CN109745083A - 一种具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人 - Google Patents

Abstract

本发明专利涉及医疗器械领域，尤其涉及一种具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其包括胶囊壳体及固定设置在壳体内的控制器、摄像机、电池组、微型步进电机，实现活检采样和施药功能的执行器模块，实现胶囊机器人锚定功能的腿模块，还有用于传递动力的联轴器和传动主轴。该肠道微型胶囊机器人结构简单，利用棘轮机构实现了执行器模块和腿模块间的解耦，使得一个微型步进电机能够同时控制两个不同的功能模块，能够在人体肠道内特定位置进行锚定，进而抵抗肠道的自然蠕动带来的干扰，提高了肠道活检采样的成功率和施药的准确性。

Description

一种具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人

技术领域

本发明专利属于医疗器械领域，尤其涉及一种具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人。

背景技术

活检是指应诊断、治疗的需要，从患者体内切取、钳取或穿刺等取出病变组织，进行病理学检查的技术。当前的肠道活检主要是通过内窥镜活检进行，但是这种技术会造成较大的肠道创伤和不适。同时，精准施药是肠道疾病治疗中一项有效的手段，但由于肠道特殊复杂的生理环境和蠕动性，目前的施药方式难以做到在病患处实施精确施药。因此许多研究人员正在研发具有肠道活检和施药功能的微型可吞咽胶囊机器人。

现有的肠道微型胶囊机器人功能单一，只能够单独进行活检或者施药功能，且大部分胶囊机器人不具备在肠道特定位置的锚定功能，活检采样和施药效果不理想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于偏心凸轮和棘轮机构，能够在肠道特定位置锚定后进行活检采样和精确施药的肠道微型胶囊机器人，解决了现阶段人体内肠道患病处难以进行活检和精准施药的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，包括由前壳体、中壳体、后壳体组成的胶囊壳体及固定设置在壳体内的控制器、电池组、微型步进电机，用于传递动力的联轴器和传动主轴，其特征在于，还包括实现活检采样和施药功能的执行器模块，实现胶囊机器人锚定功能的腿模块；所述传动主轴穿过执行器模块、腿模块中心与连接于微型步进电机上的联轴器相接；

所述执行器模块由执行器组件、执行器组件底座、执行器模块棘爪、执行器模块限位弹簧、执行器模块棘爪轮、内棘轮凸轮组件组成；所述内棘轮凸轮组件包括内棘轮部分和偏心凸轮部分，所述内棘轮凸轮组件的转动中心位于其内棘轮部分的圆周中心；所述执行器模块棘爪通过执行器模块限位弹簧活动连接于执行器模块棘爪轮上；所述内棘轮凸轮组件的内棘轮部分设有内棘齿，所述执行器模块限位弹簧处于自由状态时，执行器模块棘爪与内棘轮凸轮组件上的内棘齿相啮合，进而实现内棘轮凸轮组件单向(顺时针)的转动；所述执行器组件底座设有矩形内空；所述执行器组件由矩形框结构及对向设于矩形框结构中部的执行器组成；所述内棘轮凸轮组件的偏心凸轮部分嵌套在执行器组件的矩形框结构中；所述执行器组件的矩形框结构嵌套于执行器组件底座的矩形内空中。

所述腿模块由内棘轮、腿模块棘爪、腿模块限位弹簧、腿模块棘爪轮、双凸轮组件、腿部组件及腿部组件底座组成；所述腿部组件包括第一腿部组件及第二腿部组件，所述腿部组件均由矩形框结构及位于矩形框结构中部朝向胶囊壳体外方向设置的T形支撑腿组成，且两个腿部组件的T形支撑腿互为反向设置；所述腿部组件底座包括第一腿部组件底座和第二腿部组件底座，所述腿部组件底座为与胶囊壳体大小相等的圆环形，且中部设有矩形内空；所述双凸轮组件由两个相同的偏心凸轮叠置组合而成，所述双凸轮组件的转动中心位于其几何对称中心；所述腿模块棘爪通过腿模块限位弹簧活动连接于腿模块棘爪轮上；所述腿模块限位弹簧处于自由状态时，腿模块棘爪与腿模块内棘轮上的内棘齿相啮合，进而实现内棘轮单向(逆时针)的转动；所述腿部组件的矩形框结构嵌套于腿部组件底座的矩形内空中；所述双凸轮组件的两个偏心凸轮结构分别嵌套于第一腿部组件和第二腿部组件的矩形框结构中。

