CN109770840A - 一种可变刚度的柔性胃镜 - Google Patents
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Abstract
一种可变刚度的柔性胃镜，包括柔性胃镜机构本体、控制电路以及末端图像采集装置，柔性胃镜机构本体包括两个前后相接的软体臂，即软体臂a与软体臂b，位于后端的软体臂上设置末端图像采集装置；所述软体臂的实体部分包括橡胶管、外壳以及前后端盖，所述橡胶管的中央设置有一个内腔，所述内腔通过气管连接至气动比例阀，所述气动比例阀与控制电路连接，所述前端盖与后端盖间固连有外壳和橡胶管；所述外壳上等间距分布有外楔形块，所述外楔形块间形成近似直角梯形的楔形槽，所述橡胶管的外侧等间距分布有内楔形块。本发明通过改变气压大小的方式，来控制该可变刚度的柔性胃镜的刚度大小，以实现进入消化道时的自适应程度和末端方向的有效控制。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械，涉及一种胃镜。
背景技术
与刚性机器人相比，软性机器人在面对抓取柔性物体、狭小空间作业、人机交互频繁的场景具有明显的优势。在触碰人员时，软体机器人需要保持较小的刚度，以保证其自适应性，保证人员的安全性。而在抓取操作物体时，软体机器人需要保持更高的刚度，以保证软体机器人的抓持力和控制性能。
现有的胃镜一般为软式的内窥镜，虽然能有效地防止胃镜末端对食道与胃的伤害，但是提升自适应性的同时也造成了控制能力的不足。当胃镜发现病灶时，胃镜由于其存在较大的柔性，使得末端无法精确对准病灶位置。
中国专利号CN201810883664提出了一种基于磁流变液的可软硬变换的胃镜，但是存在磁流变液泄漏的危险性问题。
发明内容
为了克服已有胃镜的刚性不可变或者可变结构存在安全隐患的不足,本发明提供了一种可变刚度的柔性胃镜。本发明可通过改变气压大小的方式，来控制该可变刚度的柔性胃镜的刚度大小，以实现进入消化道时的自适应程度和末端方向的有效控制。本发明综合了硬式胃镜易于控制的优势和柔式胃镜的安全性，旨在解决可控性与自适应性的矛盾。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种可变刚度的柔性胃镜，包括柔性胃镜机构本体、控制电路以及末端图像采集装置，所述柔性胃镜机构本体包括两个前后相接的软体臂，即软体臂a与软体臂b，位于后端的软体臂上设置末端图像采集装置；
所述软体臂的实体部分包括橡胶管、外壳以及前后端盖，所述橡胶管的中央设置有一个内腔，所述内腔通过气管连接至气动比例阀，所述气动比例阀与控制电路连接，所述前端盖与后端盖间固连有外壳和橡胶管；在没有供气的情况下，橡胶管与壳体分离；所述外壳上等间距分布有外楔形块，所述外楔形块间形成近似直角梯形的楔形槽，所述橡胶管的外侧等间距分布有内楔形块，充气膨胀时所述橡胶管上内楔形块嵌入壳体上的楔形槽中，形成刚度可变的结构。
进一步，所述外壳上还等角度分布有三个气室，气室a，气室b以及被剖去的一个气室，用户可通过气动比例阀组来控制三个气室的气压，实现软体臂朝不同的方向弯曲。
再进一步，所述外壳上还等角度分布有三个通孔，所述通气孔a，通气孔b以及被剖去的通孔分别为电缆管道、供水管道和充气管道，所述电缆管道用于为LED灯以及摄像头供电和信号的传输，所述供水管道用于为清洗喷头提供清洁水；所述充气管道用于为充气孔供气。
更进一步，所述软体臂a前端盖上有10个通孔分别为软体臂a通气孔a、软体臂a通气孔b、软体臂a通气孔c、软体臂b通气孔a、软体臂b通气孔b、软体臂b通气孔c、电缆管道、供水管道、充气管道以及内腔通气孔，所述软体臂a通气孔a、软体臂a通气孔b以及软体臂a通气孔c三个通气孔一端连接至气动比例阀，另一端分别与软体臂a的三个气室相连，通过改变三个气室的气压实现软体臂a的弯曲运动；所述软体臂b通气孔a、软体臂b通气孔b以及软体臂b通气孔c三个通气孔一端连接至气动比例阀，另一端分别与软体臂b的三个气室相连；通过改变三个气室的气压实现软体臂b的弯曲运动。
所述电缆管道用于LED灯以及摄像头供电和信号的传输；所述供水管道用于为清洗喷头提供清洁水；所述充气管道用于为充气孔供气；所述内腔充气孔用于软体臂a以及软体臂b的内腔充气，以实现软体臂a以及软体臂b的刚度控制。
