成；其中诊疗模块13封装于舱体12内部，诊疗模块13由医疗器械13a、摄像装置13b及药品容器13c组成；其中前舱磁控增阻模块14通过连接装置15固定在舱体12后端，由芯体14a、磁场发生线圈14b、双层橡胶膜14c、以及磁流变液14d组成，磁场发生线圈14b安装在芯体14a上，装有磁流变液14d的双层橡胶膜14c覆盖在磁场发生线圈14b外表面，并高于舱体12轮廓。
其中推进单元3由直线致动模块31、推进舱磁控增阻模块34和连接装置35组成；其中直线致动模块31包括舱体32及封装在舱体32内的直线致动器33，直线致动器33主轴在前端伸出；其中推进舱磁控增阻模块34由连接装置35与舱体32相连，由芯体34a、磁场发生线圈34b、双层橡胶膜34c以及磁流变液34d组成，磁场发生线圈34b安装在芯体34a上，装有磁流变液34d的双层橡胶膜34c覆盖在磁场发生线圈34b外表面，并高于舱体32轮廓。其中，转向单元2由球铰21、圆周上对称布置的三个形状记忆合金弹簧22、联接法兰23和密封波纹管24组成；其中，球铰21一端连接在芯体14a上，另一端固定在联接法兰上；联接法兰23中心开有螺纹孔，与直线致动器33主轴输出端配合，将直线致动模块31与联接法兰23连接；形状记忆合金弹簧22一端固定在芯体14a的后端，另一端固定在联接法兰23前端，密封波纹管24将球铰21、形状记忆合金弹簧22、联接法兰23和直线致动器33密封起来；转向单元2通过连接装置将前舱单元1和推进单元3联结为一体，整个机器人除医疗器械外，均与外围环境隔绝，保证了系统的安全性和可靠性。
其中，磁场发生线圈14b、34b，形状记忆合金弹簧22以及直线致动器33通过外部电缆供能、控制与通讯。
封装说明
机器人完成装配后用一种具有生物兼容性的材料分别覆盖前舱单元1、密封波纹管24和推进单元3的外表面。
扩展功能
本机器人系统视功能需求不同，是可以被扩充的：可以视应用需要增加多个推进单元；增加封装有蓄电池的动力模块和具有无线通讯功能的控制模块，则可以实现机器人的遥控及自主运动。
下面结合附图具体说明该机器人运动方式：
1、机器人的前进运动
控制直线致动器主轴33使其向外伸张，同时控制前舱磁控增阻模块14中磁场发生线圈14b断电，推进舱磁控增阻模块34中的磁场发生线圈34b通电，则磁流变液14d保持液态不变，芯体34a与双层橡胶膜34c内的磁流变液34d形成封闭磁路，磁流变液34d固化，双层橡胶膜34c外侧与管腔壁啮合，推进单元3与环境管道间摩擦力很大，因而随着直线致动器33的伸张，机器人前舱单元1前移一段距离，推进单元3保持不动；控制直线致动器33的主轴，使其伸张量达到最大后收缩，同时控制磁场发生线圈14b通电而磁场发生线圈34b断电，则磁流变液14d固化，双层橡胶膜14c外侧与管腔壁啮合，前舱单元1与管腔壁间摩擦力很大，而固化的磁流变液34d液化，双层橡胶膜34c外侧与管腔壁不再啮合，随着直线致动器33的收缩，前舱单元1保持不动，而推进单元3前进一段距离，这样机器人即完成一个周期内的蠕动运动。重复上述过程，则机器人将进入下一个蠕动周期。
2、机器人的转向
转向单元2的形状记忆合金弹簧22，在机器人直线蠕动时，起到前舱单元1与推进单元3之间的柔性连接作用，当需要转向时，控制某个或者某两个形状记忆合金弹簧22，由于电热效应，形状记忆合金弹簧22会变形，从而使前舱单元1相对推进单元3偏转一定角度，转向完成后断开电源，形状记忆合金弹簧22恢复原形，从而实现转向功能。
3、机器人的速度控制与后退
控制单位时间内输入脉冲数，可改变直线致动器33的伸缩速度，从而改变蠕动速度；改变前舱磁控增阻模块14，推进舱磁控增阻模块34中磁场发生线圈14b、34b导通与断开次序，使机器人两端摩擦力变化与前进时候相反，则机器人后退。
Claims (7)
1、一种基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人，其特征在于：机器人依次由前舱单元(1)、转向单元(2)、推进单元(3)构成；
其中前舱单元(1)包括诊疗模块(13)和前舱磁控增阻模块(14)；其中诊疗模块(13)包括舱体(12)及封装在舱体(12)内的医疗器械(13a)或/和摄像装置(13b)或/和药品容器(13c)；其中前舱磁控增阻模块(14)安装在诊疗模块(13)后端，由芯体(14a)、磁场发生线圈(14b)、双层橡胶膜(14c)、以及磁流变液(14d)组成，磁场发生线圈(14b)安装在芯体(14a)上，装有磁流变液(14d)的双层橡胶膜(14c)覆盖在磁场发生线圈(14b)外表面，并高于舱体(12)轮廓；
其中推进单元(3)包括直线致动模块(31)和推进舱磁控增阻模块(34)；其中直线致动模块(31)包括舱体(32)及封装在舱体(32)内的直线致动器(33)，直线致动器(33)主轴在前端伸出；其中推进舱磁控增阻模块(34)安装在直线致动模块(31)后端，由芯体(34a)、磁场发生线圈(34b)、双层橡胶膜(34c)以及磁流变液(34d)组成，磁场发生线圈(34b)安装在芯体(34a)上，装有磁流变液(34d)的双层橡胶膜(34c)覆盖在磁场发生线圈(34b)外表面，并高于舱体(32)轮廓；
