CN104783752B - 大变径比微型胃肠道机器人机构 - Google Patents

Abstract

一种医疗器械领域的大变径比微型胃肠道机器人机构，包括：轴向伸缩机构、对称设置于轴向伸缩机构两端的两个径向扩展机构，径向扩展机构包括：挡板框架以及设置于其内部且依次相连的扩展电机、传动机构、钳位机构和减速器；轴向伸缩机构包括：伸缩机架以及设置于其内部且互相连接的伸缩电机、行星齿轮减速器和丝杠螺母机构；伸缩电机与两个扩展电机同轴设置。本发明在保证初始尺寸的同时扩大了钳位机构的径向扩展直径，方便实现小肠结肠的一次性检查，同时为机器人提供充足动力。

Description

大变径比微型胃肠道机器人机构

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术，具体是一种变径比大于2的微型胃肠道机器人机构。

背景技术

随着生活水平的不断提高，人们的饮食结构不断丰富，但是工作压力骤增，消化道疾病患者也越来越多。根据《全国第三次死因回顾抽样调查报告》，消化系统疾病死亡率为16.78/10万，占死亡总数的2.67％，位居第六位；消化系统恶性肿瘤死亡占全部恶性肿瘤死亡的40.61％。在消化系统恶性肿瘤中，按粗死亡率高低排序，胃癌(24.71/10万，占18.19％)、食道癌(15.17/10万，占11.19％)和结直肠癌(7.25/10万，占5.23％)位列第三、第四和第五位。

目前国内外对消化道疾病的诊断和治疗，多使用内窥镜等检查工具，但其诊断时间长，病人普遍有痛苦和不适感，甚至有时检查需在麻醉下进行，还有可能引起诸多并发症。传统的电子内窥镜采用柔软灵活的光纤进入肠道，能对食道、胃、结肠和前端部分小肠进行检查，引起的创伤较小，普遍为人所接受。但由于肠道曲折及长度较长，仍有很大一部分肠道内窥镜难以进入，尤其是小肠，因其直径小也更易引起伤痛。

为减轻人体痛苦以及解决检测受限问题，胶囊内窥镜作为替代传统内窥镜的检查装置，具有体积小的特点，可被人体吞服，随着肠道蠕动最终被排出体外，对人体几乎无伤害。但由于使用纽扣电池供电，能量供应有限，检测视频信号无法以高帧频率传输；同时由于其被动运动方式，胶囊自身的摄像头并不能有效监测肠道的各个部分，特别是肠道的褶皱部分，在临床上存在漏检问题。

而微型主动式肠道机器人能够自主在肠道中运动，能够实现驻停，可进行定点检测；采用无线供能技术，能量供应充足。在集成胶囊内窥镜的优点的同时解决其存在的问题，其必将成为内窥镜技术发展的趋势。微型肠道诊疗机器人具有重要的应用价值和广阔的应用前景，已成为国内外医疗器械领域研究的热点之一。

就现有研究而言，对于微型主动式胃肠道机器人的研究主要针对小肠部分，小肠直径一般在15～25mm之间，为保证生物安全性对机器人的直径要求为不大于15mm。基于这一要求，国内外研究的机器人初始尺寸均小于最大径向扩展尺寸不超过即变径比不超过2。但对于直径较大的大肠如结肠而言，其直径往往大于30mm，径向的扩展尺寸不能达到有效钳位。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN103211564A，公开日2013.7.24，公开了一种用于胃肠道检测的微型机器人，其运动原理为仿尺蠖式运动，包括头部径向扩展机构，轴向伸缩机构和尾部径向扩展机构，其中头部径向钳位机构由径向动力装置与轴向伸缩机构相连，径向钳位机构包括相互啮合的机构输出齿轮和调速输出齿轮、至少3条均匀分布于机构输出齿轮外圆周的螺旋线腿和钳位调速装置。