所述末端图像采集装置包括摄像头，所述软体臂b后端盖上装有清洗喷头、摄像头、LED灯以及充气孔，所述摄像头用于采集实时的图像信号，并通过电缆通道把图像传输回工控机；所述清洗喷头的方向需对准摄像头，所述LED灯为图像传感器的图像采集提供光源，所述充气孔采用的是径向多孔道输出方式。
所述控制电路包括工控机、总线以及各个部件的控制电路，所述工控机连接有人机交互界面HMI，通过HMI观察到摄像头采集到的图像信息，并且通过HMI控制LED灯的通断、小型水泵的通断以及气动比例阀组的压力控制。
所述工控机与转接盒通过所述总线实现电连接，所述摄像头的信号由一个单独的以太网接口连接；所述转接盒分别电连接有8个气动比例阀的模拟量控制信号、电磁铁的开关量信号、电子开关的触发信号以及公共端与电源负极共地。
所述气动比例阀组中，有3个气动比例阀用于控制软体臂a的运动，有3个气动比例阀用于控制软体臂b的运动，1个气动比例阀用于通过充气孔控制病患胃部的充其量，1个气动比例阀用于控制柔性胃镜的刚度大小；所述气动比例阀组通过气管连接至柔性胃镜结构本体；所述电磁铁由开关量控制，可吸附或释放衔铁，用于通断小型水泵；所述小型水泵为所述清洗喷头提供压力水源；所述电子开关可实现对所述LED灯的通断控制，以实现对病患胃部的照明控制。
本发明的技术构思为：当橡胶管内未充气时，橡胶管外侧的内楔形块和外壳内侧的外楔形块未啮合，结构整体刚度小而柔性大，装置可弯曲甚至伸长。当橡胶管内逐渐充气时，橡胶管膨胀。膨胀时，橡胶管的中间部分最先径向膨胀，一开始楔形块并未与楔形槽接触，此时充气不改变总体结构的刚度，持续充气，带动中间部分的内楔形块和外楔槽啮合，提高装置中间部分的结构刚度。此时，橡胶管两端的膨胀比例较低，此处楔形块与楔形槽还未啮合，装置还具有一定的柔性。随着通气气压的增大，中部的楔形块啮合程度不断变大，两端的楔形块也逐渐开始啮合，结构整体的刚度持续增加。直到气压达到额定值或整体楔形块完全啮合时，结构刚度达到峰值。因此，只要改变通气气压，该装置就能在一定范围内任意调整结构刚度，且只要固定通气气压，该装置就能维持一定的结构刚度，来实现一般刚性材料的功能。
本发明的有益效果主要表现在：通过改变气压大小的方式，来控制该可变刚度的柔性胃镜的刚度大小，以实现进入消化道时的自适应程度和末端方向的有效控制；本发明综合了硬式胃镜易于控制的优势和柔式胃镜的安全性，旨在解决可控性与自适应性的矛盾。
附图说明
图1是可变刚度的柔性结构示意图；
图2是充气端视角下的柔性胃镜本体图；
图3是末端视角下的柔性胃镜本体图；
图4是柔性胃镜的爆炸图；
图5是柔性胃镜的控制图。
图中，1.内楔形块；2.外楔形块；3.通孔a；4.外壳；5.橡胶管；6.内腔；7.气室a；8.通孔b；9.气室b；10.空腔；11.软体臂a；12.软体臂a后端盖；13.软体臂b前端盖；14.软体臂b；15.软体臂b后端盖；16.软体臂a前端盖；17.内腔通气孔；18.清洗喷头；19.摄像头；20.LED灯；21.充气孔；22.气室c；23.气室d；24.HMI；25.工控机；26.柔性胃镜本体；27.气动比例阀组；28.转接盒；29.总线；30.电子开关；31.电磁铁；32.接地电阻；33.衔铁；34.小型水泵；35.气管；51a.软体臂a通气孔a；51b.软体臂a通气孔b；51c.软体臂a通气孔c；52a.软体臂b通气孔a；52b.软体臂b通气孔b；52c.软体臂b通气孔c；53a.电缆管道；53b.供水管道；53c.充气管道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图5，一种可变刚度的柔性胃镜，包括柔性胃镜机构本体、控制电路以及末端图像采集装置，所述柔性胃镜机构本体包括两个前后相接的软体臂，即软体臂a与软体臂b，位于后端的软体臂上设置末端图像采集装置；
所述软体臂的实体部分包括橡胶管、外壳以及前后端盖，所述橡胶管的中央设置有一个内腔，所述内腔通过气管连接至气动比例阀，所述气动比例阀与控制电路连接，所述前端盖与后端盖间固连有外壳和橡胶管；在没有供气的情况下，橡胶管与壳体分离；所述外壳上等间距分布有外楔形块，所述外楔形块间形成近似直角梯形的楔形槽，所述橡胶管的外侧等间距分布有内楔形块，充气膨胀时所述橡胶管上内楔形块嵌入壳体上的楔形槽中，形成刚度可变的结构。
