CN109303541B - 一种主动式结肠微型机器人结构及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式结肠微型机器人结构及其工作方法。主动式结肠微型机器人结构包括轴向行走机构、对称柔性连接于轴向行走机构两端的两个径向扩张机构，轴向行走机构包括行走壳体，设置在行走壳体内的行走电池、行走电机、电机驱动器、丝杠螺母机构A、行走装置，径向扩张机构包括扩张壳体、设置在扩张壳体内的扩张电池、扩张电机、丝杠螺母机构B、扩张装置，所述电机驱动器与所述行走电机和所述扩张电机电连接。轴向行走机构通过行走电机驱动行走装置实现行走动作，径向扩张机构通过扩张电机驱动扩张装置实现扩张动作。本发明结构简单、控制简单，成本低，性能可靠，能够方便地实现前进、后退、驻留、转弯等动作。

Description

一种主动式结肠微型机器人结构及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种结肠微型机器人结构，特别是一种主动式结肠微型机器人结构，属于医疗器械技术领域。本发明还涉及该主动式结肠微型机器人结构的工作方法。

背景技术

现代快速的生活节奏改变了传统饮食结构，加之环境污染、食品安全等一系列问题的出现，世界上消化道疾病的发病率正以每年2％的速度上升，而我国消化道疾病的发病率增速是世界水平的两倍，消化道疾病是一种常见的多发病，发病率占世界总人口的10％～20％，值得注意的是消化道疾病的癌变率较高，最为常见的是结肠息肉向结肠癌的转变。结肠癌是结肠粘膜上皮在环境或遗传等多种致癌因素作用下发生的恶性病变，是最常见的消化道恶性肿瘤之一。结肠癌死亡率较高，在我国发病率与死亡率仅低于胃癌、食管癌和肺癌。

目前，传统内窥镜是最常见肠道疾病诊疗装置，虽然能可靠地对常见肿瘤(如肠息肉、结肠癌等)进行及时诊断，但其插入式操作不仅会使病人承受巨大的痛苦，而且有可能引起诸多并发症。胶囊内窥镜作为一种可吞服肠道疾病诊断装置，具有胶囊级的微小体积，能够无线传输体内消化道图像，最后通过肠道的生理蠕动排出体外，但其被动的运动过程无法对病灶点进行主动诊断，容易出现“漏诊”现象。

主动式结肠微型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。

根据对现有的技术检索发现，文献号为CN103211564A的中国专利文献，公开了一种用于胃肠道检测的微型机器人，包括轴向伸缩机构、头部径向钳位机构和尾部径向钳位机构，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。但其扩张能力有限，且结构复杂，径向钳位机构的钳位能力有限，在肠道中使用范围有限，无法应用于结肠的诊疗中。

文献号为CN104783752A的中国专利文献，公布了一种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。该发明结构复杂，虽能提供大变径比但钳位能力不足，稳定性不足，且转弯能力有待提高。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种结构简单、能够在人体结肠内前进、后退、驻留及稳定性高、转弯能力强的新型的主动式结肠微型机器人结构。

本发明是通过如下技术方案来实现的：一种主动式结肠微型机器人结构，其特征是：包括轴向行走机构、对称柔性连接于所述轴向行走机构两端的两个径向扩张机构，两个所述径向扩张机构相反设置，所述轴向行走机构包括行走壳体，设置在所述行走壳体内的行走电池、行走电机、电机驱动器、丝杠螺母机构A、行走装置，所述行走电机固定安装在所述行走壳体内，所述行走电池与所述行走电机电连接，所述行走电机的输出轴与所述丝杠螺母机构A的丝杠的一端连接，在所述丝杠螺母机构A的丝杠两端分别套装有套筒A和套筒B，所述行走装置包括行走连杆机构、行走主动连杆，所述行走连杆机构的一端与所述套筒A和套筒B铰接，所述行走主动连杆的两端分别与所述丝杠螺母机构A的丝母和所述行走连杆机构铰接，所述行走连杆机构的另一端铰接有行走足，所述行走连杆机构自所述行走壳体上设置的槽伸出所述行走壳体，所述行走足位于所述行走壳体的外部，所述径向扩张机构包括扩张壳体、设置在所述扩张壳体内的扩张电池、扩张电机、丝杠螺母机构B、扩张装置，所述扩张电机固定安装在所述扩张壳体内，所述扩张电池与所述扩张电机电连接，所述扩张电机的输出轴与所述丝杠螺母机构B的丝杠的一端连接，在所述丝杠螺母机构B的丝杠的另一端套装有套筒C，所述扩张装置包括扩张主动连杆、扩张被动连杆，所述扩张被动连杆的一端与所述套筒C铰接，所述扩张主动连杆的两端分别与所述丝杠螺母机构B的丝母和所述扩张被动连杆铰接，在所述扩张被动连杆的另一端铰接有扩张足，所述扩张被动连杆自所述扩张壳体上设置的槽伸出所述扩张壳体，所述扩张足位于所述扩张壳体外部，所述电机驱动器与所述行走电机和所述扩张电机电连接。