进一步的，所述执行器模块棘爪轮及腿模块棘爪轮通过传动主轴与微型步进电机连接；所述腿模块还包括传动副轴，所述内棘轮通过传动副轴与双凸轮组件连接，两者具有相同的转动运动。

进一步的，所述胶囊壳体、执行器模块和腿模块为嵌套连接，且无相对转动。

进一步的，非工作状态时，所述执行器、T形支撑腿边缘与胶囊壳体齐平。

进一步的，胶囊机器人还包括设于前壳体内部的摄像机，所述前壳体为透明材质制成，所述中壳体、后壳体为在磁场作用下具有方向性的磁性材料制成。

进一步的，所述执行器为活检钳、施药针中的任一种或两种的组合。可以是活检钳和施药针组合而成的活检钳施药针组件、活检钳和活检钳组合而成的活检钳组件，还可以是施药针和活施药针组合而成的施药针组件。

进一步的，所述执行器模块中内棘轮凸轮组件的内棘轮部分的内棘齿，与腿模块中内棘轮的内棘齿方向相反。

进一步的，所述腿模块中的腿部组件的T形支撑腿的末端是圆弧状结构，且其圆弧状结构的圆弧角度范围是0-180°。

进一步的，第一腿部组件和第二腿部组件的T形支撑腿位于同一水平面上。

进一步的，执行器组件矩形框及腿部组件上设置有方形孔，所述方形孔对向设置于平行胶囊壳体长度方向的矩形框边框中部。

本发明的有益效果是：

(1)胶囊机器人到达肠道患病处可依次进行活检采样和施药操作，提高了治疗效率。

(2)胶囊机器人具有腿部模块，能够在肠道内部特定位置进行锚定，进而抵抗肠道的自然蠕动带来的干扰，提高了活检采样的成功率和施药的准确性。

(3)胶囊机器人的腿部模块中的腿部组件的T形支撑腿为圆弧状结构，与肠道内壁的接触面积大，且腿部组件伸出的长度是连续可控的，能够有效防止对病人肠道内部造成损伤。

(4)结构简单，利用棘轮机构实现了执行器模块和腿模块间的解耦，使得一个微型步进电机能够同时控制两个功能模块，对于提高胶囊机器人内部空间利用率和进一步缩小胶囊的尺寸具有重大意义。

