CN104887169A - 用于胃肠道微型机器人的钳位机构及其径向扩张机构 - Google Patents

Abstract

一种用于胃肠道微型机器人的钳位机构及其径向扩张机构，包括由带转动轴的弧形件构成的钳位机构、五级齿轮减速的齿轮减速器、沿圆周均匀布置的传动机构、密封齿轮减速器和传动机构的密封件组、起固定与限位作用的固定挡板组和直流电机。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；同时钳位机构与肠道接触部位的平滑设计，降低了肠道的受损风险。

Description

用于胃肠道微型机器人的钳位机构及其径向扩张机构

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术，具体是一种用于胃肠道微型机器人的钳位机构及其径向扩张机构。

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CN10312664B，公开日2014.12.31，公开了一种用于胃肠道机器人的微型钳位机构，包括：挡板组件以及设置于其内部的磁条组件、机械臂组件和转子组件，其中：挡板组件和磁条组件构成腔体，转子组件位于腔体内部，机械臂组件活动设置于腔体的外部且与挡板组件相连，以实现沿轴向的往复旋转。该技术变径比小于2，初始尺寸为仅适用于小肠内钳位，对于结肠的钳位，其径向扩展尺寸还远远不够；活动机械臂的中间连接部为两条机械臂端部上下叠加，在机械臂解除钳位状态时，肠道有受到伤害的风险。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于胃肠道微型机器人的钳位机构及其径向扩张机构，结构简单，工作安全可靠，通过创新的结构设计，在减小机器人初始直径的同时增大钳位机构的径向扩展直径，以适应不同直径肠道的检查。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种用于胃肠道微型机器人的钳位机构，包括若干个相同且在轴向上彼此分隔开的弧形件和与相应弧形件相连的一个转动轴对，各转动轴对在径向上沿圆周均匀分布，通过传动实现相反转向。

所述的弧形件包括：两个串联的圆弧形从动杆和两个圆弧形主动杆，其中：两个主动杆的一端分别与两个串联的从动杆的两端相连，另一端与相应的转动轴相连。

所述的从动杆圆弧半径大于主动杆的圆弧半径，从动杆的圆弧和主动杆的圆弧均为转动轴对所确定的圆周的同心圆的一部分，且主动杆的圆弧对应的扇形与从动杆的圆弧对应的扇形重叠，在增加径向扩张直径的同时减小空间占有率，另外可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。

本发明涉及一种用于胃肠道微型机器人的径向扩张机构，包括：钳位机构、驱动机构、固定挡板组、齿轮减速器、齿轮传动机构、依次同轴布置且直径相同的前端挡板、挡板和后端挡板，其中：齿轮减速器的输入端与驱动机构相连，输出端与齿轮传动机构输入端相连，齿轮传动机构输出端与钳位机构相连，前端挡板和后端挡板固定在径向扩张机构的两端；挡板的一侧为齿轮减速器与钳位机构，另一侧为齿轮传动机构。

所述的齿轮减速器包括：四个逐次分层啮合的减速件、与驱动机构相连的减速输入齿轮和与齿轮传动机构相连的减速输出齿轮，其中：减速件与一个固定轴或一个输出轴相连并通过输出轴与齿轮传动机构固定连接，减速输入齿轮与第一减速件啮合，减速输出齿轮与第四减速件啮合，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。

所述的减速件包括：相互啮合的一对大、小齿轮，小齿轮同轴嵌入齿形相同的大齿轮中。

所述的小齿轮端面厚度是大齿轮的两倍。

所述的齿轮传动机构包括：三个相同的沿圆周均匀布置的齿轮传动件和一个中心齿轮，其中：中心齿轮通过三个相同的齿轮分别与相应的齿轮传动件啮合。

所述的齿轮传动件包括：两个齿数相同并互相啮合的输出齿，每个输出齿与所述的钳位机构对应的转动轴相连。

所述的中心齿轮与输出齿的齿数相同，保证三个齿轮传动件的转速和转向一致。

所述的中心齿轮与齿轮减速器的输出轴固定连接。

所述的齿轮减速器与齿轮传动机构密封在相应的密封件中，密封件由固定挡板组固定，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。

径向扩张机构工作时，驱动机构经齿轮减速器减速后达到所需的输出转速和转矩，传送到传动机构，弧形件中的两个主动杆得到相反转向，从而带动从动杆向圆周外展开，实现机器人的仿生蠕动。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用四个圆弧形杆连接而成的弧形件，使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，同时拥有可根据需要调整的大变径比，结构简单，易于控制。

附图说明

图1为钳位机构示意图；

图2为弧形件结构示意图：

(a)为闭合状态，(b)为完全展开状态；

图3为径向扩张机构示意图；

图4为径向扩张机构分解示意图；

图5为齿轮减速器示意图：

(a)为齿轮减速器结构，(b)为减速件；

图6为齿轮传动机构示意图；

图中：1、2和3为弧形件，4、5和6为转动轴对，7为挡板，8为主动杆，9为从动杆，10为驱动机构，11为前端挡板，12为后端挡板，13为齿轮传动机构密封件，14为钳位机构，15为齿轮减速器，16为齿轮传动机构，17为齿轮减速器密封件，18为减速输入齿轮，19为减速件，20为减速输出齿轮，21为固定轴，22为输出轴，23、24和25为齿轮传动件，26为中心齿轮。

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，本实施例优选三个在轴向上彼此分隔开的弧形件1、2和3，与相应的转动轴对4、5和6相连，转动轴对4、5和6在径向上沿圆周均匀分布，通过传动实现相反转向。

