CN106606346A - 一种医学用自给式主动轴向驱动装置 - Google Patents

Abstract

一种医学用自给式主动轴向驱动装置，包括第一可动部件和第二可动部件。第一可动部件包括第一套筒、线圈和两个圆环状的壳体，两个壳体安装在所述第一套筒的左右两端与第一套筒之间形成过盈配合。第二可动部件包括两个圆环状的推力盘、第二套筒和限位装置，两个推力盘嵌套安装在第一套筒的中部与第一套筒之间形成间隙配合，第二套筒设置在两个推力盘之间并安装在第一套筒的径向外侧和第一套筒之间也形成间隙配合。该装置可实现单方向轴向运动，或者绕X或Y方向的偏转运动，具有体积小，无需体外磁场驱动装置而完全自给式运动的优点。

Description

一种医学用自给式主动轴向驱动装置

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，特别是涉及一种医学用自给式主动轴向驱动装置，其可作为内镜或显微手术机器人装置的运动机构。

背景技术

随着医学科技的快速迅猛发展，疾病诊断、监测、采样和活体内临床手术处理越来越趋于微创和无创化，因此对在体内进行微创或无创医疗检测的机器人，例如，主动引导内窥镜的蠕动式机器人，的需求越来越大，要求也越来越高，特别是对这种机器人的体积、质量、功能上提出了更高的要求。目前商用胶囊机器人，例如，用于自动拍摄消化道内的图片的胶囊内镜，多是被动随消化系统蠕动而无法控制其方位，在肠道狭窄和皱褶区域会发生嵌顿、滞留现象。而应用内镜运动机器人的运动装置尚处于试验阶段且结构比较复杂，其中，有的装置是利用外界磁场与进入体内的蠕动式机器人的相互作用力实现该蠕动式机器人的自主蠕动功能，然而，由于外界磁场漏磁较大，如果要实现体外磁场与体内磁场的相互作用，那么体外磁场的体积会很大，不利于病人临床上的安放和限制病人自由活动。

现有的一种无外驱动磁场的自给式驱动装置是通过机械设计，采用动量交换的原理，通过驱动装置可动部件的相互撞击，实现运动装置的前行，由于这种装置需要通过撞击实现，必然会损失很大的能量，而且会产生较大的震动，不利于装置在人体内的准确运动控制和节能。此外，还有一种小体积的内镜驱动运动装置，其利用空心螺线管通电产生磁场的原理，与永磁体相互作用，加之机械限位装置，实现蠕动装置的运动，该装置由于永磁体的存在，为了减小永磁体自身的漏磁影响，只能是空心螺线管通电产生磁场，由于没有导磁体的存着，使得线圈通电产生的磁场较弱，与永磁体的作用力非常小，并且驱动装置在运动中需要始终通电，因此大大增加了该装置的功耗，故这种装置发热严重，也同样限制了其在人体内的应用。

发明内容

基于此，有必要针对现有内镜或显微手术机器人装置中驱动运动装置体积大以及功耗高的问题，提供一种医学用自给式主动轴向驱动装置，其不依赖复杂的外界磁场驱动，便于驱动控制，具有体积小、功耗低的特点。

本发明提供了一种医学用自给式主动轴向驱动装置，包括第一可动部件和第二可动部件，其特征在于，所述第一可动部件包括：

第一套筒；

多组线圈；以及

两个圆环状的壳体，所述两个壳体安装在所述第一套筒的左右两端，所述两个壳体的径向内侧分别与所述第一套筒的外表面之间形成过盈配合，所述两个壳体中的每一个壳体均具有空腔，所述多组线圈分别缠绕在所述两个壳体的所述空腔中；

所述第二可动部件包括：

两个圆环状的推力盘，所述两个推力盘安装在所述第一套筒的中部，所述两个推力盘的径向内侧分别与所述第一套筒的外表面之间形成间隙配合；

第二套筒，所述第二套筒嵌套安装在所述第一套筒的径向外侧，并与所述第一套筒之间形成间隙配合，所述第二套筒设置在所述两个推力盘之间，连接所述两个推力盘，并与所述两个推力盘之间形成过盈配合；以及

限位装置，所述限位装置设置在所述第二套筒的径向外侧并与所述第二套筒连接，所述限位装置配置为具有下述单方向轴向运动特点：当所述医学用自给式主动轴向驱动装置放置在平台上，并且所述限位装置沿轴向运动时，如果所述限位装置沿预设方向运动，那么所述限位装置与平台之间的摩擦力很小，反之，如果所述限位装置沿所述预设方向的反方向运动，那么所述限位装置与平台之间的摩擦力很大；

