CN102349827B - 面向人体内腔细小管道的微型机器人 - Google Patents

Abstract

一种面向人体内腔细小管道的微型机器人及其运动方法，属于医用微型机器人的技术领域。该方法利用电机永磁铁和线圈旋转方向的相反性，以及固接于线圈和永磁铁的机器人机体内外表面不同旋向的螺旋槽，当机器人在液体环境中高速旋转时，产生的液体对机器人机体内外表面推进力是一致的，又由于内腔管壁与机器人机体外壳之间液体的动压效应，实现该机器人在人体充满黏液的内腔细小管道悬浮式快速运行，达到无损伤驱动的目的。同时，依据机器人体内封装的成像、通讯和控制模块，实现对机器人的体外无线控制。该机器人体积微小，操控方便，可用于人体内腔细小管道(如大动脉、尿道等)的检查与诊疗。

Description

面向人体内腔细小管道的微型机器人

技术领域

本发明涉及一种医用微型机器人，特别涉及一种面向人体内腔细小管道的微型机器人及其运动方法。 

背景技术

微创外科医疗技术是当今国际上的一个研究热点。微创外科手术技术兴起于20世纪80年代，介入手术为其重要分支。介入手术存在因人手操作不稳定而影响手术质量的现象。而机器人技术与介入技术相结合是解决上述问题的途径之一。目前，对微创外科医疗手术的研究主要从两方面进行：一是改进传统的医用内窥镜系统，将系统进一步微型化；二是改进医用内窥镜系统进入人体内腔的驱动方式。对于人体胃肠道而言，Phee等人研制了仿蜥蜴行走的“内窥爬行者”机器人(Kassim I，Phee L，Wan S，et al.Locomotion techniques for robotic colonoscopy[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine.2006(6)：49-56.)，Eugene Cheung等人研究出一种蠕动内窥镜机器人(Eugene Cheung，Sukho Park，Byungkyu Kim，et al.A new endoscopic microcapsule robot using beetle inspired microfibrillar adhesives.Proceedings of the 2005 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Monterey，California，USA，2005，July，24-28.)，国内浙江大学、上海交通大学、大连理工大学等提出了各种胃肠道内窥镜机器人的驱动机构。对于血管机器人而言，瑞典科学家研制出了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(E.W.H.Jager，O.Inganas，I.Lundstrom.Microrobots for Micrometer-Size Objects in Aqueous Media：Potential Tools for Single-Cell Manipulation[J].Science，2000，288(5475)：2335-2338.)，日本科学家提出了一种基于外磁场驱动的外形尺寸为0.5mm×8mm的螺旋式游动机器人(Ishiyama K，Sendoh M，Yamazaki A，et al.Swimming of magnetic micro-machines under a very wide-range of Reynolds number conditions[J].IEEE Transactions on Magnetics，2001，37(4)：2868-2870.)，南京航空航天大学研制了基于精子运动机理的血管微型机器人(陈柏，蒋素荣，陈笋，等.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[P].中国专利：200910035487，2010-04-07)，中国科学院设计了一种可在非磁性细小管路直行和转向的仿趋磁细菌的微型机器人(杨岑玉，王铮，王金光，等.仿趋磁细菌的微型机器人研究[J].机器人，2009，31(2)：146-150.)。总之，国内、外已经研究了各种医用微型机器人的驱动方法及装置，但也存在一些缺陷：一是机器人运动时与内腔管壁接触，容易对人体有机组织造成损伤；二是机器人结构比较复杂，成本高；三是机器人需要外磁场驱动，不易操作。 

CN1225523号专利中公开了一种医用微型机器人的体内驱动方法及其驱动器。该驱动器采用了一个带螺旋槽的圆柱形微电机、一个带螺旋槽的圆柱体和一个柔性联轴器。但上述结 构存在体积过大，微电机和圆柱体外径必须相同，运动过程液体阻力过大，在机器人悬浮厚度较小的情况下微电机或圆柱体外壳螺旋槽转速太高容易损伤内腔管壁。 

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向人体内腔细小管道(如大动脉、尿道等)的微型机器人及其运动方法。该机器人体积微小，结构简单，驱动力大，机器人外壳转速可调节，能够在充满液体的细小管道中悬浮运行，并且实现摄像和体外无线控制功能。 

本发明提供了一种面向人体内腔细小管道的微型机器人，所述机器人包括：机体内螺旋轴，所述机体内螺旋轴是中空的，且在所述机体内螺旋轴的内表面上带有第一螺旋槽；线圈，所述线圈与带有第一螺旋槽的所述机体内螺旋轴固接；机体外螺旋壳，所述机体外螺旋壳的外表面带有第二螺旋槽，所述第二螺旋槽与所述第一螺旋槽旋向相反；以及永磁铁，所述永磁铁与带有第二螺旋槽的所述机体外螺旋壳固接，微电池，所述微电池连通上述各部件以提供电能；无线通讯模块和控制模块，所述无线通讯模块和所述控制模块连通所述微电池，以体外无线控制所述机器人的运动，其中所述永磁铁和所述线圈组成微电机，两者之间采用滚动轴承支撑。 