附图说明

图1是本发明的整体结构图；

图2是本发明的拆分结构透视图；

图3是本发明的整体结构剖视图；

图4是本发明的执行器模块结构图；

图5是本发明的执行器模块的拆分结构图；

图6是本发明的内棘轮凸轮组件一面结构的立体图；

图7是本发明的内棘轮凸轮组件另一面结构的立体图；

图8是本发明的执行器组件和执行器组件底座装配图；

图9是本发明的执行器模块的工作状态过程图；

图10是本发明的腿模块的整体结构图；

图11是本发明的腿模块的整体结构剖视图；

图12是本发明的双凸轮组件的结构图；

图13是本发明的腿模块的结构透视图；

图14是本发明的腿模块工作状态过程图。

其中附图标记为：1-前壳体，2-摄像机，3-电池组，4-微型步进电机，5-中壳体，6-联轴器，7-传动主轴，8-执行器模块，801-执行器组件底座，802-执行器模块棘爪，803-执行器模块限位弹簧，804-执行器模块棘爪轮，805-内棘轮凸轮组件，8051-内棘轮部分，8052-偏心凸轮部分，806-执行器组件，8061-执行器组件矩形框，8062-执行器，8063-执行器组件方形孔，9-腿模块，901-腿模块内棘轮，902-腿模块棘爪，903-腿模块限位弹簧，904-腿模块棘爪轮，905-第一腿部组件底座，906-第一腿部组件，9061-第一腿部组件矩形框，9062-T形支撑腿，9063-腿部组件方形孔，907-第二腿部组件，908-第二腿部组件底座，909-双凸轮组件，910-传动副轴，10-后壳体，11-控制器。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1、2所示为本发明的一种具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，包括前壳体1，摄像机2，电池组3，微型步进电机4，中壳体5，联轴器6，传动主轴7，执行器模块8，腿模块9，后壳体10，控制器11。其中，前壳体1为透明材质制成，中壳体5、后壳体10为在磁场作用下具有方向性的磁性材料如铁、镍等材料制成。

如图3所示，本发明的微型胶囊机器人结构紧凑，微型步进电机4固定在中壳体5的内部，且通过联轴器6与传动主轴7相连接。传动主轴7通过一般的键连接方式与执行器模块棘爪轮804和腿模块棘爪轮904进行传动。胶囊壳体、执行器模块和腿模块为嵌套连接，且无相对转动。

如图4-图8所示，执行器模块8由执行器组件底座801，执行器模块棘爪802，执行器模块限位弹簧803，执行器模块棘爪轮804，内棘轮凸轮组件805，执行器组件806组成。内棘轮凸轮组件805的一面是内棘轮部分8051，另一面是偏心凸轮部分8052，两者是一体的。执行器组件底座801设有矩形内空，执行器组件806由执行器组件矩形框8061及对向设于矩形框8061中部的执行器8062组成；执行器组件806的矩形框8061嵌套在执行器组件底座801的矩形内空中，两者间存在一个移动副；同时，内棘轮凸轮组件805的偏心凸轮部分8052结构嵌套在执行器组件806的执行器组件矩形框8061中，两者间存在线接触。执行器组件806的执行器组件矩形框8061的边框中部位置设置有两个方形孔8063，两个方形孔的作用是避免在机构运动过程中，执行器组件806与传动主轴7发生干涉现象，下文的第一腿部组件906上的方形孔9063具有相同的作用。当内棘轮凸轮组件805顺时针转动时，执行器组件806将在移动副方向上进行直线运动。

当胶囊系统正常运行工作时，传动主轴7带动执行器模块棘爪轮804转动。当执行器模块棘爪轮804顺时针转动时，执行器模块棘爪802在执行器模块限位弹簧803的支撑作用下保持与内棘轮凸轮组件805的内棘轮部分8051接触，进而带动内棘轮凸轮组件805顺时针转动；由棘轮机构传动的单向性容易知道，当执行器模块棘爪轮804逆时针转动时，执行器模块限位弹簧803将反复缩短和伸长，执行器模块棘爪802与内棘轮凸轮组件805的内棘轮部分8051的接触将出现打滑现象，因此内棘轮凸轮组件805不会转动。

结合图9进行一个实施例的说明，如图9a所示，当内棘轮凸轮组件805顺时针转动90度时,嵌套在执行器组件806的执行器组件矩形框8061内的内棘轮凸轮组件805的偏心凸轮部分8052结构推动执行器组件矩形框8061进而带动推动执行器组件806做直线运动，执行器组件806的执行器(施药针)8062将伸出到胶囊外部；如图9b所示,当内棘轮凸轮组件805顺时针转动180度时，执行器组件806的执行器(施药针)8062将收回到胶囊内部；如图9c所示,当内棘轮凸轮组件805顺时针转动270度时，执行器组件806的执行器(活检钳)8062将伸出到胶囊外部；如图9d所示,当内棘轮凸轮组件805顺时针转动360度时，执行器组件806的执行器(活检钳)8062将收回到胶囊内部。

