CN102871632B - 自组装模块化机器人系统及其连接器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自组装模块化机器人系统，其包括：体外控制系统及至少两个体内机器人模块，所述体内机器人模块包括：机电平台，设有控制电路，所述控制电路包括与所述体外控制系统互相传递信号的无线通讯装置及与无线通讯装置连接的开关电路；连接器，包括安装在机电平台上的固定件、安装在固定件上的导杆、通过导杆可移动地安装在固定件上的活动件，其中固定件和活动件之间设有连接它们的形状记忆合金弹簧和连接它们的恢复弹簧，活动件上布置有可产生磁力的磁性件，形状记忆合金弹簧与所述开关电路连通，无线通讯装置接收所述体外控制系统的指令后控制所述开关电路接通或断开，开关电路接通时对所述形状记忆合金弹簧进行加热。

Description

自组装模块化机器人系统及其连接器

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种面向胃肠道检查和治疗的自组装模块化机器人系统及其连接器。

背景技术

自从2000年以色列推出可吞咽的药丸式胶囊内窥镜PillCam后，胶囊内窥镜在人体消化道疾病检查过程中发挥越来越大的作用，也受到了很多患者的欢迎，但是这种微型胶囊内窥镜只是一个被动式的图像采集和发射装置，只能依靠肠胃道的自然蠕动推进，所以其运动是不可控的。为了研制出运动可控的无线消化道检查机器人，目前有很多研究者正致力于给这种胶囊内窥镜加上驱动装置，从而使其运动变得可控，采取的方法主要有两种：在胶囊上增加移动机构和利用外磁场驱动体内磁性胶囊。意大利的Paolo Dario等人研制出由微型电机驱动基于形状记忆合金的腿的爬行微型机器人，因为能量消耗高，自带电池只能使用很短的时间。韩国的Byungkyu Kim等人研制划桨式的游泳微型机器人，在充满粘性介质的消化道中运动效率很低。这些在胶囊上增加移动机构的方法增加了需要集成在胶囊上的元器件数目，不可避免地增加了机器人的总体尺寸，使其不能被患者吞入体内，给在有限的空间中进行系统集成带来很大的挑战和困难，目前开发的各种基于自主运动的无线消化道检查机器人还没有一个在尺寸上小到可以被吞咽进去人体消化道内的程度。意大利的Paolo Dario等人采用工业机器人机械臂上安装的永磁铁去引导内嵌磁铁的胶囊，实现在消化道中前进与后退。日本的Ishiyama等人采用空间旋转磁场驱动内嵌磁铁的胶囊，通过胶囊表面的螺纹旋转推进。外磁场驱动的磁性胶囊机器人虽然不存在胶囊内部空间有限的问题，也不会增加其整体尺寸，但其难点在于设计出一个安全可用的外磁场，这种技术方法不仅使控制系统变得复杂，而且其所需的设备造价也很昂贵，到目前为止还没有研制出一个低成本的实用样机。

无线胶囊内窥镜在消化道疾病的诊断方面起到积极的作用，但是现有的单体式运动可控无线胶囊内窥镜机器人仍然无法满足体内诊断和治疗的需求。病人不仅要求诊断安全舒适，还需要微型机器人能够在体内对病变部位进行采样、切除和施药。

现有的单体式运动可控无线胶囊内窥镜机器人包括自主驱动和外磁场驱动两种类型。专利（1）（主动可控式胶囊内镜机器人系统，申请号：200910196273.7）的胶囊内窥镜机器人系统采用仿尺蠖的运动机构实现前进与后退。专利（2）（螺杆式主动推进胶囊机器人，申请号：201110001013.7）的胶囊机器人采用微型电机驱动螺杆实现在充满大粘度介质的消化道中自主前进与后退。这些专利描述了胶囊机器人的自主驱动方法，但机器人本体的依然尺寸很大，无法被正常成年人吞咽。

