CN110477845A - 一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人及其运动方法 - Google Patents

一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人及其运动方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人及其运动方法，包括球形气囊，胶囊本体，波纹管和气管，所述球形气囊的进气口设置有气体单向阀；所述胶囊本体的底部设置有用于顶开气体单向阀阀芯的顶杆；所述波纹管连接球形气囊和胶囊本体并在波纹管内形成密闭空腔；所述波纹管的内部设置有连接球形气囊和胶囊本体的弹性拉绳；所述气管的一端与波纹管所形成的密闭空腔相连、另一端分别设置有进气口和出气口。本发明模仿尺蠖的运动方式，通过控制气体进出速率，提高机器人的运动速度；胶囊机器人自己在肠道中运动，避免受到外界的影响；解决传统胶囊机器人效率低，被动随机性大的问题，以及磁场引导胶囊机器人受外界磁场状态影响工作的问题。

Description

一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人及其运动方法
技术领域
本发明涉及医疗器械，特别涉及一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人及其运动方法。
背景技术
微型胶囊机器人目前的主要用在胃肠检测等方面。相对于传统内镜检测的方式，微型胶囊机器人具有操作简单、保护患者肠道、节省时间以及给病人带来的痛苦少等优点。目前微型胶囊在肠道中的运动方式主要有两种，一种是通过患者消化系统，利用肠道的生理蠕动实现运动，使胶囊被动排出，完成检查大约8小时。生理蠕动过程中，胶囊可能会出现漏检的情况；另一种方式是通过外界驱动胶囊，如胶囊机器人上加上磁性材料，通过外界磁场控制胶囊主动运动。但是通过外界磁场的方式控制胶囊机器人需要足够强的磁场，同时考虑到肠内复杂环境影响，其移动速度较慢，对于临床检查而言并不理想。
因此，有必要采用一种新型驱动方式的微型胶囊机器人，以解决传统胶囊检查时间长，容易出现漏检的问题。同时也可以解决磁性引导胶囊准确性低，外界磁场难以准确施加等问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统胶囊机器人效率低，被动随机性大的问题，也为了解决磁场引导胶囊机器人受外界磁场状态影响工作的问题，提供一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人及其运动方法。本发明模仿尺蠖的运动方式，通过控制气体进出速率，大大提高机器人的运动速度。胶囊机器人自己在肠道中运动，避免受到外界的影响。
本发明所采用的技术方案是：一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人，包括：
球形气囊，所述球形气囊的进气口设置有气体单向阀；
胶囊本体，所述胶囊本体的底部设置有用于顶开所述气体单向阀的阀芯的顶杆；
波纹管，所述波纹管连接所述球形气囊和所述胶囊本体，并在所述波纹管内形成密闭空腔；所述波纹管的内部设置有弹性拉绳，所述弹性拉绳连接所述球形气囊和所述胶囊本体；以及，
气管，所述气管的一端从所述胶囊本体的端部穿入至所述胶囊本体内并穿过所述胶囊本体与所述波纹管所形成的所述密闭空腔相连，所述气管的另一端分别设置有进气口和出气口。
进一步地，所述球形气囊所采用材料的弹性模量大于所述波纹管所采用材料的弹性模量，使得相同压力下，所述波纹管伸展时所述球形气囊不会膨胀。
进一步地，所述顶杆位于所述波纹管所形成的所述密闭空腔内，并与所述气体单向阀的阀芯位于同一轴线，使得所述波纹管收缩时，所述顶杆顶开所述气体单向阀的阀芯。
进一步地，所述球形气囊完全胀开的直径大于所述波纹管的直径。
进一步地，所述进气口和所述出气口分别设置有开关阀。
本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人的运动方法，包括以下步骤：
步骤1，所述进气口进入气体，所述波纹管舒张，此时，所述球形气囊保持原状；
步骤2，在所述波纹管舒张完成后，继续输入气体，所述气体单向阀打开，气体进入所述球形气囊，所述球形气囊扩张，所检查器官的内壁支撑所述球形气囊，充气完成，所述气体单向阀的阀芯复位；
步骤3，所述出气口打开，所述弹性拉绳收缩，所述波纹管内的气体排出，所述胶囊本体在所述弹性拉绳和所述波纹管的作用下向所述球形气囊靠近，所述顶杆顶开所述气体单向阀的阀芯，所述球形气囊内的气体排出，回到原始状态。
本发明的有益效果是：采用仿照尺蠖的运动状态设计出了一种新型气动方式的微型胶囊机器人及其运动方法。本发明可以解决传统胶囊内窥镜的效率低，随机性强的问题。对于磁引导胶囊出现的需要构建外部磁场，受肠道影响大的问题，本发明也可以解决。本发明可以通过控制开关阀，实现检查速度的提升。另外，通过胶囊机器人自己在肠道内部运动，避免了磁引式胶囊的外部干扰。
附图说明
图1：本发明胶囊机器人的结构示意图；
图2：本发明胶囊机器人运动初始图；
图3：本发明胶囊机器人的波纹管伸张状态图；
图4：本发明胶囊机器人的球形气囊膨胀状态图；
图5：本发明胶囊机器人气体放出状态图。
