CN102048517B - 螺杆式主动推进胶囊机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了螺杆式主动推进胶囊机器人，其包括前盖、控制与传感器、电池座、电池、驱动电机、外壳、密封圈、后盖、柔性联轴器和推进螺杆，其连接关系为：驱动电机套合在外壳前腔内；电池位于电池座中，电池一端与驱动电机相接触，电池另一端与电池底座接触；电池座底部与控制与传感器接触；前盖套合在外壳的一端并将控制与传感器、电池座、电池、驱动电机密闭于外壳前腔内；密封圈置于外壳后腔内；后盖通过过盈或螺纹配合在外壳的另一端，与外壳形成后腔；柔性联轴器的一端与驱动电机的电机轴套紧连接，另一端与推进螺杆的柄端连接。本发明的机器人运动性能优良，驱动效率高，适用于柔弹性器官壁环境，具有可靠性和实用性。

Description

螺杆式主动推进胶囊机器人

技术领域

本发明涉及体内医疗器械领域，更具体地涉及一种螺杆式主动推进胶囊机器人。

背景技术

在医疗器械中，医用内窥镜近代发展起来的用于观察人体腔道内部组织结构、病灶的位置、大小、形态及性质的重要医疗设备，因其直视、微创、客观等优势，目前已广泛应用于临床各科的诊断和治疗。无线胶囊内窥镜M2A于2000年在以色列Given Image公司首先开发成功，并应用于临床。通过口服无线胶囊内窥镜完成胃肠道影像检查，克服了传统的缆线式方法存在不能实现完整的小肠检查和损伤内腔组织等不足，并且避免了内窥镜检查给病人带来的巨大痛苦。 

目前的胶囊内窥镜均利用消化道自然蠕动来遍历整个检查区域，这个过程缓慢而不可控。为实现无线胶囊内窥镜的功能扩展，必须在现有基础上加入安全有效的驱动控制。 

国内外，胶囊内窥镜的主动驱动与姿态调整控制研究刚刚起步，各研究机构只有一些驱动方案的设想和构思。进行这方面研究的主要有：韩国科技大学微系统中心的Byungkyu Kim 等人的划桨式游动胶囊内窥镜，其前进的效果不好，效率低；由意大利Paolo Dario等人研制出来的有基于形状记忆合金驱动的腿的爬行胶囊机器人，能耗高效率低；日本东北大学K. Ishiyama等人提出一种利用外场磁转矩的驱动方式.它是由类似三轴亥姆霍兹线圈提供空间旋转磁场，控制加载电流以调整磁场强度的大小及方向，以磁转矩的方式作用于胶囊内嵌磁体，在胶囊表面螺旋纹推动下旋进，其控制过程相当复杂；浙江大学的周银生等人提出了双圆柱螺旋内窥镜机器人的驱动机理。通过微马达使左右螺旋槽的圆柱体旋转，借助于动压效应作用，使微型机器人处于悬浮状态以实现无损伤驱动。这两种方式都需要使微型机器人的本体与周围环境紧密接触。但是，因为器官壁具有粘弹特性，紧密接触受到限制，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，推进效果差。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供螺杆式主动推进胶囊机器人。本发明能在充满大粘度固液介质的柔弹性管壁环境内，实现可以体外操控的，在充满大粘度液体的封闭柔弹性管道内主动移动及调整姿态，可前进后退与加减速的胶囊机器人。这种能主动控制的胶囊机器人，为日后的微操作、检测与治疗等提供了很好的平台。本发明的机器人运动性能优良，驱动效率高，适用于柔弹性器官壁环境，具有可靠性和实用性，具体技术方案如下。

螺杆式主动推进胶囊机器人，包括前盖、控制与传感器、电池座、电池、驱动电机、外壳、密封圈、后盖、柔性联轴器和推进螺杆，其连接关系为：驱动电机套合在外壳前腔内；电池位于电池座中，电池一端与驱动电机相接触，电池另一端与电池底座接触；电池座底部和控制与传感器接触；前盖套合在外壳的一端并将控制与传感器、电池座、电池、驱动电机密闭于外壳前腔内；密封圈置于外壳后腔内；后盖通过过盈或螺纹配合在外壳的另一端，与外壳形成后腔；柔性联轴器的一端与驱动电机的电机轴套紧连接，另一端与推进螺杆的柄端连接。