本发明中，行走电池用于给行走电机供能，轴向行走机构通过行走电机驱动丝杠螺母机构带动行走主动连杆动作，通过行走主动连杆带动行走连杆机构、行走足左右摆动，实现行走动作。扩张电池用于给扩张电机供能，径向扩张机构通过扩张电机驱动丝杠螺母机构带动扩张主动连杆动作，通过扩张主动连杆带动扩张被动连杆展开或闭合，实现扩张动作。通过电机驱动器对行走电机和两个扩张电机进行控制。

进一步的，为保证轴向行走机构的走行稳定性，所述行走装置为三个，互成120°沿圆周方向分布。

进一步的，为保证径向扩张机构的稳定性，所述扩张装置为三个，互成120°沿圆周方向分布。

进一步的，为保证行走状态，所述行走电机和两个所述扩张电机同轴设置。

进一步的，所述轴向行走机构与两个所述径向扩张机构之间通过波纹管连接。

进一步的，为减小机器人长度，所述电机驱动器位于所述丝杠螺母机构A的丝杠的尾端位置。

进一步的，为便于安装及保证整体结构的稳定性及可靠性，所述行走电池通过与其连接的行走电池挡板与所述行走壳体固定连接，所述行走电机通过与其连接的行走电机挡板与所述行走壳体固定连接，所述行走电池位于所述行走电机的后端；所述扩张电池通过与其连接的扩张电池挡板与所述扩张壳体固定连接，所述扩张电机通过与其连接的扩张电机挡板与所述扩张壳体固定连接，所述扩张电池位于所述扩张电机的后端。

进一步的，为便于连接，所述行走电池挡板、所述行走电机挡板均通过螺纹连接与所述行走壳体连接，所述扩张电池挡板、所述扩张电机挡板均通过螺纹连接与所述扩张壳体连接。

进一步的，为保护结肠不因机器人运动受到物理损伤，所述行走足为椭球状的瓦片结构，所述扩张足为长方体结构。行走足采用椭球状的瓦片结构，能够与结肠道充分接触，便于行走，并可避免在行走时伤害肠道。扩张足采用长方体形状，能够适应结肠黏滑的外部环境，增加与肠道的接触面积，并且无尖角接触，可保护肠壁。

本发明还提供了一种上述的主动式结肠微型机器人结构的工作方法，其采用如下技术方案：机器人结构向前运动时，控制位于首部的径向扩张机构扩张，位于尾部的径向扩张机构闭合，轴向行走机构的扩张半径小于首部的径向扩张机构的扩张半径，使结肠与机器人结构成梯形状接触，然后控制轴向行走机构向后摆动挤压垮塌并堆积在尾部的径向扩张机构和轴向行走机构之间的结肠获得向前的力，实现前进；机器人结构向后运动时，控制位于尾部的径向扩张机构扩张，位于首部的径向扩张机构闭合，轴向行走机构的扩张半径小于位于尾部的径向扩张机构的扩张半径，使结肠与机器人成梯形状接触，然后控制轴向行走机构向前摆动挤压垮塌并堆积在位于首部的径向扩张机构和轴向行走机构之间的结肠获得向后的力，实现后退；机器人结构驻留时，控制位于首部的径向扩张机构和位于尾部的径向扩张机构展开，实现驻留。

