CN109223099A - 一种基于巨电流变液的多模态血管机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于巨电流变液的多模态血管机器人，该血管机器人包括机身本体、通过转动关节均匀布置在机身本体的手爪、以及设置在机身本体内部的变量泵、超声电机、微型电机；手爪、转动关节均为空腔结构；手爪的腔体内设置有穿过转动关节与变量泵连通的通道；转动关节的前部包括多个相同的第一半圆柱台，后部包括多个相同的第二半圆柱台，且相邻两个第一半圆柱台之间、相邻两个第二半圆柱台之间均存在间隙；转动关节的腔体内和手爪的腔体内均填充有巨电流变液。本发明将巨电流变液利用在血管机器人中，简化了转动关节的结构，增强了手爪的支撑强度，增加了血管机器人的工作模态，使其具有疏通血栓，清除动脉脂肪沉积物、支撑血管等功能。

Description

一种基于巨电流变液的多模态血管机器人

技术领域

本发明涉及新型智能材料和血管机器人技术领域，特别涉及一种基于巨电流变液的多模态血管机器人。

背景技术

血管机器人是一种可以进入血管并能够在血管内自由移动的微型机器人,它可以在血管里完成清除血栓、切除肿瘤、投放药物等工作，对防治心血管疾病具有重要的意义，是当前国内外微型机器人研究领域的热点。

目前，世界上已研发出多款血管机器人，例如韩国研究人员开发出一种可在血管内自由移动并清除血栓的“血管机器人”，这种机器人依靠外部磁场驱动，每秒旋转20到30次，可以在冠状动脉、大静脉和大动脉等粗血管内自由移动，并旋转疏通堵塞的血管。又如以色列科学家研发出一种直径1毫米、长4毫米血管机器人，这种机器人的动力来源于外部磁场激发振动，它带有机械手，可以抓住血管内壁“爬行”，也可以在血管中“游泳”，还可作为投送药物的工具用于微创手术以及治疗癌症近接疗法中。此外瑞典、美国、德国等也研制出各种血管机器人样机。我国在血管机器人方面也作了较多研究，例如一种清理血栓的血管机器人，其微型机器人本身相当于一个泵，在外界磁场的作用下，该泵即可以进行吸喷血液的工作，也可向前蠕动，既保证了微型机器人能长时间在血管内从事血栓清理工作。然而，相似的血管机器人仍然存在体积较大，堵塞血管，功能单一，利用单一的泵来清理血管壁，清洁效率较低等问题。

发明内容

基于以上问题所提到的问题，本发明提出一种质量体积小、结构简单且基于巨电流变液的多模态血管机器人。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于巨电流变液的多模态血管机器人，所述多模态血管机器人包括机身本体和四个相同的手爪；

所述机身本体为胶囊形空腔结构；所述机身本体包括依次连接的头部、第一中部、旋转部、第二中部和尾部；所述机身本体内部设置有变量泵、超声电机以及微型电机；所述微型电机与所述尾部的螺旋桨相连以驱动所述血管机器人在血管中流动；

所述手爪为类圆锥形空腔结构；所述手爪的顶部开设有通孔；所有所述手爪的底部均通过转动关节与所述旋转部连接；所述手爪的腔体内设置有通道；所述通道的一端为所述通孔，所述通道的另一端穿过所述转动关节、所述旋转部与所述变量泵连通；所述超声电机与所述旋转部相连以驱动所述旋转部旋转进而带动所述手爪进行旋转运动；

所述转动关节为类圆柱形空腔结构；所述转动关节分割成两个部分，为前部和后部；所述前部包括多个相同的第一半圆柱台，所有所述第一半圆柱台均固定在所述转动关节的腔体的内壁上，且相邻两个所述第一半圆柱台之间存在间隙；所述后部包括多个相同的第二半圆柱台，所有所述第二半圆柱台固定在所述转动关节的腔体的内壁上，且相邻两个所述第二半圆柱台之间存在间隙；

所述转动关节的腔体内填充有巨电流变液；所述手爪的腔体内填充有巨电流变液。

可选的，所述机身本体的头部的外壁上设置有微型摄像机；所述微型摄像机用于获取血管中的情况，实时将拍摄提供视频影像传输至医疗人员，还通过所述微型摄像机的拍摄的视频影像控制血管机器人到达指定工作区域。