进一步，所述外壳上还等角度分布有三个气室，气室a，气室b以及被剖去的一个气室，用户可通过气动比例阀组来控制三个气室的气压，实现软体臂朝不同的方向弯曲。
再进一步，所述外壳上还等角度分布有三个通孔，所述通气孔a，通气孔b以及被剖去的通孔分别为电缆管道、供水管道和充气管道，所述电缆管道用于为LED灯以及摄像头供电和信号的传输，所述供水管道用于为清洗喷头提供清洁水；所述充气管道用于为充气孔供气。需要指出的是，所述充气孔是用于对病患的胃部进行充气，这是胃镜检查中的常规操作。胃部充气膨胀后，医护人员可以更好地实现对胃部的检查
更进一步，所述软体臂a前端盖上有10个通孔分别为软体臂a通气孔a、软体臂a通气孔b、软体臂a通气孔c、软体臂b通气孔a、软体臂b通气孔b、软体臂b通气孔c、电缆管道、供水管道、充气管道以及内腔通气孔，所述软体臂a通气孔a、软体臂a通气孔b以及软体臂a通气孔c三个通气孔一端连接至气动比例阀，另一端分别与软体臂a的三个气室相连，通过改变三个气室的气压实现软体臂a的弯曲运动；所述软体臂b通气孔a、软体臂b通气孔b以及软体臂b通气孔c三个通气孔一端连接至气动比例阀，另一端分别与软体臂b的三个气室相连；通过改变三个气室的气压实现软体臂b的弯曲运动。
所述电缆管道用于LED灯以及摄像头供电和信号的传输；所述供水管道用于为清洗喷头提供清洁水；所述充气管道用于为充气孔供气。所述内腔充气孔用于软体臂a以及软体臂b的内腔充气，以实现软体臂a以及软体臂b的刚度控制。
所述末端图像采集装置包括摄像头，所述软体臂b后端盖上装有清洗喷头、摄像头、LED灯以及充气孔，所述摄像头用于采集实时的图像信号，并通过电缆通道把图像传输回工控机。在柔性胃镜进入病患的消化道时，所述摄像头容易被粘液所覆盖，因此在必要时需要通过使用所述清洗喷头对摄像头进行喷淋，以保证图像的清晰度。所述清洗喷头的方向需对准摄像头，以提高摄像头的清洗喷淋效率。所述LED灯为图像传感器的图像采集提供光源，所述充气孔采用的是径向多孔道输出方式，这次出气方式通过多孔道的节流以及改变气体流通方向的原理，以减少气体的冲击能量对胃部造成损伤和病患的不适。
所述控制电路包括工控机、总线以及各个部件的控制电路，所述工控机连接有HMI(人机交互界面)，医护人员可通过HMI观察到摄像头采集到的图像信息，并且可以通过HMI控制LED灯的通断、小型水泵的通断以及气动比例阀组的压力控制。
所述工控机与转接盒通过所述总线实现电连接，考虑到图像通信数据量较大，所述摄像头的信号由一个单独的以太网接口连接；所述转接盒分别电连接有8个气动比例阀的模拟量控制信号、电磁铁的开关量信号、电子开关的触发信号以及公共端与电源负极共地。
具体来说，所述气动比例阀组中，有3个气动比例阀用于控制软体臂a的运动，有3个气动比例阀用于控制软体臂b的运动，1个气动比例阀用于通过充气孔控制病患胃部的充其量，1个气动比例阀用于控制柔性胃镜的刚度大小。所述气动比例阀组通过气管连接至柔性胃镜结构本体。所述电磁铁由开关量控制，可吸附或释放衔铁，用于通断小型水泵。所述小型水泵为所述清洗喷头提供压力水源。所述电子开关可实现对所述LED灯的通断控制，以实现对病患胃部的照明控制。
本实施例的工作过程是：柔性胃镜未充气时，胃镜管处于柔性状态。此时，可以进行伸入喉管操作。考虑到未充气的胃镜管比较柔软，柔性胃镜进入消化道时对人体伤害较小。当柔性胃镜进入胃部时，柔性胃镜的末端摄像头需要精确对准病灶，所以需要胃镜管进行运动控制。考虑到柔性机构控制存在较大的自适应性，因此需要增大柔性胃镜的刚度。此时通过增大内腔的气压，即可缓慢增加柔性胃镜的刚度，以达到控制所需刚度要求而又不至于由于胃镜管过硬划伤食道，以提高胃镜的控制性能。当需要柔性胃镜弯曲时，则只需对两个软体臂总计六个气室进行充气。通过调整三个气室气压即可实现两个软体臂的任意角度旋转。
Claims (9)
1.一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述柔性胃镜包括柔性胃镜机构本体、控制电路以及末端图像采集装置，所述柔性胃镜机构本体包括两个前后相接的软体臂，即软体臂a与软体臂b，位于后端的软体臂上设置末端图像采集装置；