本发明的有益效果是：本发明通过采用特殊结构设计的轴向行走机构和径向扩张机构，通过控制不同的驱动装置来驱动轴向行走机构以及径向扩张机构进行不同的动作，可以实现在结肠道内主动式运行，可实现前进、后退、驻留等动作。本发明中所采用的径向扩张机构，其扩张能力大，扩张动作能够得到精确控制，有助于对机器人结构在肠道内的走行进行控制，且结构简单；本发明中所采用的轴向行走机构，其结构简单，动作可靠，稳定性高。此外，本发明中的轴向行走机构和两个径向扩张机构之间相对独立并采用柔性连接的结构设计，使得本发明具有优良的转弯性能，能够更好地适应结肠道内的环境。本发明结构简单、控制简单，成本低，性能可靠，能够很好的适应人体结肠道环境，能够方便地实现前进、后退、驻留、转弯等动作，弥补了传统的内窥镜以及胶囊内窥镜的不足，具有很高的实用性。

附图说明

图1是本发明的总装结构示意图；

图2是本发明的内部结构示意图；

图3是本发明中的径向扩张机构的主视图(去掉扩张壳体后)；

图4是图3的右视图；

图5是本发明中的轴向行走机构的主视图(去掉行走壳体后)；

图6是图5的右视图；

图7是本发明的运动示意图；

图中，1、3为径向扩张机构；1-1、扩张电池；1-2扩张电机；1-3扩张电机挡板；1-4、联轴器；1-5、丝杠螺母机构B的丝杠；1-6、扩张足；1-7、扩张被动连杆；1-8、扩张主动连杆；1-9、套筒C；1-10、丝杠螺母机构B的丝母；1-11、扩张电池挡板；1-12、扩张壳体；

2、轴向行走机构；2-1、行走电池；2-2、行走电机；2-3、行走电机挡板；2-4、联轴器；2-5、套筒A；2-6、行走连杆机构；2-7、行走足；2-8、电机驱动器；2-9、套筒B；2-10、丝杠螺母机构A的丝杠；2-11、丝杠螺母机构A的丝母；2-12、行走主动连杆；2-13、行走电池挡板；2-14、行走壳体；

