CN103230293B - 一种用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，主要由端部乳胶套、永磁体、乳胶微管、钢丝、中部乳胶套、轴承、轴承座、轭铁、磁靴、丝杠螺母、步进滚珠丝杠电机、电磁线圈组成，其中：钢丝依次串接若干永磁体和乳胶微管，相邻两个永磁体的相邻端磁极相同，头尾两个永磁体上使用带有圆头的端部乳胶套进行覆膜封装，中间永磁体上使用中部乳胶套直接进行覆膜封装，形成血管介入机器人本体；电磁线圈绕在轭铁中部，轭铁的两臂插入磁靴，轴承座及步进滚珠丝杠电机的电机座使用螺栓固定在轭铁上，步进滚珠丝杠电机的丝杆末端支撑在轴承座的轴承上，丝杆螺母使用螺栓与磁靴连接，形成体外磁场驱动和控制装置。本发明结构简单、易于微型化、可靠性高。

Description

一种用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，更具体的说，涉及一种能够在液体环境下泳动的蛇形机器人。

背景技术

随着生命科学及医疗诊断技术的提高，对微型机电系统无创介入血管诊疗提出了更高的要求，急需一种简单可靠有效进入血管进行血栓清理及疏通的微型机器人系统。

目前绝大部分的技术重点关注血管介入治疗时，使用机电控制技术有效、可靠、安全的操作导管、导丝以及血管支架的遥控操作，很少有技术涉及到主动进入血管实现自主运动，并全程可控的微型机器人。由于血管本身纤细、空间狭窄、内部充满血液，在进入时具有一定的危险性，所以对进入血管进行自主牵引的微型机器人提出了一些特殊要求。

现有的驱动方法大都基于传统的方法，例如专利CN03232608.4公布了一种微电机驱动的摇摆尾巴泳动的微机器人、专利CN99113465.6公布的电机驱动利用反螺旋产生推进力的微机器人，专利CN201010299445.6公布的射流驱动的血管机器人，CN201110103184.0公布的以及利用外场驱动的血管介入微型机器人，这类机器人构造复杂、体积很难微型化。体积小、结构简单、运动可控、具有较高的可靠性是对血管介入微型机器人的基本要求，目前的技术设计很难同时满足这些要求。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，机器人本体由若干极性相反的永磁体通过具有一定刚度的钢丝沿轴线方向串接，外部磁场依次激励永磁体，使其身体各部产生具有一定延时的摇摆，从而产生水蛇的S形泳动前进。

本发明还提供了一种可以用外场控制的仿蛇泳动方法，用以控制机器人在血管中的运动速度。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，主要由端部乳胶套、永磁体、乳胶微管、钢丝、中部乳胶套、轴承、轴承座、轭铁、磁靴、丝杠螺母、步进滚珠丝杠电机、电磁线圈组成，其中：钢丝依次串接若干永磁体和乳胶微管，相邻两个永磁体的相邻端磁极相同，在头尾两个永磁体上使用带有圆头的端部乳胶套进行覆膜封装，在中间永磁体上使用中部乳胶套直接进行覆膜封装，形成血管介入机器人本体；电磁线圈绕在轭铁中部，轭铁的两臂插入磁靴，轴承座及步进滚珠丝杠电机的电机座使用螺栓固定在轭铁上，步进滚珠丝杠电机的丝杆末端支撑在轴承座的轴承上，丝杆螺母使用螺栓与磁靴连接，形成体外磁场驱动和控制装置。

所述电磁铁的磁靴宽度至少为两个永磁体的长度，插入轭铁沿轭铁滑动，由步进电机丝杠螺母副驱动做直线往复运动，其作用是使得永磁体产生一定相位差的磁偶矩；所述蛇形机器人中永磁体的极性，需要确保相邻两个永磁体的相邻端磁极是相同的，如都是N极或者都是S极，这样相邻单元之间方可产生方向相反的磁偶矩，使得机器人身体呈现周期的S波浪形。