上述的螺杆式主动推进胶囊机器人，所述外壳外圆周均匀间隔设有两个或以上的鳍。

上述的螺杆式主动推进胶囊机器人，所述推进螺杆主体是外表面切有螺旋槽的圆柱或者切有锥面螺旋槽的圆锥，槽的剖面形状是长方形或梯形。

上述的螺杆式主动推进胶囊机器人，前盖前端为弧形且与涂敷有用于减小运动时与器官摩擦的防附着涂剂。

上述的螺杆式主动推进胶囊机器人，控制与传感器包括摄像装置、控制模块和无线通信装置。

上述的螺杆式主动推进胶囊机器人，柔性联轴器采用用塑料软管，直接紧套在驱动电机的电机轴与推进螺杆的柄端上。

本发明的动力机构是其后部的一个开不同参数有槽的螺杆，其由驱动电机带动旋转时与器官里的黏液或混合物作用，形成向前或向后的推进力以及与接触面作用产生的轴向摩擦牵引力形成总的推进力。通过遥控，它能主动地在覆盖有黏液的器官壁上移动，通过对其驱动电机的控制，可进行前进后退停止与变速等操作。主体与后部驱动机械之间是一柔性连轴器，使得螺杆推进器能适应肠道等器官的弯曲而有效推进。驱动电机套合在外壳前腔内，电机机身与外壳内腔为过盈配合有一作用是可以防止机器人工作环境中的液体等进行而影响电池、控制模块等。电池在电池座中，而电池与驱动电机相接触；电池座底部与控制与传感器接触。前盖套合在外壳上，将控制与传感器、电池座、电池、驱动电机密闭于外壳前腔内；密封圈置于外壳后腔内；后盖通过过盈或螺纹配合在外壳上，与外壳形成后腔。柔性联轴器一头与驱动电机的电机轴套紧连接，一头与推进螺杆的柄端连接。柔性联轴器可直接用塑料软管，直接紧套在驱动电机的电机轴与推进螺杆的柄端上，即可传递力矩。

由于驱动电机旋转带动推进螺杆时，产生反向的扭矩，使得机器人会发生自转，影响摄像及其它检测或操作的效果，因此螺杆式主动推进胶囊机器人的外壳圆周均布两个或以上的鳍，用于形成在旋转时的阻力，用以抵消反扭矩，以防止因反扭矩而形成的自转。

本发明的推进螺杆的形状参数可有不同。推进螺杆主体是外表面切有螺旋槽的圆柱或者切有锥面螺旋槽的圆锥。槽的剖面形状可以是长方形或梯形等等，可以是一头或多头的螺旋槽。这些参数与产生的推进力大小及效果都有影响。

 [0016] 与现在有技术相比，本发明的效果与益处：

本发明利用螺杆作为动力机构，结构简单，控制方便。螺杆由驱动电机带动旋转时与器官或黏液里的混合物作用，形成向前或向后的推进力以及与接触面作用产生的轴向摩擦牵引力形成总的推进力。通过遥控，它能主动地在覆盖有黏液的器官壁内移动，通过对其驱动电机的控制，可进行前进后退停止与变速等操作。主体与后部驱动机构之间是一柔性连轴器，使得螺杆推进器能适应肠道等器官的弯曲而有效推进。

总的来说，本发明的机器人运动性能优良，驱动效率高，适用于柔弹性器官壁环境，具有可靠性和实用性。由于结构与控制系统简单，所以造价与使用成本低，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1是螺杆式主动推进胶囊机器人的装配示意图。

图2 是螺杆式主动推进胶囊机器人转弯时的仰视图。

图3 是螺杆式主动推进胶囊机器人转弯时的剖视图（图2中的A-A方向剖视）。 

图4是螺杆不同锥度形式的示意图。

图5是螺杆式主动推进胶囊机器人在肠道环境中前进示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明，但是本发明的保护范围并不局限于实施方式表述的范围。

如图1至图3所示，本发明的螺杆式主动推进胶囊机器人,其特征为：包括前盖01、控制与传感器02、电池座03、电池04、驱动电机05、外壳06、密封圈07、后盖08、柔性联轴器09、推进螺杆10。

驱动电机05套合在外壳06前腔内，电机机身与外壳内腔为过盈配合，过盈配合可以防止机器人工作环境中的液体等进入而影响电池、控制模块等。电池04在电池座03中，而电池04一端与驱动电机05相接触；电池04另一端与电池底座03接触；电池座03底部与控制与传感器02接触；电池04通过控制与传感器02提供给驱动电机05以电源。这里的电池04，可用无线供电技术模块来代替供电。前盖01套合在外壳06的一端上，将控制与传感器02、电池座03、电池04、驱动电机05密闭于外壳06前腔内；密封圈07置于外壳06后腔内；后盖08通过过盈或螺纹配合在外壳06的另一端上，与外壳06形成后腔。柔性联轴器09一头与驱动电机05的电机轴套紧连接，一头与推进螺杆10的柄端连接。柔性联轴器09可直接用塑料软管，直接紧套在驱动电机05的电机轴与推进螺杆10的柄端上，即可传递力矩。