可选的，所述手爪的顶部还设置有可伸缩的抓持器和清洁刷，且所述抓持器和所述清洁刷交叉分布在所述通孔的周围区域；工作时，所述抓持器和所述清洁刷从所述手爪内部伸出。

可选的，所述手爪和所述转动关节均匀布置在所述转动部上。

可选的，所述第一半圆柱台的厚度大于所述第二半圆柱台的厚度。

可选的，相邻两个所述第一半圆柱台的间隙均相等；相邻两个所述第二半圆柱台的间隙均相等。

可选的，相邻两个所述第一半圆柱台的间隙小于相邻两个所述第二半圆柱台的间隙。

可选的，所述第一半圆柱台的个数与所述第二半圆柱台的个数相等。

可选的，所述第一半圆柱台与所述第二半圆柱台的个数均为5个。

可选的，所述头部和所述尾部均为一端开口的半椭圆形空腔结构；所述第一中部、所述旋转部、所述第二中部均为两端开口的圆柱形空腔结构；所述头部与所述第一中部、所述第二中部与所述尾部均为固定连接；所述第一中部与所述旋转部、所述第二中部与所述旋转部均为活动连接。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种基于巨电流变液的多模态血管机器人，该多模态血管机器人包括机身本体、通过转动关节均匀布置在机身本体的手爪、以及设置在机身本体内部的变量泵、超声电机、微型电机；机身本体、手爪、转动关节均为空腔结构；手爪的腔体内设置有穿过转动关节与变量泵连通的通道；转动关节的前部包括多个相同的第一半圆柱台，且相邻两个第一半圆柱台之间存在间隙；转动关节的后部包括多个相同的第二半圆柱台，且相邻两个第二半圆柱台之间存在间隙；转动关节的腔体内和手爪的腔体内均填充有巨电流变液；微型电机与机身本体尾部的螺旋桨相连以驱动血管机器人在血管中流动；超声电机与机身本体的旋转部相连以驱动旋转部旋转进而带动手爪进行旋转运动。本发明首次将巨电流变液这种新型智能材料利用在血管机器人中，简化了转动关节的结构，增强了手爪的支撑强度，增加了血管机器人的工作模态，应用本发明提供的多模态血管机器人不仅能够疏通血栓，清除动脉脂肪沉积物，还能够支撑血管，且利用巨电流变液的特点控制手爪的伸缩，避免了传统转动机构体积较大，结构复杂等缺陷。因此，本发明具有选用的智能材料新颖，血管机器人功能丰富，转动关节结构简单，手爪刚度大，清洁血管效率高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例基于巨电流变液的多模态血管机器人的立体示意图；

图2为本发明实施例基于巨电流变液的多模态血管机器人的内部示意图；

图3为本发明实施例基于巨电流变液的多模态血管机器人的转台带动手爪展开示意图；

图4为本发明实施例基于巨电流变液的多模态血管机器人的转台带动手爪收缩示意图；

图5为本发明实施例血管机器人手爪收拢巡航的示意图；

图6为本发明实施例血管机器人手爪展开、夹持器伸出支撑血管的示意图；

图7为本发明实施例血管机器人手爪展开、清洁刷伸出清洁血管的示意图。

其中：1、微型摄像机，2、胶囊形外壳，3、转动关节，4、手爪，5、转动台，6、变量泵，7、超声电机，8、微型电机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电流变液(electrorheological fluid,ERF)作为一种新型智能材料，有着鲜明的特点与优势，其随电场强度变化的流变特性意味着其拥有广阔的市场前景。

电流变液是一类液体的总称，该胶体的黏度会随着电场强度的增强而显著增大，当电场增大到一个阈值，该胶体的流变特性就会发生改变.这一过程十分迅速，通常发生在几毫秒的过程内，并且转变过程具有可逆性。这也就意味着电流变液的流变特性会随着电场的变化而发生变化。在不加外加电场时，流体呈现出牛顿流体的特性，但是在外电场强度足够高时，能够转变成“弹性固体”，对外呈现出宾汉流体的性质。在20世纪40年代Winslow用面粉和石灰分散在硅油矿物油中制出了电流变液并发现了电流变效应。

