CN101690656A - 基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统及其实现方法，属于微型机器人技术领域。该机器人机体单元(2)包括2n个驱动电机；推进单元(3)由依次安装于机体单元后方的尾部密封盖(33)、尾部固定法兰(32)、尾部(31)组成；该尾部(31)为在介质作用下能形成螺旋状的柔性尾部或固定螺旋状尾部；其中尾部(31)包括2n个独立尾，尾部固定法兰(32)包括2n个独立法兰，2n个独立法兰分别与机体单元的2n个驱动电机的输出轴相连，2n个独立尾分别安装于2n个独立法兰上；该机器人适合于狭窄血管环境的结构简单，动作控制灵活，有利于微型化的机器人驱动的主动介入系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于精子运动机理的集驱动与血管疏通功能为一体的介入诊疗机器人及其运动方法，属于介入诊疗装置技术领域。
背景技术
伴随着人类当前寻求有效手段，治疗心脑血管疾病的迫切性，以大动脉、大静脉为应用背景的介入血管疏通系统提上议事日程。血管内主动介入诊疗系统，其基本设计思路通常为：设计血管内介入机器人并携带诊疗模块或装置实现介入诊疗操作。由于血管尺寸的限制，真正能在血管中运行的微型机器人相关报道及文献较少：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(EdwinW.H.Jager，Olle
Ingemar
Microrobots forMicrometer-Size Objects in Aqueous Media：Potential Tools for Single-CellManipulation.Science，2000，288：2335-2338.)；日本科学家提出的一种基于外磁场驱动的外形尺寸为φ0.5×8mm的螺旋式游动机器人(K.Ishiyama，M.Sendoh，A.Yamazaki et al.Swimming of Magnetic Micro-Machines Under a VeryWide-Range of Reynolds Number Condition8.2001 IEEE Transactions onMagnetics，2001，37(4)：2868-2870.)。血管内主动介入诊疗系统的研究难点在于如何将驱动机器人驱动模块与诊疗模块实现有效集成及结构简化，使系统能在血管内实施相关操作。为此，本发明将针对人体大血管环境特点，提出一种集驱动与诊疗操作模块为一体的机器人驱动的血管疏通系统
发明内容
本发明的目的在于基于精子的游动推进模式，提供一种适合于狭窄血管环境的结构简单，动作控制灵活，有利于微型化的机器人驱动的主动介入系统。特别是自旋前进时，该机器人驱动接入系统的尾部不仅能驱动系统在血管内游动，而且能从血管壁上刮去堆积的沉积物及栓塞物(脂肪和胆固醇等)，疏通被阻塞的血管。
原理：精子在精液中游动时，其尾部通常以两种模式摆动，一种为与细长体生物类似的波状摆动，另一种模式下，尾部呈螺旋状并绕螺旋轴线旋转。旋转的螺旋状柔性尾部与环境介质的相互作用将导致精子游动所需的轴向力的产生。同时，精子在运动过程中，也会在垂直于其身体轴线的方向上产生运动，即在径向上精子也会受到环境介质的作用力。本发明将通过控制尾部螺旋特性实现机器人驱动的介入系统运动及动作控制。
一种基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，其特征在于：机器人依次由前舱单元、机体单元、推进单元、电源模块构成；其中前舱单元包括整流罩、安装于整流罩内的视觉模块；其中机体单元包括无线通讯模块、主控制器、外壳、2n个驱动电机及支架；其中2n个驱动电机的轴线均匀分布在同一圆柱面上；其中推进单元由依次安装于机体单元后方的尾部密封盖、尾部固定法兰)、尾部组成；该尾部为在介质作用下能形成螺旋状的柔性尾部或固定螺旋状尾部；其中尾部包括2n个独立尾，尾部固定法兰包括2n个独立法兰，2n个独立法兰分别与机体单元的2n个驱动电机的输出轴相连，2n个独立尾分别安装于2n个独立法兰上；上述n为大于等于1的自然数。