中国专利文献号CN104398230A，公开日2015.3.11，公开了一种内窥镜类技术领域的胃肠道机器人机构，包括三对弧形腿、第一内齿圈、第二内齿圈、输出端齿轮和传动齿轮组，其中：三对弧形腿均匀设置于相对设置的第一内齿圈和第二内齿圈上，输出端齿轮与一个减速机的输出端相连且分别与第一内齿圈和传动齿轮组的一端啮合，传动齿轮组的另一端与第二内齿圈啮合，使得第一内齿圈和第二内齿圈等速反向转动，从而实现三对弧形腿的扩张和收缩运动。但上述技术机器人的径向展开变径比均小于2，在满足初始尺寸小于的前提下，最大扩展直径在30mm左右，不能满足小肠和结肠一次性同时检查的尺寸要求；机器人的三个驱动电机均为轴线并行布置设计，容纳三个电机的最大直径达到10.8mm，导致外围绕制线圈的空间被压缩，对系统无线供能方案有不利影响。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种大变径比微型胃肠道机器人机构，通过创新的结构设计，将机器人初始直径减小的同时增大径向钳位机构的径向扩展直径，以适应小肠和结肠的一次性检查；同时减小机器人轴向伸缩机构的直径，以扩大外围的无线供能线圈的可利用空间。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：轴向伸缩机构、对称设置于轴向伸缩机构两端的两个径向扩展机构。

所述的径向扩展机构包括：挡板框架以及设置于其内部且依次相连的扩展电机、传动机构、钳位机构和减速器。

所述的扩展电机插入挡板框架内，并通过电机的输出端主轴与减速器固定连接。

所述的挡板框架包括：依次同轴布置的前挡板、隔板和后挡板，其中：减速器和钳位机构位于前挡板和隔板之间，传动机构位于隔板和后挡板之间，后挡板近轴向伸缩机构并开有与扩展电机截面相适应的孔。

所述的减速器与传动机构分别设置于各自的密封套中，该密封套与挡板框架固定连接，防止肠液和肠道内部杂质进入机器人机构内影响机器人的稳定运行。

所述的减速器包括：四个相互分层啮合的减速齿轮组、与直流电机输出端主轴相连的输入减速齿轮和与传动机构相连的输出减速齿轮，其中：输入减速齿轮与第一减速齿轮组啮合，输出减速齿轮与第四层减速齿轮组啮合，形成五级减速，在利用轴向空间的同时减小径向空间的占用。

所述的减速齿轮组包括：相互啮合的一对大、小齿轮，其中：小齿轮同轴嵌入大齿轮中，为使减速齿轮组结构稳定，大齿轮中心经线切割得到与小齿轮外圈相同的齿形。

所述的小齿轮端面厚度为大齿轮端面厚度的两倍。

所述的传动机构包括：三个相同的且沿圆周均匀布置的传动齿轮组和传动中心齿轮，其中：传动中心齿轮通过三个相同的齿轮与传动齿轮组啮合。

所述的传动齿轮组包括：两个齿数相同并互相啮合的输出齿，其中：每个输出齿上连有一个输出轴；传动中心齿轮与输出齿的齿数相同，保证三个传动齿轮组的转速和转向一致。

所述的钳位机构包括：三个相同且径向均布的四连杆机构，即各个四连杆机构互相在轴向上彼此分层隔开，在径向上沿圆周均匀布置，以使机器人在与肠壁相互作用时具有相对较大的接触面积和受力点，增加机器人钳位的稳定性。

所述的四连杆机构包括：两个串联的传动连杆和两个驱动连杆，其中：两个驱动连杆的一端分别与传动机构相连，另一端分别与两个串联的传动连杆的两端相连，两个驱动连杆经传动机构传动实现相反转向。

所述的驱动连杆和传动连杆为圆弧形，在扩展径向直径的同时减小空间占有率。

所述的轴向伸缩机构包括：伸缩机架以及设置于其内部且互相连接的伸缩电机、行星齿轮减速器和丝杠螺母机构。

所述的伸缩电机与位于轴向伸缩机构两端径向扩展机构中的扩展电机同轴设置。

所述的伸缩机架包括固定件以及设置于其两端的挡板，所述的丝杠螺母机构与固定件固定连接。

所述的丝杠螺母机构中所含的两个螺母分别与位于轴向伸缩机构两端的径向扩展机构中的扩展电机相连。

所述的轴向伸缩机构的外部设有无线供能接收线圈，通过该无线供能接收线圈向其提供能量。

轴向伸缩机构工作时，伸缩电机经行星齿轮减速器减速后将输出转速和转矩通过丝杠螺母机构分别传递到位于两端的径向扩展机构作轴向运动，当位于前端的径向扩展机构工作时，扩展电机经减速器减速后达到所需的输出转速和转矩，通过与输出减速齿轮传送到传动机构，带动钳位机构向圆周方向扩展和收缩，从而实现机器人的仿生蠕动。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用径向扩展机构两个驱动电机同轴布置，并与伸缩电机并行的布置方式，径向初次尺寸减小，为无线供能线圈预留相对大的空间；钳位机构与肠道接触部位设计为封闭式，减小对肠道的伤害，同时径向扩展比大，最大展开直径大，能有望实现小肠和结肠的一次性检测。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为径向扩展机构示意图；