所述软体臂的实体部分包括橡胶管、外壳以及前后端盖，所述橡胶管的中央设置有一个内腔，所述内腔通过气管连接至气动比例阀，所述气动比例阀与控制电路连接，所述前端盖与后端盖间固连有外壳和橡胶管；在没有供气的情况下，橡胶管与壳体分离；所述外壳上等间距分布有外楔形块，所述外楔形块间形成近似直角梯形的楔形槽，所述橡胶管的外侧等间距分布有内楔形块，充气膨胀时所述橡胶管上内楔形块嵌入壳体上的楔形槽中，形成刚度可变的结构。
2.如权利要求1所述的一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述外壳上还等角度分布有三个气室，气室a，气室b以及被剖去的一个气室，用户可通过气动比例阀组来控制三个气室的气压，实现软体臂朝不同的方向弯曲。
3.如权利要求1或2所述的一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述外壳上还等角度分布有三个通孔，所述通气孔a，通气孔b以及被剖去的通孔分别为电缆管道、供水管道和充气管道，所述电缆管道用于为LED灯以及摄像头供电和信号的传输，所述供水管道用于为清洗喷头提供清洁水；所述充气管道用于为充气孔供气。
4.如权利要求3所述的一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述软体臂a前端盖上有10个通孔分别为软体臂a通气孔a、软体臂a通气孔b、软体臂a通气孔c、软体臂b通气孔a、软体臂b通气孔b、软体臂b通气孔c、电缆管道、供水管道、充气管道以及内腔通气孔，所述软体臂a通气孔a、软体臂a通气孔b以及软体臂a通气孔c三个通气孔一端连接至气动比例阀，另一端分别与软体臂a的三个气室相连，通过改变三个气室的气压实现软体臂a的弯曲运动；所述软体臂b通气孔a、软体臂b通气孔b以及软体臂b通气孔c三个通气孔一端连接至气动比例阀，另一端分别与软体臂b的三个气室相连；通过改变三个气室的气压实现软体臂b的弯曲运动。
5.如权利要求3所述的一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述电缆管道用于LED灯以及摄像头供电和信号的传输；所述供水管道用于为清洗喷头提供清洁水；所述充气管道用于为充气孔供气；所述内腔充气孔用于软体臂a以及软体臂b的内腔充气，以实现软体臂a以及软体臂b的刚度控制。
6.如权利要求1或2所述的一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述末端图像采集装置包括摄像头，所述软体臂b后端盖上装有清洗喷头、摄像头、LED灯以及充气孔，所述摄像头用于采集实时的图像信号，并通过电缆通道把图像传输回工控机；所述清洗喷头的方向需对准摄像头，所述LED灯为图像传感器的图像采集提供光源，所述充气孔采用的是径向多孔道输出方式。
7.如权利要求1或2所述的一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述控制电路包括工控机、总线以及各个部件的控制电路，所述工控机连接有人机交互界面HMI，通过HMI观察到摄像头采集到的图像信息，并且通过HMI控制LED灯的通断、小型水泵的通断以及气动比例阀组的压力控制。
8.如权利要求7所述的一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述工控机与转接盒通过所述总线实现电连接，所述摄像头的信号由一个单独的以太网接口连接；所述转接盒分别电连接有8个气动比例阀的模拟量控制信号、电磁铁的开关量信号、电子开关的触发信号以及公共端与电源负极共地。
9.如权利要求7所述的一种可变刚度的柔性胃镜，其特征在于，所述气动比例阀组中，有3个气动比例阀用于控制软体臂a的运动，有3个气动比例阀用于控制软体臂b的运动，1个气动比例阀用于通过充气孔控制病患胃部的充其量，1个气动比例阀用于控制柔性胃镜的刚度大小；所述气动比例阀组通过气管连接至柔性胃镜结构本体；所述电磁铁由开关量控制，可吸附或释放衔铁，用于通断小型水泵；所述小型水泵为所述清洗喷头提供压力水源；所述电子开关可实现对所述LED灯的通断控制，以实现对病患胃部的照明控制。
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