如图10-图13所示，腿模块9由腿模块内棘轮901、腿模块棘爪902、腿模块限位弹簧903、腿模块棘爪轮904、第一腿部组件底座905、第一腿部组件906、第二腿部组件907、第二腿部组件底座908、双凸轮组件909、传动副轴910组成。第一腿部组件底座905及第二腿部组件底座908均为与胶囊壳体大小相等的圆环形，且中部设有矩形内空，以第一腿部组件906为例，第一腿部组件906的矩形框9061结构嵌套于第一腿部组件底座905的矩形内空中。第一腿部组件906由第一腿部组件矩形框9061和T形支撑腿9062组成，T形支撑腿9062位于矩形框结构中部朝向胶囊壳体外方向设置。同样的，第二腿部组件907也由腿部组件矩形框和T形支撑腿组成，第一腿部组件906与第二腿部组件907的T形支撑腿互为反向设置。T形支撑腿的末端是圆弧状结构，且其圆弧状结构的圆弧角度范围是0-180°。第一腿部组件906和第二腿部组件907的T形支撑腿位于同一水平面上，有效保持胶囊机器人支撑平衡。非工作状态时，执行器8062、T形支撑腿边缘与胶囊壳体齐平，使胶囊机器人以顺滑表面顺利进入人体指定部位。腿模块棘爪轮904是该腿模块9的动力输入端，接受来自传动主轴7的转动运动，由于执行器模块8中内棘轮凸轮组件805的内棘轮部分8051的内棘齿，与腿模块9内棘轮901的内棘齿方向相反，只有当传动主轴7逆时针转动时，腿模块棘爪轮904将逆时针的转动传递到腿模块内棘轮901，原因在上文执行器模块中已解释，这里不在赘述。传动副轴910通过一般的键连接方式将腿模块内棘轮901的逆时针转动传递给双凸轮组件909。同时，双凸轮组件909同时嵌套在第一腿部组件906和第二腿部组件907的矩形框结构中，第一腿部组件906和第二腿部组件907分别嵌套在第一腿部组件底座905和第二腿部组件底座908的矩形内空中。因此双凸轮组件909逆时针转动时，将带动第一腿部组件906和第二腿部组件907做直线伸缩运动。

结合图14进行腿模块工作状态的具体说明，如图14a所示，此时的双凸轮组件909处于初始位置，假设为0度位置，第一腿部组件906和第二腿部组件907的T形支撑腿处于完全收回的状态；如图14b所示，当双凸轮组件909逆时针转动90度时，第一腿部组件906和第二腿部组件907处于半伸出的状态；如图14c所示，进一步的，当双凸轮组件909逆时针转动180度时，第一腿部组件906和第二腿部组件907处于完全伸出的状态；最后，如图14d所示，当双凸轮组件909逆时针转动360度时，第一腿部组件906和第二腿部组件907处于完全收回的状态。

胶囊机器人进入人体之后，通过外部磁场作用在磁性材料制成的胶囊壳体上的磁控力进行运动，在运动的过程中摄像机2透过透明材质的前壳体1进行肠道图像的采集。当胶囊机器人运动到肠道患病部位，需要进行活检和施药操作时，控制器11控制微型步进电机4进行缓慢的逆时针转动，这时腿模块9内部的第一腿部组件906和第二腿部组件907将连续缓慢的伸出，直到第一腿部组件906和第二腿部组件907接触且支撑住坍陷的肠道内壁，这时胶囊机器人锚定在肠道患病部位，可以抵抗肠道的自然蠕动，保证活检和施药操作的顺利进行。然后，控制器11控制微型步进电机4进行顺时针转动，执行器组件806上的施药针和活检钳先后伸出和收回胶囊内部。完成了活检采样和施药操作之后，控制器11控制微型步进电机4进行逆时针转动，直到第一腿部组件906和第二腿部组件907收回胶囊内部，胶囊机器人解除锚定状态。最后，胶囊在外部磁场所加在胶囊磁性材料壳体上的磁控力继续运动，进而将胶囊排出人体，活检和施药任务结束。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，包括由前壳体、中壳体、后壳体组成的胶囊壳体及固定设置在壳体内的控制器、电池组、微型步进电机、联轴器、传动主轴，其特征在于，还包括执行器模块、腿模块；所述传动主轴穿过执行器模块、腿模块中心与连接于微型步进电机上的联轴器相接；