其中，当所述医学用自给式主动轴向驱动装置进行单方向轴向运动时，所述两个壳体的所述空腔中缠绕的所述线圈采用轮流通电的方式进行工作。

在其中一个实施例中，所述限位装置与所述第二套筒通过胶粘接、销连接或键连接的方式连接。

在其中一个实施例中，所述第一可动部件的两个壳体均为单自由度壳体，该单自由度壳体具有一个环状空腔、内环壁和外环壁，所述线圈缠绕在所述环状空腔上，并且在该单自由度壳体的所述内环壁和所述外环壁上分别形成有内环磁极和外环磁极，使得所述医学用自给式主动轴向驱动装置可以实现单方向轴向运动；

在其中一个实施例中，所述第一可动部件的两个壳体均为三自由度壳体，该三自由度壳体的空腔内周向均匀设置有四个磁极，所述四个磁极分别沿+X、-X、+Y和-Y方向，所述四个磁极中的每个磁极都缠绕有一组线圈，使得所述医学用自给式主动轴向驱动装置可以实现单方向轴向运动、绕X方向的绕X方向和绕Y方向的偏转运动。

在其中一个实施例中，所述第一可动部件的两个壳体中的一个壳体为单自由度壳体，另一个壳体为三自由度壳体。

在其中一个实施例中，所述两个第一可动部件中的每个第一可动部件中的每组线圈中的电流均可以单独控制，从而实现所述第二可动部件的平移运动和偏转运动。

在其中一个实施例中，所述限位装置采用楔形截面结构。利用楔形截面结构的限位装置与接触表面的相对角度不同，实现正反方向摩擦力的控制，即正向运动时摩擦力远小于磁驱动力而实现前进，反向运动时摩擦力远大于磁驱动力而产生反向运动自锁从而实现限位。

上述医学用自给式主动轴向驱动装置利用第一可动部件和第二可动部件之间的间隙配合以及限位装置产生的单方向轴向运动作用，通过第一可动部件的两个壳体内的线圈的轮流通电，实现第一可动部件和第二可动部件的交替运动，从而实现整个装置的运动。

本发明的医学用自给式主动轴向驱动装置相比于现有技术的优点在于：本发明的装置体积很小，与现有小体积驱动装置相比，不需要体外磁场驱动装置而通过内部线圈通电产生的磁场作用力实现自给式主动运动；在驱动运动过程中。由于限位装置的存在，可以使得第一可动部件和第二可动部件产生连续同一方向驱动，保证了该装置的单方向运动，使得运动方向可控；当第一可动部件的壳体采用三自由度壳体时，还可以使得第二可动部件产生绕X方向或Y方向的偏转运动，使得自由度增加，大大增强了驱动装置的功能。

附图说明

图1为根据本发明的一个实施例的一种医学用自给式主动轴向驱动装置的结构示意图；

图2为根据本发明的一个实施例的三自由度壳体的结构示意图；

图3为根据本发明的另一个实施例的一种医学用自给式主动轴向驱动装置的结构示意图；

图4为根据本发明的又一个实施例的一种医学用自给式主动轴向驱动装置的结构示意图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图1为根据本发明的一个实施例的一种医学用自给式主动轴向驱动装置的结构示意图。如图1所示，该医学用自给式主动轴向驱动装置包括第一可动部件和第二可动部件。

第一可动部件包括：第一套筒1、两组线圈2以及左右两个圆环状的单自由度壳体3。两个单自由度壳体安装在第一套筒1的左右两端，两个单自由度壳体3的径向内侧分别与第一套筒1的外表面之间形成过盈配合。两个单自由度壳体3中的每一个单自由度壳体3均具有一个环状空腔、内环壁和外环壁，线圈(2)缠绕在该环状空腔上，并且在该单自由度壳体(3)的内环壁和外环壁上分别形成有内环磁极和外环磁极。

第二可动部件包括：左右两个圆环状的推力盘4、第二套筒5和限位装置6。两个推力盘4安装在第一套筒1的中部，两个推力盘4的径向内侧分别与所述第一套筒1的外表面之间形成间隙配合。第二套筒5嵌套安装在第一套筒1的径向外侧，并与第一套筒1之间形成间隙配合，此外，第二套筒5设置在两个推力盘4之间，连接两个推力盘4，并与两个推力盘4之间形成过盈配合。限位装置6设置在第二套筒5的径向外侧，与第二套筒5优选通过胶粘接、销连接或键连接的方式连接。限位装置6配置为具有下述单方向轴向运动特点：当医学用自给式主动轴向驱动装置放置在平台上，并且限位装置6沿轴向运动时，如果限位装置6沿预设方向(例如，左方向)运动，那么限位装置6与平台之间的摩擦力很小，反之，如果限位装置6沿预设方向的反方向(例如，右方向)运动，那么限位装置6与平台之间的摩擦力很大。