上述基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统的动作实现方法，其特征在于：(A)、尾部(31)特性：(A1)、若尾部为柔性尾部，则在流体介质作用下自动形成螺旋状尾部，螺旋形状由尾部形状、材料柔度、旋转速度及环境介质特性决定；(A2)、若尾部为固定螺旋状尾部，其螺旋状由加工形成，不受介质影响；(B)、2n个独立的电机分别驱动每个对应的独立尾，使其形成轴向力和周向力；(C)、利用2n个独立的电机(24)旋转方向及速度的相互配合，形成不同的模式来实现机器人的运动：(c1)前进：将均布于圆柱面上的2n个驱动电机分成两组，相互间隔电机作为一组，每组内电机均同向旋但不同组别电机旋转方式相反，使得与驱动电机相连的独立尾形成的径向力相互平衡，而轴向力方向相同，故而叠加为总体轴向驱动力；(c2)、转向：根据欲转动方向，利用机器人驱动介入系统中轴线与欲转动的目标方向线形成的平面将所有驱动电机分成两组，每组驱动电机均同向旋转，且两组驱动电机之间旋转方式相反，使机器人获得同方向的径向力，故而转向；(c3)、自旋前行：所有驱动电机均同向旋转，则轴向力使得机器人前行，径向力使得机器人机身产生周向转矩而自旋；(c4)、固定螺旋状尾部机器人的后退和自旋后退：若尾部(31)为固定螺旋状尾部，该机器人还能实现后退运动和自旋后退；实现方式与第(C1)步骤、第(C3)步骤相似。
本发明具有如下优点：1)本机器人驱动介入系统结构及运动控制简单，运动方式灵活，有利于微型化，适合于充满血流的血管环境；特别是自旋前进时，该机器人驱动接入系统的螺旋尾部不仅能驱动系统在血管内游动，而且能从血管壁上刮去堆积的沉积物及栓塞物(脂肪和胆固醇等)，疏通被阻塞的血管。2)本系统的螺旋尾部集驱动及管道疏通动作功能为一体，系统结构进一步得到了简化；系统结构设计中寻求质量在周向及轴向的均匀分布将使得机器人在运动过程中姿态的调整量及调整难度大大减弱；总体外形结构的流线化处理有效地减小了介入系统运动过程中的流体阻力，实现了整个系统运行的高效率化。另外，针对癌症，该机器人驱动介入系统可以携带微型供药装置实施定点投药，将药物直接作用于病灶。
上述的在介质作用下能形成螺旋状的柔性尾部的每个独立尾可以为气囊式或人工肌肉式。
上述的固定螺旋状尾部的每个独立尾可以为螺旋丝状或圆柱螺旋槽状。
上述电源模块可以位于前舱单元或机体单元内。
该机器人整体结构为周向及轴向质量均布式，工作性能更佳。
可以将上述2n个驱动电机分成n个为前部电机、n个为后部电机，前部电机和后部电机采取均匀间隔分布方式。以利于实现在轴向上系统质量的大致均布。
机器人整体外部形状可以设计呈流线型，以利于前进，并防止对血管造成不必要的损伤。
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3轴向前进运动螺旋尾部示意图。
图4转向运动螺旋尾部示意图。
图5自旋前行运动螺旋尾部示意图。
图中标号名称：1.前舱单元，2.机体单元，3.推进单元，11.整流罩，12.视觉模块，13.电源模块，21.无线通讯模块，22.主控制器，23.外壳，24.驱动电机，25.电机支架，26.固定螺栓，31.尾部，32.尾部固定法兰，33.密封盖。
具体实施方式
一种基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，结构如图1、图2所示，依次由前舱单元1、机体单元2、推进单元3、电源模块13构成。其中电源模块是由电池支架、纽扣电池、电池监控电路组成。其中前舱单元(1)包括整流罩11、安装于整流罩内的视觉模块12；视觉模块12是微摄像头及图像处理电路组成。其中机体单元2包括无线通讯模块21、主控制器22、外壳23、电机、2n个驱动电机24、支架25及固定螺栓26；其中2n个驱动电机均匀分布在机器人周向上，并且，2n个电机分为两组，分别位于垂直于机身轴线的两个平面内，实现在轴向上系统质量的大致均布。前舱单元与机体单元通过整流罩与外壳上的内外螺纹实现联接。
其中推进单元3由依次安装于机体单元后方的尾部密封盖33、尾部固定法兰32、尾部31组成；该尾部31为在介质作用下能形成螺旋状的柔性尾部或固定螺旋状尾部；其中尾部31包括2n个独立尾，尾部固定法兰32包括2n个独立法兰，2n个独立法兰分别与机体单元的2n个驱动电机的输出轴相连，2n个独立尾分别安装于2n个独立法兰上；上述n为大于等于1的自然数。尾部密封盖与机体外壳也采用螺纹联接。为了保证密封性，在电机输出轴与密封端盖配合处涂上一定的黄油。
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覆盖系统所有可能与环境介质接触的外表面。
扩展功能
本机器人驱动介入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，也可以视诊疗动作的不同增加附加诊疗模块。
下面结合附图，以四尾结构系统为例说明其动作原理：
1、系统的轴向前进运动
图3为图2螺旋尾部分的右视图。如图所示，均布于圆柱面上的四个螺旋尾中，1、4两尾逆时针旋转，2、3两尾顺时针同向旋转时，尾部所受形成的径向力相互平衡，而轴向力方向相同，故而叠加为总体轴向驱动力驱动系统沿系统轴向前进。
2、系统的转向