优选地，所述机器人还可以包括：成像模块，所述成像模块连通所述微电池，用于拍摄人体内腔细小管道内的情况。 

优选地，所述第一螺旋槽是左螺旋槽而所述第二螺旋槽是右螺旋槽；或者所述第一螺旋槽是右螺旋槽而所述第二螺旋槽是左螺旋槽。 

优选地，所述无线通讯模块是射频收发器。 

优选地，所述控制模块的控制电路。 

优选地，所述成像模块是微型摄像头。 

优选地，所述第一螺旋槽和所述第二螺旋槽的牙形为三角形、矩形、梯形或锯齿形。 

本发明还提供了一种上述面向人体内腔细小管道的微型机器人的运动方法，当微电机通电时，因机体内螺旋轴部分惯性较大，机体外螺旋壳首先旋转，迫使内腔黏液产生轴向运动，其反作用力推动机器人运动，同时，作用在所述机体外螺旋壳增大的内腔黏液阻力将迫使所述机体内螺旋轴反向旋转，迫使轴内黏液产生轴向运动，其反作用力也作用于机器人，从而利用在液体环境中的机器人机体内外表面不同旋向的螺旋槽和内外表面不同方向的旋转，产生方向一致的液体反作用力驱动机器人运动，并且通过改变微电机的旋转方向，能够改变机器人运动的方向。调整机体内螺旋轴和机体外螺旋壳的质量比，能够改变机体内螺旋轴和机体外螺旋壳的旋转速度。由于机器人机体外螺旋壳与内腔管壁之间液体的动压效应，在机器人外壳和内腔管壁之间形成一层动压润滑黏液膜。 

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果： 

1.本发明的机器人体积微小，结构简单，控制方便，适合在充满液体的人体细小管道中悬浮运行，减少了对人体造成的损伤，同时可以进行体外无线摄像、图像传输与控制，提高了医生检查与诊疗效率。 

2.本发明的机器人机体内外表面都带有不同旋向的螺旋槽，克服了仅有外螺纹的单节螺旋机器人内部微电机主体高速旋转，而外壳转速较慢或不转的不足。 

3.本发明的机器人可调整机体内螺旋轴部分和机体外螺旋壳部分的质量比，提高内轴的旋转速度，降低外壳的旋转速度，从而在不减小液体对机器人推动力的情况下，最大限度地减少机器人靠近内腔管壁时外螺旋壳高速旋转可能对内腔管壁造成的损伤。 

4.本发明的机器人可改变机器人系统体积使得机器人系统平均密度小于内腔管道黏液密度情况下，仅保留机器人机体内轴螺旋槽，机体外壳采用光滑生物柔性材料，同样可以驱动机器人运动。 

附图说明

图1是本发明的面向人体内腔细小管道的微型机器人结构示意图。 

附图标记列表： 

1-成像模块、无线通讯模块与控制模块， 

2-永磁铁， 

3-线圈， 

4-微电池， 

5-内腔管壁， 

6-机体内螺旋轴， 

7-机体外螺旋壳， 

8-滚动轴承。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施例作进一步详细的描述。 

如图1所示，在一个实施例中，面向人体内腔细小管道的微型机器人包括：机体内螺旋轴6，该机体内螺旋轴6是中空的，且在其内表面上带有左螺旋槽；固接于机体内螺旋轴6的线圈3；机体外螺旋壳7，该机体外螺旋壳7的外表面带有右螺旋槽；固接于机体外螺旋壳7的永磁铁2；连通上述各部件的微电池4；以及连通微电池4以体外无线控制所述机器人的动作的无线通讯模块和控制模块1。永磁铁2和线圈3组成微电机，两者之间采用滚动轴承8支撑。此外，机器人还可以包括连通微电池4以拍摄人体内腔细小管道内情况的成像模块。成像模块、无线通讯模块与控制模块1可以沿圆周地布置在机体的头部。在本实施例中，成像模块、无线通讯模块与控制模块分别是微型摄像头、射频收发器、控制电路。当然在其他实施例中，成像模块、无线通讯模块与控制模块可以是能够实现成像、无线通讯和控制的其 他物件。在本实施例中，机体内螺旋轴6的左螺旋槽和机体外螺旋壳7的右螺旋槽的牙形是梯形的。当然在其他实施例中，机体内螺旋轴6的左螺旋槽和机体外螺旋壳7的右螺旋槽的牙形可以是三角形、矩形或锯齿形。 