在本实施例中，整个医学用自给式主动轴向驱动装置在实现单方向轴向运动时，左端单自由度壳体3的空腔中缠绕的线圈2和右端单自由度壳体3的空腔中缠绕的线圈2采用轮流通电的方式进行工作。

在本实施例中，限位装置6采用楔形截面结构。该医学用自给式主动轴向驱动装置利用楔形截面结构的限位装置6与接触表面的相对角度不同，实现沿预设方向和沿预设方向的反方向的不同的摩擦力控制，即，当第二可动部件倾向于预设方向运动时受到的摩擦力远小于磁驱动力而实现前进，当第二可动部件倾向于预设方向的反方向运动时摩擦力远大于磁驱动力而产生反向运动自锁从而对第二可动部件进行限位。

以下举例说明该医学用自给式主动轴向驱动装置的工作方式：当第一可动部件左端的单自由度壳体中的线圈通电后，第一可动部件左端的单自由度壳体中的线圈产生的磁场对第二可动部件左侧的推力盘有吸引力的作用，由于第二可动部件的推力盘和第二套筒均与第一可动部件的第一套筒为间隙配合，因此，第二可动部件在第一套筒上沿轴向向左运动；当第一可动部件左端的单自由度壳体与第二可动部件左侧的推力盘接触时，给第一可动部件左端的单自由度壳体中的线圈断电，同时给第一可动部件右端的单自由度壳体中的线圈通电，这时，第一可动部件右端的单自由度壳体中的线圈产生的磁场对第二可动部件右侧的推力盘有吸引力的作用，由于限位装置的存在，第二可动部件无法向右运动，那么根据作用力反作用力的原理，第一可动部件将沿轴向向左运动；当第一可动部件右端的单自由度壳体与第二可动部件右侧的推力盘接触时，给第一可动部件右端的单自由度壳体中的线圈断电，同时给第一可动部件左端的单自由度壳体中的线圈通电，周而复始，便实现了整个装置的连续向左运动。

在优选的实施例中，为了实现第二部件的多自由度运动，上述的第一可动部件中的两个单自由度壳体可以用两个三自由度壳体替代。如图2所示，三自由度壳体3’的空腔内周向均匀设置有四个分别沿+X、-X、+Y和-Y方向的磁极7，每个磁极7都缠绕有一组线圈2。

图3为采用了具有两个三自由度壳体的第一可动部件的医学用自给式主动轴向驱动装置的结构示意图。如图3所示，当第一可动部件的壳体采用三自由度壳体时，如果要实现第二可动部件的平移运动时，那么其原理与第一可动部件采用单自由度壳体相同，即三自由度壳体中的四组线圈通入相同大小的电流便可以实现第二可动部件的平移运动。当需要第一可动部件实现第二可动部件绕X方向或Y方向的偏转运动时，那么应当分别单独给对三自由度壳体中的四个磁极上的线圈通电。例如，当需要第二可动部件沿X方向逆时针偏转，则应当对第一可动部件左端的三自由度壳体中的+Y方向的磁极上的线圈通电，同时对第一可动部件右端的三自由度壳体中的-Y方向的磁极上的线圈通电；当需要第二可动部件沿X方向顺时针偏转，则应当对第一可动部件左端的三自由度壳体中的-Y方向的磁极上的线圈通电，同时对第一可动部件右端的三自由度壳体中的+Y方向的磁极上的线圈通电；当需要第二可动部件沿Y方向逆时针偏转，则应当对第一可动部件左端的三自由度壳体中的+X方向的磁极上的线圈通电，同时对第一可动部件右端的三自由度壳体的-X方向的磁极上的线圈通电；当需要第二可动部件沿Y方向顺时针偏转，则应当对第一可动部件左端的三自由度壳体的-X方向的磁极上的线圈通电，同时对第一可动部件右端的三自由度壳体的+X方向的磁极上的线圈通电。

在本实施例中，该采用了具有两个三自由度壳体的第一可动部件的医学用自给式主动轴向驱动装置中的第一可动部件中的线圈的电流均单独进行控制，以实现第二可动部件的单方向轴向运动、绕X方向和绕Y方向的偏转运动，从而实现整个装置的单方向轴向运动、绕X方向和绕Y方向的偏转运动。

在其他实施例中，该医学用自给式主动轴向驱动装置的第一可动部件中的两个壳体可以同时采用单自由度壳体和三自由度壳体。例如，如图4所示，在本实施例中，第一可动部件左端的壳体采用了单自由度壳体3，右端的壳体采用了三自由度壳体3’。