基于背景技术中所提到的问题，结合上述所提到的新型智能材料，本发明的目的是提出一种质量、体积较小，结构简单，且基于巨电流变液的多模态血管机器人。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明旨在利用新型智能材料-巨电流变液，作为其手爪和转动关节的关键材料，有效的简化了转动机构，提升了手爪的刚度，克服传统机器人功能局限等缺陷。因此，该血管机器人具有功能丰富，转动关节结构简单，手爪刚度大，清洁血管效率高等优点。

图1是本发明实施例基于巨电流变液的多模态血管机器人的立体示意图；图2为本发明实施例基于巨电流变液的多模态血管机器人的内部示意图。

参见图1和图2所示，本发明实施例提供的基于巨电流变液的多模态血管机器人包括微型摄像头1、机身本体2、四个转动关节3、四个手爪4、变量泵6、超声电机7、微型电机8、巨电流变液。

所述机身本体1为胶囊形空腔结构；所述机身本体1包括依次连接的头部、第一中部、旋转部5、第二中部和尾部；所述机身本体内部设置有变量泵6、超声电机7以及微型电机8；所述微型电机8与所述尾部的螺旋桨相连以驱动所述血管机器人在血管中流动。

所述手爪4为类圆锥空腔结构，目的是为了减小血管机器人在血液中游动的阻力；所述手爪4的顶部开设有通孔；所述手爪4的底部通过转动关节3与所述旋转部5连接；所述手爪4的内部设置有通道；所述通道的一端为所述通孔，所述通道的另一端穿过所述转动关节3、所述旋转部5与所述变量泵6连通；所述超声电机7与所述旋转部5相连以驱动所述旋转部5旋转进而带动所述手爪4旋转。

所述手爪4顶部安放有可伸缩的抓持器和清洁刷，其余部分充满巨电流变液，即所述手爪的腔体内，除了所述通道之外，均填充有巨电流变液。

所述抓持器和所述清洁刷交叉分布在所述通孔的周围区域；工作时，所述抓持器和所述清洁刷从所述手爪4内部伸出。

所述转动关节5分为前后两个部分，且内部分别充满巨电流变液；所述转动关节5为类圆柱形空腔结构；所述转动关节5分割成两个部分，为前部和后部；所述前部包括多个相同的第一半圆柱台，且所述第一半圆柱台固定在所述转动关节5的内壁上；所述后部包括多个相同的第二半圆柱台，且所述第二半圆柱台固定在所述转动关节5的内壁上；所述第一半圆柱台的厚度大于所述第二半圆柱台的厚度，相邻两个所述第一半圆柱台的间隙小于相邻两个所述第二半圆柱台的间隙；

为了方便描述转动关节4的运动形式，将前部的多个第一半圆柱台用A，B，C，D，E表示，后部的多个第二半圆柱台用F，G，H，I，K表示。每部分的半圆柱台大小都是一样的，且相邻两个半圆柱台的间隙是一样的。前部的第一半圆柱台和后部的第二半圆柱台有一定区别，A，B，C，D，E这五个半圆柱台的较厚且相邻两个半圆柱台的间隙较小，F，G，H，I，K这五个半圆柱台较薄且相邻两个半圆柱台的间隙较大。

下面具体介绍转动关节5的工作原理：如图3所示，给F，G，H，I，K这五个半圆柱台施加电场，A，B，C，D，E这五个半圆柱台未施加电场，此时内部的巨电流变液在通电后有液相转变为固相并膨胀，使F，G，H，I，K这五个半圆柱台之间相互挤压，抬起手爪4。如图4所示，为了使手爪4收拢，去掉F，G，H，I，K这五个半圆柱台施加的电场的，同时对A，B，C，D，E这五个半圆柱台施加电场，由于A，B，C，D，E这五个半圆柱台间隙较小，当施加电场时内部的巨电流变液由液相转变为固相使其体积变大，A，B，C，D，E这五个半圆柱台相互的挤压力更大使手爪4向中间轴弯曲，再依靠外界血液流的剪切力，转动关节3向后弯曲使手爪4收拢。