专利（3）（主动式红外无线胶囊内视镜系统，申请号：201010182248.6）的无线胶囊本体在体外磁驱动器控制下在体内移动。专利（4）（用于胶囊内窥镜检测的磁导航式运动控制系统，申请号：200910273088.3）提出通过外部控制含有5个联动轴的磁导航仪系统各个部件的进给速度、转动速度和相对运动速度，可以实现针对胶囊内窥镜在消化道内的运动控制和位置控制。这些专利所描述的外磁场驱动方法需要复杂的控制系统来实现，不仅增加了成本，而且还使被检查者的行动不自由。

发明内容

基于此，有必要提供一种方便患者吞咽的自组装模块化机器人系统。

一种自组装模块化机器人系统，其包括：

体外控制系统；及

至少两个体内机器人模块，所述体内机器人模块包括：

机电平台，设有控制电路，所述控制电路包括与所述体外控制系统互相传递信号的无线通讯装置及与无线通讯装置连接的开关电路；

连接器，包括安装在机电平台上的固定件、安装在固定件上的导杆、通过导杆可移动地安装在固定件上的活动件，其中所述固定件和所述活动件之间设有连接它们的形状记忆合金弹簧和连接它们的恢复弹簧，所述活动件上布置有可产生磁力的磁性件，所述形状记忆合金弹簧与所述开关电路连通，所述无线通讯装置接收所述体外控制系统的指令后控制所述开关电路接通或断开，所述开关电路接通时对所述形状记忆合金弹簧进行加热。

在其中一个实施例中，所述磁性件为多个永磁铁，按磁极间隔的方式布置于所述活动件的端面，所述多个永磁铁成圆周状布置。

在其中一个实施例中，所述体外控制系统包括计算机及无线收发装置，所述计算机通过无线收发装置与所述无线通讯装置进行数据交互。

在其中一个实施例中，所述机电平台包括壳体、安装在壳体上的齿轮、安装在所述齿轮上的自由度关节、与所述齿轮配合的驱动齿轮及带动所述驱动齿轮转动的电机，所述控制电路布置于壳体中并控制所述电机的运转；所述自由度关节上安装有一个所述连接器，所述连接器通过其固定件安装在所述自由度关节上。

在其中一个实施例中，所述体内机器人模块有多个，每一个体内机器人模块上安装有一个以上的所述连接器。

在其中一个实施例中，所述多个体内机器人模块上安装有不同的诊断治疗装置。

另外，还提出一种连接器，其包括：

固定件；

导杆，安装在固定件上；

活动件，通过导杆可移动地安装在固定件上；其中

所述固定件和所述活动件之间设有连接它们的形状记忆合金弹簧和连接它们的恢复弹簧，所述活动件上布置有可产生磁力的磁性件。

在其中一个实施例中，所述磁性件为多个永磁铁，按磁极间隔的方式布置于所述活动件的端面。

在其中一个实施例中，所述多个永磁铁成圆周状布置。

在其中一个实施例中，所述活动件端面还设有导引柱和导引孔。

上述自组装模块化机器人系统中，体内机器人模块的活动件设有磁性件，因此能够与其他体内机器人模块实现连接，通过开关电路实现对形状记忆合金弹簧的加热和冷却，加热时形状记忆合金弹簧收缩，对活动件产生拉力，使两个体内机器人模块的活动件之间的距离增大，磁性件之间的吸引力变小，使两个连接器能够分离，形状记忆合金弹簧冷却后在恢复弹簧的作用下使活动件回到原来位置，从而两个连接器处于吸合状态，从而多个体内机器人模块可以方便地在人体内组合，患者只需要吞咽体积较小的体内机器人模块即可。

附图说明

图1为体内机器人的机电平台的示意图；

图2为体内机器人的连接器的示意图，形状记忆合金弹簧处于伸长状态；

图3为图2所示连接器另一角度的示意图；

图4为体内机器人的连接器的示意图，形状记忆合金弹簧处于收缩状态；

图5为机电平台与连接器的组合图；

图6为体内机器人模块进行自组合的流程图；

图7为蜘蛛型机器人在胃里面的示意图；

图8为蛇型机器人在肠道里面的示意图。

具体实施方式

本实施方式的自组装模块化机器人系统包括体外控制系统和多个体内机器人模块。体外控制系统包括计算机（未图示）和无线收发装置（未图示）。体内机器人模块设有与体外控制系统互相传递信号的无线通讯装置。