所述执行器模块由执行器组件、执行器组件底座、执行器模块棘爪、执行器模块限位弹簧、执行器模块棘爪轮、内棘轮凸轮组件组成；所述内棘轮凸轮组件包括内棘轮部分和偏心凸轮部分，所述内棘轮凸轮组件的转动中心位于其内棘轮部分的圆周中心；所述执行器模块棘爪通过执行器模块限位弹簧活动连接于执行器模块棘爪轮上；所述内棘轮凸轮组件的内棘轮部分设有内棘齿，所述执行器模块限位弹簧处于自由状态时，执行器模块棘爪与内棘轮凸轮组件上的内棘齿相啮合；所述执行器组件底座设有矩形内空；所述执行器组件由矩形框结构及对向设于矩形框结构中部的执行器组成；所述内棘轮凸轮组件的偏心凸轮部分嵌套在执行器组件的矩形框结构中；所述执行器组件的矩形框结构嵌套于执行器组件底座的矩形内空中。

所述腿模块由内棘轮、腿模块棘爪、腿模块限位弹簧、腿模块棘爪轮、双凸轮组件、腿部组件及腿部组件底座组成；所述腿部组件包括第一腿部组件及第二腿部组件，所述腿部组件均由矩形框结构及位于矩形框结构中部朝向胶囊壳体外方向设置的T形支撑腿组成，且两个腿部组件的T形支撑腿互为反向设置；所述腿部组件底座包括第一腿部组件底座和第二腿部组件底座，所述腿部组件底座均为与胶囊壳体大小相等的圆环形，且中部设有矩形内空；所述双凸轮组件由两个相同的偏心凸轮叠置组合而成，所述双凸轮组件的转动中心位于其几何对称中心；所述腿模块棘爪通过腿模块限位弹簧活动连接于腿模块棘爪轮上；所述腿模块限位弹簧处于自由状态时，腿模块棘爪与腿模块内棘轮上的内棘齿相啮合；所述腿部组件的矩形框结构嵌套于腿部组件底座的矩形内空中；所述双凸轮组件的两个偏心凸轮结构分别嵌套于第一腿部组件和第二腿部组件的矩形框结构中。

2.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，所述执行器模块棘爪轮及腿模块棘爪轮通过传动主轴与微型步进电机连接；所述腿模块还包括传动副轴，所述内棘轮通过传动副轴与双凸轮组件连接。

3.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，所述胶囊壳体、执行器模块和腿模块为嵌套连接，且无相对转动。

4.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，非工作状态时，所述执行器、T形支撑腿边缘与胶囊壳体齐平。

5.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，还包括设于前壳体内部的摄像机，所述前壳体为透明材质制成，所述中壳体、后壳体为在磁场作用下具有方向性的磁性材料制成。

6.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，所述执行器为活检钳、施药针中的任一种或两种的组合。

7.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，所述执行器模块中内棘轮凸轮组件的内棘轮部分的内棘齿，与腿模块内棘轮的内棘齿方向相反。

8.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，所述腿模块中的腿部组件的T形支撑腿的末端是圆弧状结构，且其圆弧状结构的圆弧角度范围是0-180°。

9.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，第一腿部组件和第二腿部组件的T形支撑腿位于同一水平面上。

10.根据权利要求1所述的具有锚定功能的肠道活检施药胶囊机器人，其特征在于，执行器组件矩形框及腿部组件上设置有方形孔，所述方形孔对向设置于平行胶囊壳体长度方向的矩形框边框中部。