4、波纹管。

具体实施方式

下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：

如附图所示，一种主动式结肠微型机器人结构，其包括轴向行走机构2、对称柔性连接于所述轴向行走机构2首、尾两端的两个径向扩张机构1、3，两个所述径向扩张机构相反设置。本实施例中，优选所述轴向行走机构2与两个所述径向扩张机构1和3之间通过波纹管4连接。所述轴向行走机构2包括行走壳体2-14，设置在所述行走壳体2-14内的行走电池2-1、行走电机2-2、电机驱动器2-8、丝杠螺母机构A、行走装置。所述行走电机2-2通过设置在其前部的行走电机挡板2-3固定安装在所述行走壳体2-14内。所述行走电池2-1设置在行走电机2-2的后端，所述行走电池2-1通过与其连接的行走电池挡板2-13与行走壳体2-14固定安装在一起，行走电池2-1与行走电机2-2电连接，向行走电机2-2供能。所述行走电机的输出轴通过联轴器2-4与所述丝杠螺母机构A的丝杠2-10的一端连接。在所述丝杠螺母机构A的丝杠2-10的两端分别套装有套筒A2-5和套筒B2-9，丝杠螺母机构A的丝杠2-10的前、后两段为光滑表面，中部为螺纹，套筒A、套筒B均与丝杠的光滑面连接，丝杠2-10可以在套筒内转动，丝杠2-10上设置轴向定位机构例如轴肩、轴挡等，以限制套筒A、套筒B轴向移动。所述行走装置包括行走连杆机构2-6、行走主动连杆2-12，所述行走连杆机构2-6的一端与所述套筒A2-5和套筒B2-9铰接，所述行走主动连杆2-12的两端分别与所述丝杠螺母机构A的丝母2-11和所述行走连杆机构2-6铰接，所述行走连杆机构2-6的另一端铰接有行走足2-7。所述行走连杆机构2-6自所述行走壳体2-14上设置的槽伸出所述行走壳体2-14，行走壳体2-14上设置的槽便于行走连杆机构摆动，及使得丝杠螺母机构A的丝母2-11不随丝杠2-10转动。所述行走足2-7位于所述行走壳体2-14的外部。所述行走足2-7优选为椭球状的瓦片结构。本实施例中，所述行走装置为三个，互成120°沿圆周方向分布。两个所述径向扩张机构1和3的结构相同，设置方向相反，均包括扩张壳体1-12、设置在所述扩张壳体1-12内的扩张电池1-1、扩张电机1-2、丝杠螺母机构B、扩张装置。所述扩张电机1-2通过设置在前部的扩张电机挡板1-3固定安装在所述扩张壳体1-12内。所述扩张电池1-1设置在所述扩张电机1-2的后端，所述扩张电池1-1通过与其连接在一起的扩张电池挡板1-11与所述扩张壳体1-12固定安装在一起，所述扩张电池1-1与所述扩张电机1-2电连接，向扩张电机1-2供能。所述扩张电机1-2的输出轴通过联轴器1-4与所述丝杠螺母机构B的丝杠1-5的一端连接，在所述丝杠螺母机构B的丝杠1-5的另一端套装有套筒C1-9，所述丝杠螺母机构B的丝杠1-5的后段为光滑面，所述套筒C1-9与所述丝杠螺母机构B的丝杠1-5的光滑面连接，丝杠1-5可以在套筒C内转动，丝杠1-5上设置轴向定位机构例如轴肩、轴挡等，以限制套筒C轴向移动。所述扩张装置包括扩张主动连杆1-8、扩张被动连杆1-7，所述扩张被动连杆1-7的一端与所述套筒C1-9铰接，所述扩张主动连杆1-8的两端分别与所述丝杠螺母机构B的丝母1-10和所述扩张被动连杆1-7铰接。在所述扩张被动连杆1-7的另一端铰接有扩张足1-6。所述扩张被动连杆1-7自所述扩张壳体1-12上设置的槽伸出所述扩张壳体1-12，扩张壳体1-12上设置的槽便于扩张被动连杆1-7动作，及使得丝母1-10不随丝杠1-5转动。所述扩张足1-6位于所述扩张壳体1-12外部。所述扩张足1-6优选为长方体结构。本实施例中，所述扩张装置为三个，互成120°沿圆周方向分布。所述电机驱动器2-8与所述行走电机2-2和所述扩张电机1-2电连接，通过电机驱动器2-8可对行走电机2-2和两个扩张电机1-2进行控制。考虑到结构设计，为减小机器人长度，优选所述电机驱动器2-8位于所述丝杠螺母机构A的丝杠的尾端位置。

本发明中，优选的是，行走电机2-2和两个扩张电机1-2同轴设置。

本发明中，行走电池挡板2-13、行走电机挡板2-3均通过螺纹连接与所述行走壳体2-14连接。扩张电池挡板1-11、扩张电机挡板1-3均通过螺纹连接与所述扩张壳体1-12连接。为便于电路连接，所述行走电池挡板2-13、所述行走电机挡板2-3、所述扩张电池挡板1-11、所述扩张电机挡板1-3均留有穿线槽。

本发明中的主动式结肠微型机器人结构的工作方法是：机器人结构向前运动时，通过电机控制器控制位于首部的径向扩张机构3扩张、位于尾部的径向扩张机构1闭合、轴向行走机构2的扩张半径小于首部的径向扩张机构3的扩张半径，使结肠与机器人结构成梯形状接触，然后控制轴向行走机构2向后摆动挤压垮塌并堆积在尾部的径向扩张机构1和轴向行走机构2之间的结肠获得向前的力，实现前进，如图7中A、B、C三步所示；

当机器人结构向后运动时，通过电机控制器控制位于尾部的径向扩张机构1扩张、位于首部的径向扩张机构3闭合、轴向行走机构2的扩张半径小于位于尾部的径向扩张机构1的扩张半径，使结肠与机器人成梯形状接触，然后控制轴向行走机构2向前摆动挤压垮塌并堆积在位于首部的径向扩张机构3和轴向行走机构2之间的结肠获得向后的力，实现后退，如图7中C、D、E三步所示；