体内机器人模块采用异构式结构，即所有模块的结构和功能不是完全相同的。体内机器人模块按自组装过程中的任务角色可分为根模块和子模块，根模块将被作为自组装过程中的主模块，它负责从周围环境中抓取所需的子模块并与其连接在一起，也负责从组装好的机器人本体上释放不需要的子模块。模块按在机器人本体中的作用可分为功能模块和结构模块。功能模块上安装有诊断治疗装置。结构模块主要用来连接各功能模块。

每一个体内机器人模块包括机电平台100和安装在机电平台100上的连接器200。根据任务分工不同，在机电平台100上安装不同的传感器和执行器，就使得体内机器人模块的结构和功能不同，从而实现所谓的异构式结构。异构式结构的好处在于可减少单个模块的功能和降低单个模块的经济成本。如果某个体内机器人模块上不安装任何的传感器和执行器，那么就是作为纯粹的结构模块使用，但这并不意味着作为结构模块使用的体内机器人模块上不可以安装传感器和执行器。

请参考图1，机电平台100包括壳体110、安装在壳体110内的控制电路120、安装在壳体110一端的齿轮130、安装在齿轮130上的自由度关节140、与齿轮130啮合的驱动齿轮150及与控制电路120连接的电机160。驱动齿轮150安装在电机160的输出轴上。控制电路120包括电源122、无线通信装置（未图示，如可采用带有ZigBee无线通讯功能的TI仪器公司的芯片CC2530）及开关电路（未图示）。

请参考图2至图4，连接器200包括固定件210、安装在固定件210上的导杆220、通过导杆220可移动地安装在固定件210上的活动件230。固定件210和活动件230之间设有连接它们的形状记忆合金弹簧240和连接它们的恢复弹簧250。固定件210可以安装到壳体110上的自由度关节140上，也可以安装到壳体110的另一端上，还可以安装在其他适合位置，以便能够组合成不同形状的体内机器人。如图5中，壳体110的两端均安装有连接器200，可以组合成蛇型机器人，其中一个连接器200安装在自由度关节140上可以在一定范围内活动，另一个则连接器200则固定在壳体110上。连接器200可以通过螺栓或粘结的方式固定到壳体110上。容易理解，根据组装要求不同及模块承担的角色不同，各模块上安装的连接器数量不同。例如，当需要组装成蜘蛛型的机器人时，就需要某个或某些体内机器人模块上具有三个或更多的连接器，而一些模块上则只需安装一个连接器即可，不再赘述。

活动件230呈圆盘状，其端面上设有多个磁性件260。本实施方式中，磁性件260采用永磁铁，按磁极间隔的方式布置于活动件230的端面上，共有8个，呈圆周状布置。活动件230的端面上还设有导引柱232和导引孔234，以更方便实现与其他连接器的活动件的对接。

连接器200的工作原理简述如下：连接器200上的磁性件260的磁极间隔布置，从而在磁吸引力的作用下与另一个连接器200实现自动连接。通过控制直流电流的通断来实现形状记忆合金弹簧240的加热和冷却，加热时形状记忆合金弹簧240收缩，产生一个拉力，在该向下拉力的作用下，活动件230沿着导杆220向下移动，随着两个连接器上的活动件230之间距离的增大，永磁铁之间的吸引力逐变小，直至两个连接器分离。冷却后收缩的形状记忆合金弹簧240在恢复弹簧250的作用下伸长恢复为未加热时的形状，在弹簧力的作用下，活动件230沿着导杆220向上移动，使连接器重新处于开启状态，也即处于能够与其他连接器进行对接的状态。