其中转向单元(2)两端分别连接前舱单元(1)和推进单元(3)，并且它由至少二个形状记忆合金弹簧(22)、联接法兰(23)和密封波纹管(24)组成；其中联接法兰(23)中心开有螺纹孔，与推进单元(3)的直线致动器(33)主轴输出端配合，形状记忆合金弹簧(22)一端固定在前舱单元(1)后端，另一端固定在联接法兰(23)前端，密封波纹管(24)将形状记忆合金弹簧(22)、联接法兰(23)和直线致动器(33)密封起来。
2、根据权利要求1所述的基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人，其特征在于：所述的转向单元(2)还包括球铰(21)，球铰(21)一端连接在前舱磁控增阻模块(14)的芯体(14a)上，另一端固定在联接法兰(23)上。
3、根据权利要求1所述的基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人，其特征在于：所述的形状记忆合金弹簧(22)呈圆周上对称布置。
4、根据权利要求1所述的基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人，其特征在于：前舱单元(1)的舱体(12)外部为圆柱形或流线型。
5、根据权利要求1所述的基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人，其特征在于：该机器人通过外部电缆供能、控制与通讯。
6、根据权利要求1所述的基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人，其特征在于：该机器人封装有带蓄电池的动力模块和具有无线通讯功能的控制模块，实现机器人的遥控及自主运动。
7、一种基于腹足动物运动机理的介入诊疗机器人的运动方法，其特征在于：
A、利用磁流变液在磁场作用下流变特性的变化效应，模拟腹足动物运动过程中的分泌液的作用；由芯体(14a)、磁场发生线圈(14b)、双层橡胶膜(14c)、以及磁流变液(14d)组成的前舱磁控增阻模块(14)模拟腹足动物的腹足前部的运动；由芯体(34a)、磁场发生线圈(34b)、双层橡胶膜(34c)以及磁流变液(34d)组成的推进舱磁控增阻模块(34)模拟腹足动物的腹足后部的运动；
B、由至少二个形状记忆合金弹簧(22)、联接法兰(23)和密封波纹管(24)组成的转向单元(2)模拟腹足动物的转向运动；利用直线致动器(33)的直线伸缩运动模拟腹足动物运动过程中肌肉的轴向波动；
C、通过以下方式实现机器人的前进运动：
(a)、前舱磁控增阻模块(14)中磁场发生线圈(14b)断电，
(b)、推进舱磁控增阻模块(34)中的磁场发生线圈(34b)通电，则芯体(34a)与双层橡胶膜(34c)内的磁流变液(34d)形成封闭磁路，磁流变液(34d)固化，双层橡胶膜(34c)外侧与管腔壁啮合，增大了摩擦力，
(c)、直线致动器(33)主轴向外伸张，使机器入前舱单元(1)向前移动，而推进单元(3)保持不动，
(d)、直线致动器(33)主轴伸张量最大后，前舱磁控增阻模块(14)中磁场发生线圈(14b)通电，同理使磁流变液(14d)固化，双层橡胶膜(14c)外侧与管腔壁啮合，增大了摩擦力，
(e)、推进舱磁控增阻模块(34)中的磁场发生线圈(34b)断电，则固化的磁流变液(34d)液化，双层橡胶膜(34c)外侧与管腔壁不再啮合，减小了摩擦力，
(f)、直线致动器(33)主轴收缩，推进单元(3)向前移动，前舱单元(1)保持不动，直到直线致动器主轴收缩到最短位置，机器人完成一个蠕动周期，
(g)、控制直线致动器(33)及磁场发生线圈(14b、34b)重复上述过程，则机器人进入下一个蠕动周期；
D、通过以下方式实现机器人的转向：
转向单元(2)的形状记忆合金弹簧(22)，在机器人直线蠕动时，起到前舱单元(1)与推进单元(3)之间的柔性连接作用，当需要转向时，控制某个或者某两个形状记忆合金弹簧(22)，由于电热效应，形状记忆合金弹簧(22)会变形，从而使前舱单元(1)相对推进单元(3)偏转一定角度，转向完成后断开电源，形状记忆合金弹簧(22)恢复原形，从而实现转向功能；
E、通过以下方式实现机器人的速度控制与后退：
控制单位时间内输入脉冲数，可改变直线致动器(33)的伸缩速度，从而改变蠕动速度；改变前舱磁控增阻模块(14)及推进舱磁控增阻模块(34)中磁场发生线圈(14b)、(34b)导通与断开次序，使机器人两端摩擦力变化与前进时候相反，则机器人后退。
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