CN106344018A - 一种无线微管道胶囊子母机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于它包括控制器部分、母机器人部分和子机器人部分；其工作方法包括：运动，线圈产生磁场使，母机器人部分和子机器人部分运动；确定质量方案；配合工作；实现给药并退出；其优越性在于：操作灵活，体积小，易吞服；检测与治疗手段更加灵活；应用方式灵活；结合阻力小，结构简单，易于结合，实用性高；机器人各边角采用圆弧形构造，对人体肠道粘膜伤害小。

Description

一种无线微管道胶囊子母机器人及其工作方法

(一)技术领域：

本发明属于工业、医疗设备技术领域，尤其是涉及一种无线微管道胶囊子母机器人及其工作方法，主要适用于由于胃肠道疾病的检测、诊断、活检及后期给药治疗等方面。

(二)背景技术：

胃肠道疾病已经开始成为威胁我国国民身体健康的重要因素。目前国内外治疗消化道疾病的传统方法是将连接有医用软管的内窥镜从患者的口腔送入消化道内，此过程中医用软管会与消化壁之间产生摩擦，给病人带来很大的痛感，同时也很可能会对消化粘膜造成二次损伤，此外，传统内窥镜进入人体后姿态不能够实现灵活调整，容易出现视觉盲区，导致不能发现病变部位。

胶囊内窥镜的提出解决了这些问题，但目前市场的胶囊内镜主要依靠胃肠道的蠕动而被动运动，不能实现姿态控制。通过磁场控制胶囊机器人在狭窄的肠道环境运动已经成为研究主流。

目前，已有研究利用三轴亥姆霍兹线圈产生旋转磁场驱动单个机器人旋转运动，可用作医用无线胶囊内窥镜检测与治疗，但这些机器人有着一些不足：(1)若要同时实现检测及治疗功能，需要将这些功能集成到单个机器人上，以现有技术，其体积会不可避免地增大，令其实用性大大降低；(2)这些机器人单次携带的药物量有限，在其药物使用完成以后只能令机器人退出再进行下次检查治疗，操作手段不够灵活；(3)这些机器人往往单次只能携带一种药物，可能只能针对某种特殊的病症，而肠道疾病多种多样，医生需要依据不同的症状对症下药，所以这些机器人的治疗手段比较单一，有一定的局限性。

子母机器人旨在分步利用各种功能，将其模块化，将各功能分别作为单独的模块，可按照功能需要而只使用其对应模块以减小机器人体积，同时提高机器人灵活性与实用性。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种无线微管道胶囊子母机器人及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种可以无线驱动胶囊子母机器人在人体肠道内主动运动并实现结合、分离动作的机器人，且结构简单，侵入性低，操作方便。

本发明的技术方案：一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于它包括控制器部分、母机器人部分和子机器人部分；其中，所述控制器部分通过发出驱动和控制信号控制母机器人部分和子机器人部分的动作。

所述控制器部分为环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈；所述控制器部分通过三轴亥姆霍兹线圈发出驱动和控制信号，控制母机器人部分和子机器人部分的动作。

所述母机器人部分由头部、母主体和尾部构成；其中所述母主体有两条从其头部观察为顺时针方向的螺旋凹槽；所述尾部有一锥形凹槽。

所述母机器人部分的头部可安装用于监测肠道环境的微型摄像头。

所述母机器人部分母主体的内部中心处有一径向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；所述母机器人部分尾部凹槽内置一轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；所述母机器人部分中心内置的圆柱形钕铁硼永磁体在置于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场下产生旋转运动，同时带动母机器人部分进行以其中心轴为旋转轴的旋转运动。