所述微型摄像机1用于观察血管中的情况，及时将拍摄视频影像提供医疗人员做研究分析，也可以通过微型摄像机1提供的数据准确控制血管机器人到达指定工作区域。

上述血管机器人中，所述头部和所述尾部均为一端开口的半椭圆形空腔结构。所述第一中部、所述旋转部、所述第二中部均为两端开口的圆柱形空腔结构。所述头部与所述第一中部、所述第二中部与所述尾部均为固定连接；所述第一中部与所述旋转部、所述第二中部与所述旋转部均为活动连接。

上述血管机器人中，四个所述手爪4和四个所述转动关节3呈90°均匀分布在旋转部5上。

上述血管机器人中，四个所述手爪均相同，四个所述转动关节3也完全相同。

上述血管机器人中，所述手爪4中充满电流变液，当施加电场时手爪刚度变大。

上述血管机器人中，所述转动关节3充满电流变液，且分成前后两个部分，对前部施加电场时，巨电流变液迅速变为固态体积变大，引起前部半圆柱台间发生相互挤压，加上外界血液流动的剪切力使得手爪4收拢。当对后部施加电场时，后部半圆柱台间发生挤压，使得手爪4展开。

上述血管机器人中，所述变量泵6在工作时吸取清洁下来的血栓等。

上述血管机器人中，所述超声电机7带动旋转部5的旋转，便于疏通血栓，清除动脉脂肪沉积物等。

上述血管机器人中，所述微型电机8控制血管机器人在血管网络中漫游，进行巡逻和检查。

通过控制施加在转动关节3上的电场，利用巨电流变液的液相-固相转变体积变大，使转动关节3发生前后转动，带动手爪4展开或收缩，通过控制施加在手爪4上的电场强度手爪的刚度会发生变化，当展开时便于支撑血管或清洁血管。

依据图3和图4转动关节的原理血管机器人的工作模态如下：

工作模态Ⅰ：如图5所示，对转动关节3内的A，B，C，D，E这五个半圆柱台施加电场，巨电流变液迅速变成固体并膨胀，依靠A，B，C，D，E这五个半圆柱台间的相互挤压以及血流的剪切力使未施加电场的手爪4收拢，此时在微型电机8的带动下，血管机器人在血管网络中漫游，进行巡逻和检查，通过微型摄像机1拍摄的相片分析血管内部的组织，能尽早发现异常细胞，完成早期诊断工作。

工作模态Ⅱ：如图6所示，通过血管机器人前端的微型摄像头1，如发现在病变段需置入支架以达到支撑狭窄闭塞段血管，减少血管弹性回缩，保持管腔血流通畅的时，通过对微型电机8的控制使血管机器人移动到支撑处，去掉转动关节3内的A，B，C，D，E这五个半圆柱台施加的电场，A，B，C，D，E这五个半圆柱台中的巨电流变液迅速由固态转变为液态，同时对转动关节3后部中的F，G，H，I，K这五个半圆柱台施加电场，F，G，H，I，K这五个半圆柱台中的巨电流变液迅速由液态转变为固态，F，G，H，I，K这五个半圆柱台迅速膨胀，相互之间发生挤压，使手爪4展开支撑血管，手爪4顶部的抓持器伸出，抓持住血管壁，给手爪4中的巨电流变液施加电场，手爪4刚度提升，提升支撑血管强度。

工作模态Ⅲ：如图7所示，清理血管壁时，对转动关节3后部的F，G，H，I，K这五个半圆柱台施加电场，F，G，H，I，K这五个半圆柱台中的巨电流变液迅速由液态转变为固态，F，G，H，I，K这五个半圆柱台迅速膨胀，相互之间发生挤压，使手爪4展开，给手爪4中的巨电流变液施加电场，手爪4刚度提升，并伸出手爪顶部的清洁刷，此时超声电机8工作，并带动旋转部5，与之相连的转动关节3、手爪4也随之旋转，利用手爪4顶部的清洁刷疏通血栓，清除动脉脂肪沉积物等，开启变量泵6，清理出的沉积物等经过手爪内部的通道被吸入到血管机器人的内部并储存起来，通过控制转动关节3后部电场的大小，调节手爪4整体转动的角度，启动微型电机8对清洁区域做连续的清理。