在以上实施例中，该医学用自给式主动轴向驱动装置的第一可动部件的单自由度壳体3、三自由度壳体3’、第一套筒1，以及第二可动部件的推力盘4和第二套筒5均由导磁性能良好的材料制成，例如，由电工纯铁、各种碳素钢、铸铁、铸钢、合金钢、1J50或1J79等磁性材料制成。线圈2可用导电良好的电磁线绕制后浸漆烘干而成。第一可动部件和第二可动部件之间的气隙一般设计为约1.5mm～2.5mm，整个装置的运动步长一般设计为约1mm～2mm。

本说明书中未作详细说明描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，在此不再赘述。

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 (9)

1.一种医学用自给式主动轴向驱动装置，包括第一可动部件和第二可动部件，其特征在于，所述第一可动部件包括：

第一套筒(1)；

线圈(2)；以及

两个圆环状的壳体，所述两个壳体安装在所述第一套筒(1)的左右两端，所述两个壳体的径向内侧分别与所述第一套筒(1)的外表面之间形成过盈配合，所述两个壳体中的每一个壳体均具有空腔，所述线圈(2)分别缠绕在所述两个壳体的所述空腔中；

所述第二可动部件包括：

两个圆环状的推力盘(4)，所述两个推力盘(4)安装在所述第一套筒(1)的中部，所述两个推力盘(4)的径向内侧分别与所述第一套筒(1)的外表面之间形成间隙配合；

第二套筒(5)，所述第二套筒(5)嵌套安装在所述第一套筒(1)的径向外侧，并与所述第一套筒(1)之间形成间隙配合，所述第二套筒(5)设置在所述两个推力盘(4)之间，连接所述两个推力盘(4)，并与所述两个推力盘(4)之间形成过盈配合；以及

限位装置(6)，所述限位装置(6)设置在所述第二套筒(5)的径向外侧并与所述第二套筒(5)连接，所述限位装置(6)配置为具有下述单方向轴向运动特点：当所述医学用自给式主动轴向驱动装置放置在平台上，并且所述限位装置(6)沿轴向运动时，如果所述限位装置(6)沿预设的方向运动，那么所述限位装置(6)与平台之间的摩擦力很小，反之，如果所述限位装置(6)沿所述预设方向的反方向运动，那么所述限位装置(6)与平台之间的摩擦力很大；

其中，当所述医学用自给式主动轴向驱动装置进行单方向轴向运动时，所述两个壳体的所述空腔中缠绕的所述线圈(2)采用轮流通电的方式进行工作。

2.根据权利要求1所述的医学用自给式主动轴向驱动装置，其特征在于，所述限位装置(6)与所述第二套筒(5)通过胶粘接、销连接或键连接的方式连接。

3.根据权利要求1所述的医学用自给式主动轴向驱动装置，其特征在于，所述第一可动部件的壳体配置为单自由度壳体(3)，该单自由度壳体(3)具有一个环状空腔、内环壁和外环壁，所述线圈(2)缠绕在所述环状空腔上，并且在该单自由度壳体(3)的所述内环壁和所述外环壁上分别形成有内环磁极和外环磁极。

4.根据权利要求3所述的医学用自给式主动轴向驱动装置，其特征在于，所述第一可动 部件的壳体还配置为三自由度壳体(3’)，该三自由度壳体的空腔内周向均匀设置有四个磁极(7)，所述四个磁极(7)分别沿+X、-X、+Y和-Y方向，所述四个磁极中的每个磁极(7)都缠绕有一组线圈(2)。

5.根据权利要求3所述的医学用自给式主动轴向驱动装置，其特征在于，所述第一可动部件的两个壳体均配置为所述单自由度壳体(3)，所述医学用自给式主动轴向驱动装置能够实现单方向轴向运动。

6.根据权利要求4所述的医学用自给式主动轴向驱动装置，其特征在于，所述第一可动部件的两个壳体均配置为所述三自由度壳体(3’)，所述医学用自给式主动轴向驱动装置能够实现单方向轴向运动、绕X方向和绕Y方向的偏转运动。

7.根据权利要求4所述的医学用自给式主动轴向驱动装置，其特征在于，所述第一可动部件的两个壳体中的一个壳体配置为所述单自由度壳体(3)，另一个壳体配置为所述三自由度壳体(3’)。

8.根据权利要求6或7所述的医学用自给式主动轴向驱动装置，其特征在于，所述两个第一可动部件中的每个第一可动部件中的每组线圈(2)中的电流均能够单独控制，从而实现所述第二可动部件的平移运动和偏转运动。

9.根据权利要求1到7中任意一项所述的医学用自给式主动轴向驱动装置，其特征在于，所述限位装置(6)采用楔形截面结构。