所述子机器人部分由头部和子主体构成；其中，所述头部为锥形结构；所述子主体上有两条从其头部观察为逆时针方向的螺旋凹槽。

所述子机器人部分的子主体的内部中心处有一径向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；所述子机器人部分的头部内置一轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体，其极性与母机器人部分尾部凹槽前内置的圆柱形钕铁硼永磁体相反，可与母机器人部分的尾部的轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体相互吸合；所述子机器人部分内置的圆柱形钕铁硼永磁体在置于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场下产生旋转运动，同时带动子机器人部分进行以其中心轴为旋转轴的旋转运动。

所述母机器人部分和子机器人部分在同一旋转磁场的控制下，以相同的方向转动；所述母机器人部分的主体上的两条螺旋凹槽与子机器人部分主体上的两条螺旋凹槽的方向相反，使得子母两部分机器人在具有相同转动方向的情况下具有相反的轴向运动方向。

一种无线微管道胶囊子母机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①在肠道检测和治疗时，病人先将母机器人部分吞下，通过环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场驱动母机器人部分内置的钕铁硼永磁体旋转前进，此时沿母机器人部分头部观测，旋转磁场的方向为逆时针方向，同时母机器人部分旋转方向也为逆时针方向；在母机器人部分到达目的地后，医生可以利用母机器人部分头部的微型摄像头传回画面观察探测病灶，确定具体治疗方案；

②医生根据所需治疗方案将具有可实施给药功能的子机器人部分8填装对应药物，再由病人将子机器人部分吞服，令环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场中心即三组线圈的几何中心跟随子机器人部分，并翻转三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场的方向，由于子机器人部分的主体螺旋凹槽与母机器人部分的主体螺旋凹槽的方向相反，此时沿子机器人部分头部观测，旋转磁场的方向为顺时针方向，同时子机器人部分的旋转方向也为顺时针方向，所以此时子机器人部分同样也旋转前进；

③当子机器人部分运行到母机器人部分后方时，此时子母机器人两部分处于同一轴线上，此时沿母机器人部分头部观测，旋转磁场的方向为顺时针方向，此时子母机器人两部分在旋转磁场的驱动下旋转方向同为顺时针方向，但由于子母机器人两部分主体表面螺旋凹槽方向相反，所以，母机器人部分的轴向运动方向为向后，子机器人部分的轴向运动方向为向前，此时两者相向运动；

④当子机器人部分与母机器人部分接触时，由于两者相向运动，子机器人部分与母机器人部分间有一定压力，促使子机器人部分的锥状头部滑入母机器人部分的尾部的锥形凹槽，此时子机器人部分的头部的轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体与母机器人部分的尾部的圆柱形钕铁硼永磁体产生的吸引力使两机器人贴合，两机器人完成结合；

⑤当子机器人部分完成治疗任务后，可将三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场的旋转方向翻转，此时沿母机器人部分头部观测，旋转磁场的方向为逆时针方向，子母机器人两部分在旋转磁场的驱动下旋转方向同为逆时针方向，但由于子母机器人两部分主体表面螺旋凹槽方向相反，所以，母机器人部分的轴向运动趋势方向为向前，而子机器人部分的轴向运动趋势方向则为向后，此时两者运动趋势为相互背离，可促使子母机器人两部分克服圆柱形钕铁硼永磁体与圆柱形钕铁硼永磁体之间的吸引力，使子机器人部分的锥状头部滑出母机器人部分的尾部的锥形凹槽，此时两机器人完成分离；

⑥操作人员控制环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈使其所产生的旋转磁场中心即三组线圈的几何中心跟随子机器人部分，可将子机器人部分旋转后退直至退出人体，此时医生可考虑使母机器人部分继续前进检测或更改子机器人部分以重新填充药物或添加不同药物重新进入病人体内实施治疗手段。