图3为径向扩展机构齿轮减速器示意图：

(a)为整体结构示意图，(b)为减速齿轮组示意图；

图4为传动齿轮组示意图；

图5为传动齿轮组与钳位机构传动示意图；

图6为钳位机构示意图；

图7为轴向伸缩机构示意图；

图中：1为前端径向扩展机构，2为轴向伸缩机构，3为后端径向扩展机构，4和29分别为扩展电机和伸缩电机，5为径向扩展机构后挡板，6为传动机构，7为减速器密封套，8为减速器，9为径向扩展机构前挡板，10为钳位机构，11为径向扩展机构隔板，12为传动机构密封套，13为输入减速齿轮，14为减速齿轮组，15为输出减速齿轮，16、18和19为传动齿轮组，17为传动中心齿轮，20、21和22为四连杆机构，23和26为驱动连杆，24和25为传动连杆，27为后端挡板组，28为固定组件，30为行星齿轮减速器，31和33为前端挡板，32为固定垫片，34和37为螺母，35为导杆，36为丝杠。

具体实施方式

下面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。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：分别独立工作的前端径向扩展机构1、后端径向扩展机构3和轴向伸缩机构2，其中：前端径向扩展机构1与后端径向扩展机构3结构相同，且对称设置在轴向伸缩机构2两端。

如图2所示，所述的前端径向扩展机构1包括：挡板框架、减速器8、与减速器8固定连接的传动机构6、驱动前端径向扩展机构1运转的扩展电机4和与传动机构6固定连接的钳位机构10，其中：传动机构6、钳位机构10和减速器8沿轴向从内而外依次设置于挡板框架内，扩展电机4插入挡板框架内，并通过扩展电机4输出端主轴与减速器8固定连接。

所述的挡板框架包括依次同轴布置的前挡板9、隔板11和后挡板5，减速器8和钳位机构10位于前挡板9和隔板11之间，传动机构6位于隔板11和后挡板5之间，后挡板5近轴向伸缩机构2并开有与扩展电机4面相适应的孔。

所述的径向机构前挡板9、隔板11和后挡板5为直径相同的圆盘。

所述的减速器8与传动机构6分别密封在相应的密封套7和12中，密封套7和12与挡板框架通过螺钉固定和限位。

如图3(a)所示，所述的减速器8包括：四个相互分层啮合的减速齿轮组14、与扩展电机4输出端主轴相连的输入减速齿轮13和与传动机构6相连的输出减速齿轮15，其中：输入减速齿轮13与第一减速齿轮组14啮合，输出减速齿轮15与第四层减速齿轮组14啮合，形成五级减速。

如图3(b)所示，所述的减速齿轮组14包括相互啮合的一个大齿轮和小齿轮，小齿轮同轴嵌入大齿轮中，为使减速齿轮组14结构稳定，大齿轮中心经线切割得到与小齿轮外圈相同的齿形。

所述的小齿轮端面厚度为大齿轮端面厚度的两倍。

如图4所示，所述的传动机构6包括三个相同的且沿圆周均匀布置的传动齿轮组16、18、19和传动中心齿轮17，传动中心齿轮17通过三个相同的齿轮与传动齿轮组16、18、19啮合。

所述的传动齿轮组16、18或19包括两个齿数相同并互相啮合的输出齿，每个输出齿上连有一个输出轴；传动中心齿轮17与输出齿的齿数相同，保证三个传动齿轮组16、18、19的转速和转向一致。

如图5所示，所述的钳位机构10包括三个相同的四连杆机构20、21、22，在轴向上彼此分层隔开，在径向上沿圆周均匀布置。

如图6所示，所述的四连杆机构20、21或22包括两个一端活动连接的传动连杆24、25和与两个传动连杆24、25另一端分别活动连接的两个驱动连杆23、26，驱动连杆23和26的另一端与穿过径向扩展机构隔板的传动机构输出轴固定连接；两个驱动连杆23和26转速相同，转向相反。