当机器人结构驻留时，通过电机控制器控制位于首部的径向扩张机构3和位于尾部的径向扩张机构1展开，可以使机器人结构在人体结肠内实现驻留。

本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。

Claims (9)

1.一种主动式结肠微型机器人结构，其特征是：包括轴向行走机构、对称柔性连接于所述轴向行走机构两端的两个径向扩张机构，两个所述径向扩张机构相反设置，所述轴向行走机构包括行走壳体，设置在所述行走壳体内的行走电池、行走电机、电机驱动器、丝杠螺母机构A、行走装置，所述行走电机固定安装在所述行走壳体内，所述行走电池与所述行走电机电连接，所述行走电机的输出轴与所述丝杠螺母机构A的丝杠的一端连接，在所述丝杠螺母机构A的丝杠两端分别套装有套筒A和套筒B，所述行走装置包括行走连杆机构、行走主动连杆，所述行走连杆机构的一端与所述套筒A和套筒B铰接，所述行走主动连杆的两端分别与所述丝杠螺母机构A的丝母和所述行走连杆机构铰接，所述行走连杆机构的另一端铰接有行走足，所述行走连杆机构自所述行走壳体上设置的槽伸出所述行走壳体，所述行走足位于所述行走壳体的外部，所述径向扩张机构包括扩张壳体、设置在所述扩张壳体内的扩张电池、扩张电机、丝杠螺母机构B、扩张装置，所述扩张电机固定安装在所述扩张壳体内，所述扩张电池与所述扩张电机电连接，所述扩张电机的输出轴与所述丝杠螺母机构B的丝杠的一端连接，在所述丝杠螺母机构B的丝杠的另一端套装有套筒C，所述扩张装置包括扩张主动连杆、扩张被动连杆，所述扩张被动连杆的一端与所述套筒C铰接，所述扩张主动连杆的两端分别与所述丝杠螺母机构B的丝母和所述扩张被动连杆铰接，在所述扩张被动连杆的另一端铰接有扩张足，所述扩张被动连杆自所述扩张壳体上设置的槽伸出所述扩张壳体，所述扩张足位于所述扩张壳体外部，所述电机驱动器与所述行走电机和所述扩张电机电连接；轴向行走机构通过行走壳体与两个径向扩张机构的扩张壳体柔性连接。

2.根据权利要求1所述的主动式结肠微型机器人结构，其特征是：所述行走装置为三个，互成120°沿圆周方向分布。

3.根据权利要求1所述的主动式结肠微型机器人结构，其特征是：所述扩张装置为三个，互成120°沿圆周方向分布。

4.根据权利要求1所述的主动式结肠微型机器人结构，其特征是：所述行走电机和两个所述扩张电机同轴设置。

5.根据权利要求1所述的主动式结肠微型机器人结构，其特征是：所述轴向行走机构与两个所述径向扩张机构之间通过波纹管连接。

6.根据权利要求1所述的主动式结肠微型机器人结构，其特征是：所述电机驱动器位于所述丝杠螺母机构A的丝杠的尾端位置。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的主动式结肠微型机器人结构，其特征是：所述行走电池通过与其连接的行走电池挡板与所述行走壳体固定连接，所述行走电机通过与其连接的行走电机挡板与所述行走壳体固定连接，所述行走电池位于所述行走电机的后端；所述扩张电池通过与其连接的扩张电池挡板与所述扩张壳体固定连接，所述扩张电机通过与其连接的扩张电机挡板与所述扩张壳体固定连接，所述扩张电池位于所述扩张电机的后端。

8.根据权利要求7所述的主动式结肠微型机器人结构，其特征是：所述行走电池挡板、所述行走电机挡板均通过螺纹连接与所述行走壳体连接，所述扩张电池挡板、所述扩张电机挡板均通过螺纹连接与所述扩张壳体连接。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的主动式结肠微型机器人结构，其特征是：所述行走足为椭球状的瓦片结构，所述扩张足为长方体结构。

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