本发明的优越性在于：1、分别控制子母两部分机器人，病人可按检测或治疗的需要吞服各部分机器人，操作灵活，克服之前胶囊机器人体积大不易吞服的缺点；2、母机器人部分用于检测，检测到病灶之后，子机器人部分可随后被病人吞服，进入人体与母机器人部分结合，相比以往的单个胶囊机器人可实现更加灵活的检测与治疗手段；3、子母机器人接口模块化，接口相同的不同子机器人可以以相同的结合方式与母机器人部分结合，如在母机器人部分不离开肠道的同时，可分步使用装载不同药物的子机器人为病人施用多种治疗手段，其应用方式灵活；4、子机器人部分与母机器人部分结合部位采用锥状结构配合，并辅有磁铁吸合，其结合阻力小，结构简单，易于结合，实用性高；5、机器人各边角采用圆弧形构造，对人体肠道粘膜伤害小。

(四)附图说明：

图1为本发明所涉一种无线微管道胶囊子母机器人中的三轴亥姆霍兹线圈与病人配合的结构示意图。

图2为本发明所涉一种无线微管道胶囊子母机器人中母机器人部分的结构示意图。

图3为本发明所涉一种无线微管道胶囊子母机器人中子机器人部分的结构示意图。

图4为本发明所涉一种无线微管道胶囊子母机器人中子母机器人部分相结合的结构示意图。

图5为本发明所涉一种无线微管道胶囊子母机器人的工作方法的流程示意图。

其中，1为母机器人部分头部微型摄像头；2为母机器人部分主体上的螺旋凹槽；3为母机器人部分主体中心内部的径向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；4为母机器人部分尾部的轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；5为子机器人部分主体上的螺旋凹槽；6为子机器人部分主体中心内部的径向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；7为子机器人部分头部的轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；8为子机器人部分；9为母机器人部分。

(四)具体实施方式：

实施例：一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于它包括控制器部分、母机器人部分9和子机器人部分8；其中，所述控制器部分通过发出驱动和控制信号控制母机器人部分和子机器人部分的动作。

所述控制器部分为环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈(见图1)；所述控制器部分通过三轴亥姆霍兹线圈发出驱动和控制信号，控制母机器人部分9和子机器人部分8的动作。

所述母机器人(见图2)部分9由头部、母主体和尾部构成；其中所述母主体有两条从其头部观察为顺时针方向的螺旋凹槽2；所述尾部有一锥形凹槽。

所述母机器人部分9的头部可安装用于监测肠道环境的微型摄像头1。

所述母机器人部分9(见图2)母主体的内部中心处有一径向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体3；所述母机器人部分9尾部凹槽内置一轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体4；所述母机器人部分9中心内置的圆柱形钕铁硼永磁体3在置于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场下产生旋转运动，同时带动母机器人部分9进行以其中心轴为旋转轴的旋转运动。

所述子机器人部分8(见图3)由头部和子主体构成；其中，所述头部为锥形结构；所述子主体上有两条从其头部观察为逆时针方向的螺旋凹槽5。

所述子机器人部分8(见图3)的子主体的内部中心处有一径向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体6；所述子机器人部分8的头部内置一轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体7，其极性与母机器人部分9尾部凹槽前内置的圆柱形钕铁硼永磁体4相反，可与母机器人部分9的尾部的轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体4相互吸合；所述子机器人部分8内置的圆柱形钕铁硼永磁体6在置于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场下产生旋转运动，同时带动子机器人部分8进行以其中心轴为旋转轴的旋转运动。

所述母机器人部分9和子机器人部分8在同一旋转磁场的控制下，以相同的方向转动；所述母机器人部分9的主体上的两条螺旋凹槽2与子机器人部分8主体上的两条螺旋凹槽5的方向相反，使得子母两部分机器人在具有相同转动方向的情况下具有相反的轴向运动方向。

一种无线微管道胶囊子母机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

②在肠道检测和治疗时，病人先将母机器人部分9吞下，通过环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场驱动母机器人部分9内置的钕铁硼永磁体旋转前进，此时沿母机器人部分9头部观测，旋转磁场的方向为逆时针方向，同时母机器人部分9旋转方向也为逆时针方向；在母机器人部分9到达目的地后，医生可以利用母机器人部分9头部的微型摄像头1传回画面观察探测病灶，确定具体治疗方案；