当工作开始时，操作者通过无线摇控器（使用已有技术），发出前进/后退信号到螺杆式主动推进胶囊机器人的控制与传感器02的无线通信装置，而无线通信装置将接收到的控制信号传输给控制与传感器02的控制模块，控制模块输出信号到驱动电机05。驱动电机05得到电池04电源，和正转或反转的信号，而进行正向启动或反向启动；驱动电机05通过柔性联轴器09带动推进螺杆10旋转。旋转的推进螺杆10与器官里的黏液或混合物作用，形成向前或向后的推进力，以及与接触面作用产生的轴向摩擦牵引力形成总的推进力。同样地，当需要让螺杆式主动推进胶囊机器人加速或减速或停止时，也可以通过遥控发出控制信息进行控制。

如图5所示，当螺杆式主动推进胶囊机器人遇到弯道时，因为柔性联轴器09可适应性地进行弯曲，使得推进螺杆10一方面能更好地与周围壁面相作用，保持推进力；另一方面也不会受卡，让前进更顺畅。

如图1所示，由于驱动电机05旋转带动推进螺杆10时，产生反向的扭矩，使得机器人会发生自转，影响摄像及其它检测或操作的效果，因此螺杆式主动推进胶囊机器人的外壳圆周均布两个或以上的鳍，用于形成在旋转时的阻力，用以抵消反扭矩，以防止因反扭矩而形成的自转。鳍与外壳06可一体加工成形，或分别加工完后，粘固在一起。

如图3所示，为了防止环境中的液体等杂物进入机体内，本机器人利用密封圈07（O形圈）套于柔性联轴器09上，以形成动密封。后盖是通过过盈或螺纹配合在外壳06上，可以通过调整后盖在外壳上的旋进量，对密封圈07（O形圈）进行压紧或放松，以达到调整密封圈07（O形圈）与柔性联轴器09的配合松紧，利于动密封同时也可减少由于密封圈07（O形圈）带来的摩擦阻力。

如图4所示，本发明的推进螺杆10的形状参数可有不同。推进螺杆10主体是外表面切有螺旋槽的圆柱（螺杆10a）或者切有锥面螺旋槽的圆锥(螺杆10b和10c)。槽的剖面形状可以是长方形或梯形等等，可以是一头或多头的螺旋槽。这些参数与产生的推进力大小及效果都有影响。

螺杆式主动推进胶囊机器人，前盖01前端为弧形且与涂敷有用于减小运动时与器官摩擦的防附着涂剂。

控制与传感器02是螺杆式主动推进胶囊机器人包括包括摄像装置、控制模块（如处理器）和无线通信装置，用于实现摄像、处理、控制、通信等功能。

本发明的动力机构是其后部的一个螺杆，螺杆由驱动电机带动旋转时与器官或黏液里的混合物作用，形成向前或向后的推进力以及与接触面作用产生的轴向摩擦牵引力形成总的推进力。通过遥控，它能主动地在覆盖有黏液的器官壁内移动，通过对其驱动电机的控制，可进行前进后退停止与变速等操作。主体与后部驱动机构之间是一柔性连轴器，使得螺杆推进器能适应肠道等器官的弯曲而有效推进。

Claims (4)

1.螺杆式主动推进胶囊机器人，其特征在于包括前盖、控制与传感器、电池座、电池、驱动电机、外壳、密封圈、后盖、柔性联轴器和推进螺杆，其连接关系为：驱动电机套合在外壳前腔内；电池位于电池座中，电池一端与驱动电机相接触，电池另一端与电池底座接触；电池座底部与和控制与传感器接触；前盖套合在外壳的一端并将控制与传感器、电池座、电池、驱动电机密闭于外壳前腔内；密封圈置于外壳后腔内，密封圈套于柔性联轴器上；后盖通过过盈或螺纹配合在外壳的另一端，与外壳形成后腔；柔性联轴器的一端通过密封圈设置在后腔内且与驱动电机的电机轴套紧连接，另一端位于外壳、前盖以及后盖构成的腔之外且紧套在推进螺杆的柄端上；所述推进螺杆主体是外表面切有螺旋槽的圆柱或者切有锥面螺旋槽的圆锥，槽的剖面形状是长方形或梯形；柔性联轴器采用塑料软管，直接紧套在驱动电机的电机轴与推进螺杆的柄端上。

2.根据权利要求1所述的螺杆式主动推进胶囊机器人，其特征在于所述外壳外圆周均匀间隔设有两个或以上的鳍。

3.据权利要求1所述的螺杆式主动推进胶囊机器人，其特征在于前盖前端为弧形且涂敷有用于减小运动时与器官摩擦的防附着涂剂。

4.根据权利要求1至3任一项所述的螺杆式主动推进胶囊机器人，其特征在于控制与传感器包括摄像装置、控制模块和无线通信装置。

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