如图2所示，所述的弧形件1、2或3包括：两个串联的圆弧形从动杆901、902和两个圆弧形主动杆801、802，其中：主动杆8的一端分别与从动杆9的两端销接，另一端与相应的转动轴相连。

所述的从动杆9的圆弧半径大于主动杆8的圆弧半径，从动杆9的圆弧和主动杆8的圆弧均为转动轴对所确定的圆周的同心圆的一部分，且主动杆8的圆弧对应的扇形与从动杆9的圆弧对应的扇形重叠，在增加径向扩张直径的同时减小空间占有率，另外可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。

如图3和图4所示，本发明涉及一种用于胃肠道微型机器人的径向扩张机构，包括：钳位机构14、驱动机构10、齿轮减速器15、齿轮传动机构16、依次同轴布置且直径相同的前端挡板11、挡板7和后端挡板12，其中：齿轮减速器15的输入端与驱动机构10相连，输出端与齿轮传动机构16输入端相连，齿轮传动机构16输出端与钳位机构14相连，前端挡板11和后端挡板12固定在径向扩张机构的两端；挡板7的一侧为齿轮减速器15与钳位机构14，另一侧为齿轮传动机构16。

所述的钳位机构14的转动轴对4、5和6环形均匀布置在挡板7上并穿过挡板7与齿轮传动机构16相连。

如图5所示，所述的齿轮减速器15包括：四个逐次分层啮合的减速件19、与驱动机构10相连的减速输入齿轮18和与齿轮传动机构16相连的减速输出齿轮20，其中：减速件19与一个固定轴21或一个输出轴22相连并通过输出轴22与齿轮传动机构16固定连接，减速输入齿轮18与第一减速件19啮合，减速输出齿轮20与第四减速件19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。

所述的减速件19包括：相互啮合的一对大、小齿轮，小齿轮同轴嵌入齿形相同的大齿轮中。

所述的齿轮减速器的齿轮模数为0.1。

所述的小齿轮端面厚度是大齿轮的两倍。

如图6所示，所述的齿轮传动机构16包括：三个相同的沿圆周均匀布置的齿轮传动件23、24、25和一个中心齿轮26，其中：中心齿轮26通过三个相同的齿轮分别与齿轮传动件23、24和25啮合。

所述的齿轮传动件23、24或25包括：两个齿数相同并互相啮合的输出齿，每个输出齿与所述的钳位机构14对应的转动轴相连。

所述的中心齿轮26与输出齿的齿数相同，保证三个齿轮传动件23、24和25的转速和转向一致。

所述的中心齿轮26与齿轮减速器15的输出轴22固定连接。

所述的齿轮传动机构16的齿轮模数为0.2。

所述的齿轮减速器15与齿轮传动机构16密封在相应的密封件17和13中，密封件17和13由固定挡板组固定，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。

径向扩张机构未工作时，驱动机构10未上电，钳位机构14的三个弧形件1、2和3锁死在挡板7的圆盘范围内；径向扩张机构工作时，驱动机构10经齿轮减速器15减速后达到所需的输出转速和转矩，传送到齿轮传动机构16，与转动轴对4、5或6分别固定连接的齿轮传动机构16中的输出齿分别沿逆时针和顺时针方向旋转，带动主动杆8和从动杆9分别沿逆时针和顺时针方向转动，当输出齿旋转近120°时达到最大展开直径。

径向扩张机构工作时，驱动机构10经齿轮减速器15减速后达到所需的输出转速和转矩，传送到齿轮传动机构16，各个弧形件1、2或3中的两个主动杆801和802得到相反转向，从而带动从动杆901和902向圆周外展开，实现机器人的仿生蠕动。

径向扩张机构结束工作时，将驱动机构10反向上电，通过对电路电流的检测驱动机构10在达到堵转电流阈值时断电，钳位机构14作与展开时相反的动作，从而恢复到初始状态。

Claims (5)

1.一种用于胃肠道微型机器人的钳位机构，其特征在于，包括：若干个相同且在轴向上彼此分隔开的弧形件和与相应弧形件相连的一个转动轴对，各转动轴对在径向上沿圆周均匀分布，通过传动实现相反转向。

2.根据权利要求1所述的钳位机构，其特征是，所述的弧形件包括：两个串联的圆弧形从动杆和两个圆弧形主动杆，其中：两个主动杆的一端分别与两个串联的从动杆的两端相连，另一端与相应的转动轴相连。

3.根据权利要求2所述的钳位机构，其特征是，所述的从动杆圆弧半径大于主动杆的圆弧半径。

4.根据权利要求3所述的钳位机构，其特征是，所述的从动杆的圆弧和主动杆的圆弧均为转动轴对所确定的圆周的同心圆的一部分，且主动杆的圆弧对应的扇形与从动杆的圆弧对应的扇形重叠。

5.一种用于胃肠道微型机器人的径向扩展机构，其特征在于，包括：如上述任一权利要求所述的钳位机构、驱动机构、固定挡板组、齿轮减速器、齿轮传动机构、依次同轴布置且直径相同的前端挡板、挡板和后端挡板，其中：齿轮减速器的输入端与驱动机构相连，输出端与齿轮传动机构输入端相连，齿轮传动机构输出端与钳位机构相连，前端挡板和后端挡板固定在径向扩张机构的两端，挡板的一侧为齿轮减速器与钳位机构，另一侧为齿轮传动机构。