②医生根据所需治疗方案将具有可实施给药功能的子机器人部分8填装对应药物，再由病人将子机器人部分8吞服，令环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场中心即三组线圈的几何中心跟随子机器人部分8，并翻转三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场的方向，由于子机器人部分8的主体螺旋凹槽5与母机器人部分9的主体螺旋凹槽2的方向相反，此时沿子机器人部分8头部观测，旋转磁场的方向为顺时针方向，同时子机器人部分8的旋转方向也为顺时针方向，所以此时子机器人部分8同样也旋转前进；

③当子机器人部分8运行到母机器人部分9后方时，此时子母机器人两部分处于同一轴线上，此时沿母机器人部分9头部观测，旋转磁场的方向为顺时针方向，此时子母机器人两部分在旋转磁场的驱动下旋转方向同为顺时针方向，但由于子母机器人两部分主体表面螺旋凹槽方向相反，所以，母机器人部分9的轴向运动方向为向后，子机器人部分8的轴向运动方向为向前，此时两者相向运动；

④当子机器人部分8与母机器人部分9接触时，由于两者相向运动，子机器人部分8与母机器人部分9间有一定压力，促使子机器人部分8的锥状头部滑入母机器人部分9的尾部的锥形凹槽，此时子机器人部分8的头部的轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体7与母机器人部分9的尾部的圆柱形钕铁硼永磁体4产生的吸引力使两机器人贴合，两机器人完成结合；

⑤当子机器人部分8完成治疗任务后，可将三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场的旋转方向翻转，此时沿母机器人部分9头部观测，旋转磁场的方向为逆时针方向，子母机器人两部分在旋转磁场的驱动下旋转方向同为逆时针方向，但由于子母机器人两部分主体表面螺旋凹槽方向相反，所以，母机器人部分9的轴向运动趋势方向为向前，而子机器人部分8的轴向运动趋势方向则为向后，此时两者运动趋势为相互背离，可促使子母机器人两部分克服圆柱形钕铁硼永磁体7与圆柱形钕铁硼永磁体4之间的吸引力，使子机器人部分8的锥状头部滑出母机器人部分9的尾部的锥形凹槽，此时两机器人完成分离；

⑥操作人员控制环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈使其所产生的旋转磁场中心即三组线圈的几何中心跟随子机器人部分8，可将子机器人部分8旋转后退直至退出人体，此时医生可考虑使母机器人部分9继续前进检测或更改子机器人部分8以重新填充药物或添加不同药物重新进入病人体内实施治疗手段。

Claims (9)

1.一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于它包括控制器部分、母机器人部分和子机器人部分；其中，所述控制器部分通过发出驱动和控制信号控制母机器人部分和子机器人部分的动作。

2.根据权利要求1所述一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于所述控制器部分为环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈；所述控制器部分通过三轴亥姆霍兹线圈发出驱动和控制信号，控制母机器人部分和子机器人部分的动作。

3.根据权利要求1所述一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于所述母机器人部分由头部、母主体和尾部构成；其中所述母主体有两条从其头部观察为顺时针方向的螺旋凹槽；所述尾部有一锥形凹槽。

4.根据权利要求3所述一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于所述母机器人部分的头部可安装用于监测肠道环境的微型摄像头。

5.根据权利要求3所述一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于所述母机器人部分的母主体的内部中心处有一径向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；所述母机器人部分尾部凹槽内置一轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；所述母机器人部分中心内置的圆柱形钕铁硼永磁体在置于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场下产生旋转运动，同时带动母机器人部分进行以其中心轴为旋转轴的旋转运动。

6.根据权利要求1所述一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于所述子机器人部分由头部和子主体构成；其中，所述头部为锥形结构；所述子主体上有两条从其头部观察为逆时针方向的螺旋凹槽。