所述的驱动连杆23、26和传动连杆24、25为圆弧形。

前端径向扩展机构1工作时，扩展电机4经减速器8减速后达到所需的输出转速和转矩，通过输出减速齿轮15传送到传动机构6，带动钳位机构10向圆周方向扩展和收缩，从而改变机器人的径向扩展尺寸。

如图7所示，所述的轴向伸缩机构2包括：后端挡板组27、前端挡板组31和33、隔板32，固定在两个挡板组之间的固定组件28、伸缩电机29、与伸缩电机29相连的行星齿轮减速器30、与行星齿轮减速器30相连的丝杠36、与丝杠36相连的两个螺母34、37和与丝杠36并行固定的导杆35，伸缩电机29和行星齿轮减速器30位于前端挡板组31和后端挡板组27之间。

所述的两个螺母34、37分别与前端径向扩展机构1和后端径向扩展机构2的扩展电机4固定连接，引导径向扩展机构的轴向运动。

所述的导杆35为圆柱形杆件，用于稳定轴向伸缩时的导向。

所述的行星齿轮减速器30包括：中心轮、卫星轮、内齿轮、顶部固定齿轮、底部固定齿轮和密封齿轮。

所述的内齿轮与轴向伸缩机构2的伸缩电机29固定连接，顶部和底部固定齿轮保证各层间的相对位置，密封齿轮用于防止肠液等进入行星齿轮减速器30和轴向伸缩机构2的伸缩电机29。

所述的固定组件28用于保证机器人的躯干长度。

轴向伸缩机构2工作时，伸缩电机29经行星齿轮减速器30减速后将输出转速和转矩传递到丝杠36上，带动丝杠36上两个螺母34和37沿轴向运动，从而引导径向扩展机构作轴向运动。

所述的前端径向扩展机构1、后端径向扩展机构3和轴向伸缩机构2的运动分别由三个有刷直流电机独立控制，驱动前端径向扩展机构1和后端径向扩展机构3运转的扩展电机4分别穿过前端挡板组31和后端挡板组27与驱动轴向伸缩机构2的伸缩电机29平行布置。

本装置与现有技术相比，将径向初次尺寸减小为同时通过上述创新结构的径向扩展机构，使得径向扩展机构完全展开时具有的尺寸，径向扩展比达到了3.3，可实现小肠和结肠的一次性检查；同时减小了轴向伸缩机构的直径，为能量的充足供应提供了实现空间。

Claims (5)

1.一种变径比大于2的微型胃肠道机器人机构，其特征在于，包括：轴向伸缩机构、对称设置于轴向伸缩机构两端的两个径向扩展机构，其中：径向扩展机构包括：挡板框架以及设置于挡板框架内部且依次相连的扩展电机、传动机构、钳位机构和减速器；轴向伸缩机构包括：伸缩机架以及设置于伸缩机架内部且互相连接的伸缩电机、行星齿轮减速器和丝杠螺母机构；伸缩电机与两个扩展电机同轴设置；

所述的钳位机构包括：三个相同且径向均布的四连杆机构，该四连杆机构包括：两个串联的传动连杆和两个驱动连杆，其中：两个驱动连杆的一端分别与传动机构相连，另一端分别与两个串联的传动连杆的两端相连，两个驱动连杆经传动机构传动实现相反转向。

2.根据权利要求1所述的微型胃肠道机器人机构，其特征是，所述的减速器包括：四个相互分层啮合的减速齿轮组、与直流电机输出端主轴相连的输入减速齿轮和与传动机构相连的输出减速齿轮，其中：输入减速齿轮与第一减速齿轮组啮合，输出减速齿轮与第四层减速齿轮组啮合，形成五级减速。

3.根据权利要求2所述的微型胃肠道机器人机构，其特征是，所述的减速齿轮组包括：相互啮合的一对大、小齿轮，其中：小齿轮同轴嵌入大齿轮中，为使减速齿轮组结构稳定，大齿轮中心经线切割得到与小齿轮外圈相同的齿形，小齿轮端面厚度为大齿轮端面厚度的两倍。

4.根据权利要求1所述的微型胃肠道机器人机构，其特征是，所述的驱动连杆和传动连杆为圆弧形。

5.根据权利要求1所述的微型胃肠道机器人机构，其特征是，所述的轴向伸缩机构的外部设有无线供能接收线圈，通过该无线供能接收线圈向轴向伸缩机构提供能量。