本发明血管机器人具有以下几个特点：

通过利用了新型智能材料，克服了传统刚性手爪质量较大、传统弹性手爪刚度不足的缺陷。

通过利用新型智能材料-巨电流变液设计出的转动关节，使转动关节结构简单，控制方便，克服了传统转动机构结构复杂、所需驱动较多，结构较大等缺陷。

通过采用超声电机，利用其推重比较大，不受磁场干扰的特点，在清理血管时能够有效的带动手爪旋转疏通血栓，清除动脉脂肪沉积物等，清洁效率高。

血管机器人具有三种工作模态，能实现自动巡逻和检查，支撑血管，疏通血栓和清除动脉脂肪沉积物的功能，较以往的血管机器人功能更为强大。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于巨电流变液的多模态血管机器人，其特征在于，所述多模态血管机器人包括机身本体和四个相同的手爪；

所述机身本体为胶囊形空腔结构；所述机身本体包括依次连接的头部、第一中部、旋转部、第二中部和尾部；所述机身本体内部设置有变量泵、超声电机以及微型电机；所述微型电机与所述尾部的螺旋桨相连以驱动所述血管机器人在血管中流动；

所述手爪为类圆锥形空腔结构；所述手爪的顶部开设有通孔；所有所述手爪的底部均通过转动关节与所述旋转部连接；所述手爪的腔体内设置有通道；所述通道的一端为所述通孔，所述通道的另一端穿过所述转动关节、所述旋转部与所述变量泵连通；所述超声电机与所述旋转部相连以驱动所述旋转部旋转进而带动所述手爪进行旋转运动；

所述转动关节为类圆柱形空腔结构；所述转动关节分割成两个部分，为前部和后部；所述前部包括多个相同的第一半圆柱台，所有所述第一半圆柱台均固定在所述转动关节的腔体的内壁上，且相邻两个所述第一半圆柱台之间存在间隙；所述后部包括多个相同的第二半圆柱台，所有所述第二半圆柱台固定在所述转动关节的腔体的内壁上，且相邻两个所述第二半圆柱台之间存在间隙；

所述转动关节的腔体内填充有巨电流变液；所述手爪的腔体内填充有巨电流变液。

2.根据权利要求1所述的多模态血管机器人，其特征在于，所述机身本体的头部的外壁上设置有微型摄像机；所述微型摄像机用于获取血管中的情况，实时将拍摄提供视频影像传输至医疗人员，还通过所述微型摄像机的拍摄的视频影像控制血管机器人到达指定工作区域。

3.根据权利要求1所述的多模态血管机器人，其特征在于，所述手爪的顶部还设置有可伸缩的抓持器和清洁刷，且所述抓持器和所述清洁刷交叉分布在所述通孔的周围区域；工作时，所述抓持器和所述清洁刷从所述手爪内部伸出。

4.根据权利要求1所述的多模态血管机器人，其特征在于，所述手爪和所述转动关节均匀布置在所述转动部上。

5.根据权利要求1所述的多模态血管机器人，其特征在于，所述第一半圆柱台的厚度大于所述第二半圆柱台的厚度。

6.根据权利要求1所述的多模态血管机器人，其特征在于，相邻两个所述第一半圆柱台的间隙均相等；相邻两个所述第二半圆柱台的间隙均相等。

7.根据权利要求6所述的多模态血管机器人，其特征在于，相邻两个所述第一半圆柱台的间隙小于相邻两个所述第二半圆柱台的间隙。

8.根据权利要求1所述的多模态血管机器人，其特征在于，所述第一半圆柱台的个数与所述第二半圆柱台的个数相等。

9.根据权利要求8所述的多模态血管机器人，其特征在于，所述第一半圆柱台与所述第二半圆柱台的个数均为5个。

10.根据权利要求1所述的多模态血管机器人，其特征在于，所述头部和所述尾部均为一端开口的半椭圆形空腔结构；所述第一中部、所述旋转部、所述第二中部均为两端开口的圆柱形空腔结构；所述头部与所述第一中部、所述第二中部与所述尾部均为固定连接；所述第一中部与所述旋转部、所述第二中部与所述旋转部均为活动连接。