7.根据权利要求6所述一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于所述子机器人部分的子主体的内部中心处有一径向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体；所述子机器人部分的头部内置一轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体，其极性与母机器人部分尾部凹槽前内置的圆柱形钕铁硼永磁体相反，可与母机器人部分的尾部的轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体相互吸合；所述子机器人部分内置的圆柱形钕铁硼永磁体在置于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场下产生旋转运动，同时带动子机器人部分进行以其中心轴为旋转轴的旋转运动。

8.根据权利要求1所述一种无线微管道胶囊子母机器人，其特征在于所述母机器人部分和子机器人部分在同一旋转磁场的控制下，以相同的方向转动；所述母机器人部分的主体上的两条螺旋凹槽与子机器人部分主体上的两条螺旋凹槽的方向相反，使得子母两部分机器人在具有相同转动方向的情况下具有相反的轴向运动方向。

9.一种无线微管道胶囊子母机器人的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

①在肠道检测和治疗时，病人先将母机器人部分吞下，通过环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场驱动母机器人部分内置的钕铁硼永磁体旋转前进，此时沿母机器人部分头部观测，旋转磁场的方向为逆时针方向，同时母机器人部分旋转方向也为逆时针方向；在母机器人部分到达目的地后，医生可以利用母机器人部分头部的微型摄像头传回画面观察探测病灶，确定具体治疗方案；

②医生根据所需治疗方案将具有可实施给药功能的子机器人部分8填装对应药物，再由病人将子机器人部分吞服，令环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场中心即三组线圈的几何中心跟随子机器人部分，并翻转三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场的方向，由于子机器人部分的主体螺旋凹槽与母机器人部分的主体螺旋凹槽的方向相反，此时沿子机器人部分头部观测，旋转磁场的方向为顺时针方向，同时子机器人部分的旋转方向也为顺时针方向，所以此时子机器人部分同样也旋转前进；

③当子机器人部分运行到母机器人部分后方时，此时子母机器人两部分处于同一轴线上，此时沿母机器人部分头部观测，旋转磁场的方向为顺时针方向，此时子母机器人两部分在旋转磁场的驱动下旋转方向同为顺时针方向，但由于子母机器人两部分主体表面螺旋凹槽方向相反，所以，母机器人部分的轴向运动方向为向后，子机器人部分的轴向运动方向为向前，此时两者相向运动；

④当子机器人部分与母机器人部分接触时，由于两者相向运动，子机器人部分与母机器人部分间有一定压力，促使子机器人部分的锥状头部滑入母机器人部分的尾部的锥形凹槽，此时子机器人部分的头部的轴向磁化的圆柱形钕铁硼永磁体与母机器人部分的尾部的圆柱形钕铁硼永磁体产生的吸引力使两机器人贴合，两机器人完成结合；

⑤当子机器人部分完成治疗任务后，可将三轴亥姆霍兹线圈所产生的旋转磁场的旋转方向翻转，此时沿母机器人部分头部观测，旋转磁场的方向为逆时针方向，子母机器人两部分在旋转磁场的驱动下旋转方向同为逆时针方向，但由于子母机器人两部分主体表面螺旋凹槽方向相反，所以，母机器人部分的轴向运动趋势方向为向前，而子机器人部分的轴向运动趋势方向则为向后，此时两者运动趋势为相互背离，可促使子母机器人两部分克服圆柱形钕铁硼永磁体与圆柱形钕铁硼永磁体之间的吸引力，使子机器人部分的锥状头部滑出母机器人部分的尾部的锥形凹槽，此时两机器人完成分离；

⑥操作人员控制环绕于病人体外的三轴亥姆霍兹线圈使其所产生的旋转磁场中心即三组线圈的几何中心跟随子机器人部分，可将子机器人部分旋转后退直至退出人体，此时医生可考虑使母机器人部分继续前进检测或更改子机器人部分以重新填充药物或添加不同药物重新进入病人体内实施治疗手段。