当微电机开始通电时，因机体内螺旋轴上固定了微电池4等模块，惯性较大，机体外螺旋壳高速旋转，迫使内腔黏液产生轴向运动，其反作用力推动机器人运动；同时，作用在机体外螺旋壳增大的内腔黏液阻力将迫使机体内螺旋轴反向旋转，迫使轴内黏液产生轴向运动，其反作用力也作用于机器人。因为机体外壳和内轴的螺旋槽旋向和转向都相反，所以内腔黏液对它们的反作用力方向相同，从而实现无论是外壳还是内轴旋转，均可使机器人有相同方向的推进力。由于内腔黏液的动压效应，将在机器人机体外螺旋壳7和内腔管壁5之间形成一层动压润滑黏液膜，使得机器人处于悬浮状态，从而达到无损伤驱动的目的。改变机器人机体外壳和内轴的旋转方向，可以改变机器人运动的方向。调整机体内螺旋轴部分和机体外螺旋壳部分的质量比，可以改变内轴和外壳的旋转速度大小。 

通过本申请的面向人体内腔细小管道的微型机器人的成像模块拍摄到的人体内腔细小管道内部的情况来诊断人体内腔细小管道是否发生病变，也可以在该微型机器人上携带一些药物进行定点投放以达到治疗的目的。 

在一个仿真试验中，根据人体主动脉实际的尺寸和血管内液体环境，设定：血液密度为1053.1kg/m³，血液动力黏度为0.0045135Pa·s，主动脉直径为11mm，长度为75mm；机体外螺旋壳7的外表面上的右螺旋槽：外径为8mm，轴向长度为15mm，螺纹线数为6，导程15mm，螺旋槽为矩形，槽面宽为1mm，槽底宽为1.5mm，槽深为0.8mm；机体内螺旋轴6的内表面上的左螺旋槽：内径为2.8mm，轴向长度为15mm，螺纹线数为6，导程15mm，螺旋槽为矩形，槽面宽为1mm，槽底宽为0.8mm，槽深为0.6mm；机体外壳7的转速为1000r/min(正转)，机体内轴6的转速为-200r/min(反转)，机器人以20mm/s的速度沿血管中心轴线作直线运动。运用计算流体力学方法，数值计算了机器人在血管内运行时血液的三维流场，从而得到：血液对机器人的推进力和血管壁所受的最大压力都与血液密度和血液黏度成正比，与血管直径成反比；相对于机体内轴，机体外壳转速的增加更有利于机器人推进力的增大，但也增大了血管壁所受的最大压力；在机体外壳转速不是很大的情况下，血管壁所受的最大压力都是在人体可承受的范围内。 

在另一个实施方式中，中空的机体内螺旋轴6的内表面上可以带有右螺旋槽，机体外螺旋壳7的外表面上可以带有左螺旋槽，同样能够达成上述效果。 

Claims (7)

1.一种面向人体内腔细小管道的微型机器人，其特征在于，所述机器人包括：

机体内螺旋轴(6)，所述机体内螺旋轴(6)是中空的，且在所述机体内螺旋轴(6)的内表面上带有第一螺旋槽；

线圈(3)，所述线圈(3)与带有第一螺旋槽的所述机体内螺旋轴(6)固接；

机体外螺旋壳(7)，所述机体外螺旋壳(7)的外表面带有第二螺旋槽，所述第二螺旋槽与所述第一螺旋槽旋向相反；以及

永磁铁(2)，所述永磁铁(2)与带有第二螺旋槽的所述机体外螺旋壳(7)固接，

微电池(4)，所述微电池(4)连通线圈(3)以提供电能；

无线通讯模块和控制模块(1)，所述无线通讯模块和所述控制模块(1)连通所述微电池(4)，从体外无线控制所述机器人的运动，

其中所述永磁铁(2)和所述线圈(3)组成微电机，两者之间采用滚动轴承(8)支撑。

2.根据权利要求1所述的面向人体内腔细小管道的微型机器人，其特征在于，所述机器人还包括：

成像模块(1)，所述成像模块(1)连通所述微电池(4)，用于拍摄人体内腔细小管道内的情况。

3.根据权利要求1或2所述的面向人体内腔细小管道的微型机器人，其特征在于，所述第一螺旋槽是左螺旋槽而所述第二螺旋槽是右螺旋槽；或者所述第一螺旋槽是右螺旋槽而所述第二螺旋槽是左螺旋槽。

4.根据权利要求1或2所述的面向人体内腔细小管道的微型机器人，其特征在于，所述无线通讯模块是射频收发器。

5.根据权利要求1或2所述的面向人体内腔细小管道的微型机器人，其特征在于，所述控制模块是控制电路。

6.根据权利要求2所述的面向人体内腔细小管道的微型机器人，其特征在于，所述成像模块是微型摄像头。

7.根据权利要求1或2所述的面向人体内腔细小管道的微型机器人，其特征在于，所述第一螺旋槽和所述第二螺旋槽的牙形为三角形、矩形、梯形或锯齿形。

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