所述蛇形机器人中永磁体的数量按照蛇形牵引的原理至少需要3个，在大于3的前提下可多可少。

所述的乳胶套及乳胶微管在连接部使用医用乳胶进行密封粘合，所用材料均需保证与组织、血液的相容性、无排斥和毒副作用。

本发明工作时，在血管切口将机器人导入，在无外加磁场时机器人呈直线状，当移动磁靴依次从机器人左端部到右端部依次给各个永磁体施加外磁场时，机器人呈现周期性的S波浪形，磁靴到达右端部时切断电磁铁电源，磁靴间空气隙无磁场，磁靴返回到左端部，给电磁线圈反向电流，空气隙产生反向磁场施加到机器人的永磁体上，移动磁靴从左端部到右端部，则各个永磁体依次产生反方向的磁偶矩，则迫使S形的波峰向波谷方向横向摆动，重复上述则机器人可以实现向左的泳动，如果施加外场方向是从右端到左端，从左端到右端是无磁场空回，则机器人可以实现从左向右的泳动。

本发明所提供的用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，机器人本体采用若干极性相反的永磁体通过具有一定刚度的钢丝沿轴线方向串接，外部磁场依次激励永磁体，使其身体各部产生具有一定延时的摇摆，从而产生水蛇的S形泳动前进。本发明具有结构简单、易于微型化、可靠性高的特点。

附图说明

图1为本发明所实施例的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施包括：医用的端部乳胶套1、永磁体2、医用的乳胶微管3、钢丝4、医用的中部乳胶套5、轴承6、轴承座7、C型的轭铁8、梯形的磁靴9、丝杠螺母10、步进滚珠丝杠电机11、电磁线圈12。其连接关系为：对于体外磁驱动，电磁线圈12直接密绕在C型轭铁8的中部，磁靴9上开方形孔插入到轭铁8，磁靴9可以沿轭铁8的悬臂滑动，磁靴9与丝杠螺母10使用螺栓连接，丝杠螺母10旋合在步进滚珠丝杠电机11的丝杆上，步进滚珠丝杠电机11的电机座使用螺栓固定在轭铁8上。步进滚珠丝杠电机11的丝杆另一端支撑定位在轴承6及轴承座7上，轴承座7使用螺栓固定在轭铁8上。轭铁8的另外一个臂上对称安装上述磁靴9、丝杠螺母10、步进滚珠丝杠电机11、轴承6、轴承座7，形成对称的两个磁靴9。磁路通过轭铁8、两个磁靴9、磁靴9间空气隙闭合，并在对称的磁靴9间形成均匀磁场；对体内介入蛇形机器人本体，圆柱形的永磁体2和乳胶微管3具有轴向通孔，钢丝4通过该孔依次串接若干永磁体2和医用乳胶微管3，在孔中滴入医用强力胶以确保连接可靠，排列永磁体2时需要确保相邻两个永磁体2的相邻端的磁极相同，在头尾两个永磁体上2使用带有圆头的端部乳胶套1进行封装，在中间永磁2上使用超薄的中部乳胶套5封装，在端部乳胶套1、中部乳胶套5与乳胶微管3的结合部使用医用强力胶进行粘接密封。电磁铁通过电磁线圈12产生方向和大小可变的交变磁场，磁场通过轭铁8、磁靴9、磁靴9间空隙闭合，磁靴9为梯形具有磁场汇聚作用，在上下两个极靴9之间得到近似于平行的均匀磁场；电磁铁的磁靴9的顶部宽度至少为两个永磁体2的长度，插入轭铁8沿轭铁8滑动，由步进滚珠丝杠电机11、丝杠螺母10推动做直线往复运动，其作用是使得永磁体2产生一定时间滞后相位差的磁偶矩；

蛇形机器人中永磁体2的极性，需要确保前后两个永磁体2的相邻极是相同的，如都是N极或者都是S极，这样相邻单元之间方可产生方向相反的磁偶矩，使得机器人身体呈现周期的S波浪形，图1中按照NSSNNS…的极性排列顺序实施，也可以按照SNNSSNNS的极性排列顺序实施。