图4为图2螺旋尾部分的右视图。如图所示为机器人驱动介入系统需向图示4左侧转向时，尾部旋转及周围介质流向图。四个尾部被向左的方向线及机器人轴线形成的平面将其分为两组，即1、2为一组，3、4为一组。并且1、2同作作逆时针旋转，3、4同作顺时针旋转。则周围流场向右运动，故而机器人受到向左的转向作用力进而转向。
当机器人驱动介入系统需要向右转向，则控制尾部1、2顺时针旋转，3、4逆时针旋转即可。
3、系统的自旋前行即管道疏通动作
图5为图2螺旋尾部分的右视图。当所有尾部如图5所示，同方向旋转时，则轴向力使得机器人前行，径向力使得机器人整个机身产生周向转矩而自旋；系统在自旋前进时，其尾部能有效打碎血管壁上的沉积物及栓塞物。
Claims (8)
1.一种基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，其特征在于：机器人依次由前舱单元(1)、机体单元(2)、推进单元(3)、电源模块(13)构成；
其中前舱单元(1)包括整流罩(11)、安装于整流罩内的视觉模块(12)；
其中机体单元(2)包括无线通讯模块(21)、主控制器(22)、外壳(23)、2n个驱动电机(24)及支架(25)；其中2n个驱动电机的轴线均匀分布在同一圆柱面上；
其中推进单元(3)由依次安装于机体单元后方的尾部密封盖(33)、尾部固定法兰(32)、尾部(31)组成；该尾部(31)为在介质作用下能形成螺旋状的柔性尾部或固定螺旋状尾部；其中尾部(31)包括2n个独立尾，尾部固定法兰(32)包括2n个独立法兰，2n个独立法兰分别与机体单元的2n个驱动电机的输出轴相连，2n个独立尾分别安装于2n个独立法兰上；
上述n为大于等于1的自然数。
2.根据权利要求1所述的基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，其特征在于：所述的在介质作用下能形成螺旋状的柔性尾部的每个独立尾为气囊式或人工肌肉式。
3.根据权利要求1所述的基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，其特征在于：所述的固定螺旋状尾部的每个独立尾为螺旋丝状或圆柱螺旋槽状。
4.根据权利要求1所述的基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，其特征在于：上述电源模块(13)位于前舱单元(1)或机体单元(2)内。
5.根据权利要求1所述的基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，其特征在于：该机器人整体结构为周向及轴向质量均布式。
6.根据权利要求5所述的基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，其特征在于：上述2n个驱动电机中，n个为前部电机、另n个为后部电机，前部电机和后部电机采取均匀间隔分布方式。
7.根据权利要求1所述的基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统，其特征在于：机器人整体外部形状呈流线型。
8.根据权利要求1所述的基于精子运动机理的机器人驱动的介入诊疗系统的动作实现方法，其特征在于：
(A)、尾部(31)特性：
(A1)、若尾部(31)为柔性尾部，则在流体介质作用下自动形成螺旋状尾部，螺旋形状由尾部形状、材料柔度、旋转速度及环境介质特性决定；
(A2)、若尾部(31)为固定螺旋状尾部，其螺旋状由加工形成，不受介质影响；
(B)、2n个独立的电机(24)分别驱动每个对应的独立尾，使其形成轴向力和周向力；
(C)、利用2n个独立的电机(24)旋转方向及速度的相互配合，形成不同的模式来实现机器人的运动：
(c1)前进：
将均布于圆柱面上的2n个驱动电机分成两组，相互间隔电机作为一组，每组内电机均同向旋但不同组别电机旋转方式相反，使得与驱动电机相连的独立尾形成的径向力相互平衡，而轴向力方向相同，故而叠加为总体轴向驱动力；
(c2)、转向：
根据欲转动方向，利用机器人驱动介入系统中轴线与目标方向线形成的平面将所有驱动电机分成两组，每组驱动电机均同向旋转，且两组驱动电机之间旋转方式相反，使机器人获得同方向的径向力，故而转向；
(c3)、自旋前行：
所有驱动电机(24)均同向旋转，则轴向力使得机器人前行，径向力使得机器人机身产生周向转矩而自旋；
(c4)、固定螺旋状尾部机器人的后退和自旋后退
若尾部(31)为固定螺旋状尾部，该机器人还能实现后退运动和自旋后退；实现方式与第(C1)步骤、第(C3)步骤相似。
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