请参考图6，显示了多个体内机器人模块自组装成一个体内机器人的流程。

步骤一、触发主模块。确定某个体内机器人模块为自组装的主模块，通过体外控制系统触发主模块。

步骤二、确定机器人组织的增长方向。如确定是按蛇型还是蜘蛛型增长。

步骤三、使相关的连接器处于开启的状态。

步骤四、捕获新的子模块。相关的连接器均处于开启的状态下，它们之间能够通过磁性吸引在一起，如此，在外部能量（肠胃）的作用下模块随机碰撞后彼此吸引组合在一起。

步骤五、新的子模块与机器人组织建立起通信。

步骤六、判断是否是所需的模块。是，则形成新的机器人组织；否，则关闭相关的连接器，进而使得相关子模块分离。

图7和图8是按照不同的增长方向要求形成的蜘蛛型机器人在胃里面的示意图和蛇型机器人在肠道里面的示意图。多个体内机器人模块上可安装不同的诊断治疗装置。诊断装置可以是微型摄像机或者微型传感器，用于采集胃肠道内壁图像或者生理参数，然后通过无线通讯装置传输到体外控制系统，以供医生查看。治疗装置可以是药物施放器、钳子或者手术刀，用于病变部位的用药，采样和切除。

体外控制系统的无线收发装置可以直接采用市场上可以购买到的商用器件，它将和体内机器人模块上的微型无线通讯装置实现数据的交换，即体内机器人采集到的图像或其他生理参数以无线信号的方式穿透人体被体外的无线收发装置接收，相反，来自医生的控制命令也以无线信号的方式穿透人体被体内微型无线通讯装置接收。计算机用于数据的存储和处理，如已经拍摄好的胃肠道内部图像的存档，胃肠道病变的图像自动诊断；计算机中的人机交互控制界面还用于体内机器人模块和医生之间的交互控制。

综上，上述自组装模块化机器人系统采用模块化的设计方法，将单体式机器人分拆成几个体积更小和功能更简单的模块，患者将小的模块吞咽后在体内组装成机器人，从而突破了人体消化道尺寸给机器人本体尺寸所带来的限制，方便患者吞咽。功能和结构更简单的模块可以批量制造和重复使用，从而节约了成本。

另外，体内机器人模块上可根据需要安装一个或多个连接器，可以自组装成蜘蛛型或者蛇型机器人，能针对不同的消化道环境，实现运动自主可控的检查与治疗，不但比采用外磁场驱动系统的控制更简单，而且也节约了硬件成本；同时也让病人不用被束缚在检查床上，活动范围更大。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种自组装模块化机器人系统，其特征在于，包括：

体外控制系统；及

至少两个体内机器人模块，每个所述体内机器人模块均包括：

机电平台，设有控制电路，所述控制电路包括与所述体外控制系统互相传递信号的无线通讯装置及与无线通讯装置连接的开关电路；

连接器，包括安装在机电平台上的固定件、安装在固定件上的导杆、通过导杆可移动地安装在固定件上的活动件，其中所述固定件和所述活动件之间设有连接它们的形状记忆合金弹簧和连接它们的恢复弹簧，所述活动件上布置有可产生磁力的磁性件，所述形状记忆合金弹簧与所述开关电路连通，所述无线通讯装置接收所述体外控制系统的指令后控制所述开关电路接通或断开，所述开关电路接通时对所述形状记忆合金弹簧进行加热；

每个体内机器人模块的活动件上的磁性件可与另一个体内机器人模块的活动件上的磁性件通过磁力吸引连接在一起。

2.根据权利要求1所述的自组装模块化机器人系统，其特征在于，所述磁性件为多个永磁铁，按磁极间隔的方式布置于所述活动件的端面，所述多个永磁铁成圆周状布置。

3.根据权利要求1所述的自组装模块化机器人系统，其特征在于，所述体外控制系统包括计算机及无线收发装置，所述计算机通过无线收发装置与所述无线通讯装置进行数据交互。

4.根据权利要求1所述的自组装模块化机器人系统，其特征在于，所述机电平台包括壳体、安装在壳体上的齿轮、安装在所述齿轮上的自由度关节、与所述齿轮配合的驱动齿轮及带动所述驱动齿轮转动的电机，所述控制电路布置于壳体中并控制所述电机的运转；所述自由度关节上安装有一个所述连接器，所述连接器通过其固定件安装在所述自由度关节上。

5.根据权利要求1所述的自组装模块化机器人系统，其特征在于，所述体内机器人模块有多个，每一个体内机器人模块上安装有一个以上的所述连接器。

6.根据权利要求5所述的自组装模块化机器人系统，其特征在于，所述多个体内机器人模块上安装有不同的诊断治疗装置。