蛇形机器人中永磁体2的数量按照蛇形牵引的原理至少需要3个，在大于3的前提下可多可少，图中实施例按照7个进行配置，在实际实施时可不受此数量的限制。端部乳胶套1、中部乳胶套5与乳胶微管3在结合部使用医用强力胶进行密封粘合，所用材料均需保证与组织、血液的相容性、无排斥和毒副作用。

本发明工作时，在血管切口将机器人导入，电磁线圈12断电无外加磁场时机器人呈直线状，当电磁线圈12通电，使得上部磁靴9为S极，下部磁靴9为N极时，在机器人最左端的两个永磁体2上将产生两个方向相反的磁偶矩，使得这两个永磁体2之间的乳胶微管3向下弯曲，控制步进滚珠丝杠电机11推动磁靴9向右运动，依次对机器人左端部到右端部各个永磁体2施加外磁场时，由于相邻两个永磁体2的相邻端的极性相同，则机器人呈现周期性的S波浪形，磁靴9达到右端部时切断电磁铁电源，上下磁靴9间空气隙无磁场，磁靴9返回到左端部，给电磁线圈12通反向电流，空气隙产生反向磁场，并施加到机器人的永磁体2上，推进磁靴9从左端到右端移动，各个永磁体2则依次产生反方向的磁偶矩，则迫使S形的波峰向波谷方向横向摆动，重复上述则机器人可以实现向左的泳动，如果移动极靴9并施加外场的方向是从右端到左端，极靴9从左端到右端是无磁场的空回，则机器人可以实现从左向右的泳动。

Claims (6)

1.一种用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，其特征在于，主要由端部乳胶套（1）、永磁体（2）、乳胶微管（3）、钢丝（4）、中部乳胶套（5）、轴承（6）、轴承座（7）、轭铁（8）、磁靴（9）、丝杠螺母（10）、步进滚珠丝杠电机（11)、电磁线圈（12）组成，其中：钢丝（4）依次串接若干永磁体（2）和乳胶微管（3），相邻两个永磁体（2）的相邻端磁极相同，在头尾两个永磁体（2）上使用带有圆头的端部乳胶套（1）进行覆膜封装，在中间永磁体上使用中部乳胶套（5）直接进行覆膜封装，形成血管介入机器人本体；电磁线圈（12）绕在轭铁（8）中部，轭铁（8）的两臂插入磁靴（9），轴承座（7）及步进滚珠丝杠电机（11）的电机座使用螺栓固定在轭铁（8）上，步进滚珠丝杠电机（11）的丝杆末端支撑在轴承座（7）的轴承（6）上，丝杆螺母（10）使用螺栓与磁靴（9）连接，形成体外磁场驱动和控制装置。

2.根据权利要求1所述的用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，其特征在于，所述磁靴(9)宽度至少为两个永磁体(2)的长度，沿轭铁(8)滑动，由步进滚珠丝杠电机（11）驱动做直线往复运动，其作用是使永磁体（2）产生一定时间相位差的磁偶矩。

3.根据权利要求1所述的用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，其特征在于，所述永磁体（2）的数量按照蛇形牵引的原理至少需要3个。

4.根据权利要求1所述的用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，其特征在于，所述端部乳胶套（1）、中部乳胶套（5）与乳胶微管（3）在连接部使用医用乳胶进行密封粘合，所用材料均需保证与组织、血液的相容性、无排斥和毒副作用。

5.根据权利要求1所述的用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，其特征在于，所述机器人本体在电磁线圈（12）通电时，磁靴（9）沿轭铁（8）由左端运动到右端，机器人本体呈现S形；电磁线圈（12）断电时，磁靴（9）沿轭铁（8）由右端运动到左端，然后电磁线圈（12）反向通电，磁靴（9）沿轭铁（8）由左端运动到右端，则机器人呈现蛇形泳动的横向摆动并向左运动，改变电磁线圈（12）通电时的磁靴（9）运动方向由右端运动到左端，则可以实现机器人的向右运动。

6.根据权利要求1所述的用于血管介入的外场驱控泳动蛇形机器人，其特征在于，所述磁靴(9)为梯形。