附图标注：1.球形气囊，2.气体单向阀，3.弹簧，4.阀芯，5.波纹管，6.弹性拉绳，7.顶杆，8.气管，9.胶囊本体，10.出气口，11.开关阀，12.进气口。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1所示，一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人，包括球形气囊1，波纹管5，胶囊本体9和气管8。
所述球形气囊1由医用橡胶材料(例如：硅橡胶，医用聚氨酯橡胶等)制成，医用橡胶对患者的肠道不会造成太大的伤害。所述球形气囊1的初始形状为干瘪状，所述球形气囊1膨胀时，肠道内壁能够固定所述球形气囊1。所述球形气囊1的进气口装有气体单向阀2，所述气体单向阀2包括弹簧3和阀芯4。
所述波纹管5由高分子材料(例如：聚乙烯，聚乳酸等)制成。所述波纹管5连接所述球形气囊1和所述胶囊本体9，并在所述波纹管5内形成密闭空腔。所述波纹管5的内部设置有两根弹性拉绳6，两根所述弹性拉绳6分别连接所述球形气囊1和所述胶囊本体9。所述波纹管5在伸缩过程中，其径向距离不会发生变化，只有轴向距离发生变化。
所述胶囊本体9包含驱动器，电路，CCD图像传感器等装置，可采用重庆金山公司生产的型号为OMOM的胶囊本体。所述胶囊本体9的外壳采用透明材料，所述胶囊本体9的底端、位于所述波纹管5所形成的所述密闭空腔内装有一顶杆7，所述顶杆7与所述气体单向阀2的阀芯4位于同一轴线，使得在所述波纹管5收缩到原始状态时，所述顶杆7能顶开所述气体单向阀2的阀芯4，使得所述球形气囊1里的气体排出。
所述气管8的一端从所述胶囊本体9的端部穿入至所述胶囊本体9内并穿过所述胶囊本体9与所述波纹管5所形成的所述密闭空腔相连，所述气管8的另一端分别设置有进气口12和出气口10，所述进气口12和所述出气口10分别设置有独立的开关阀11。
其中，所述波纹管5和所述球形气囊1的材料不同，所述球形气囊1所采用材料的弹性模量大于所述波纹管5所采用材料的弹性模量，即，所述波纹管5对气压更为敏感，使得相同压力下，所述波纹管5伸展时所述球形气囊1不会膨胀。
其中，所述球形气囊1完全胀开的直径大于所述波纹管5的直径。
上述仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人的运动形式为：所述进气口12进入气体，所述波纹管5舒张，此时，所述球形气囊1保持原状；在所述波纹管5舒张完成后，继续输入气体，所述气体单向阀2打开，气体进入所述球形气囊1，所述球形气囊1扩张，结肠内壁支撑所述球形气囊1，充气完成，所述气体单向阀2的阀芯4复位；所述出气口10打开，所述弹性拉绳6收缩，所述波纹管5内的气体排出，所述胶囊本体9在所述弹性拉绳6和所述波纹管5的作用下向所述球形气囊1靠近，所述顶杆7顶开所述气体单向阀2的阀芯4，所述球形气囊1内的气体排出，回到原始状态，以此往复。
附图2至附图5为上述仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人的运动过程示意图。
附图2所示为胶囊机器人的初始状态，所述球形气囊1和所述波纹管5里没有空气，所述进气口12的开关阀11和所述出气口10的开关阀11均处于关闭状态。所述波纹管5里的弹性拉绳6处于收缩状态。所述气体单向阀2的阀芯4被顶杆7顶开。所述胶囊本体9里的设备未开机。
附图3所示胶囊机器人的运动为当胶囊进入肠道后，控制所述进气口12的开关阀11打开，所述胶囊本体9保持原先的位置，所述波纹管5伸张，推动所述球形气囊1向前运动。所述气体单向阀2的阀芯4复位。由于所述球形气囊1和所述波纹管5的材料不同，所述波纹管5伸展开，所述球形气囊1依然保持干瘪状。所述气体单向阀2的阀芯4也对气体进入所述球形气囊1造成一定阻碍作用。
附图4所示为所述进气口12的开关阀11依然打开，所述波纹管5完全伸展开。气体不断注入所述波纹管5里，所述波纹管5内气压升高，所述气体单向阀2的阀芯4被气压顶开。当压力超过所述球形气囊1的变形力时，所述球形气囊1开始膨胀。所述球形气囊1完全胀开时，人的肠道内壁支撑起球形气囊1。所述波纹管5里的压力传感器发出信号给控制器。
附图5所示为控制器控制所述出气口10的开关阀11打开，所述进气口12的开关阀11关闭，所述波纹管5在所述弹性拉绳6的作用下开始收缩。所述球形气囊1由于所述气体单向阀2的作用，依然保持膨胀状态。所述球形气囊1依然受到肠道内壁的支撑，所述波纹管5收缩带动所述胶囊本体9向前运动。在这里考虑到肠道相关阻尼的影响，所述波纹管5内的气体可能无法排出。通过所述出气口10进行吸气以完成所述波纹管5的收缩。内置在所述胶囊本体9的摄像机完成下一个位置的数据传输。所述波纹管5收缩到原始状态，所述胶囊本体9底座的顶杆7顶开所述气体单向阀2的阀芯4，所述球形气囊1里的气体排出，重新回到初始状态。
本发明专利可以更高效率完成肠道检查，抗外界能力强。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人，其特征在于，包括：
球形气囊(1)，所述球形气囊(1)的进气口设置有气体单向阀(2)；
胶囊本体(9)，所述胶囊本体(9)的底部设置有用于顶开所述气体单向阀(2)的阀芯(4)的顶杆(7)；
波纹管(5)，所述波纹管(5)连接所述球形气囊(1)和所述胶囊本体(9)，并在所述波纹管(5)内形成密闭空腔；所述波纹管(5)的内部设置有弹性拉绳(6)，所述弹性拉绳(6)连接所述球形气囊(1)和所述胶囊本体(9)；以及，
气管(8)，所述气管(8)的一端从所述胶囊本体(9)的端部穿入至所述胶囊本体(9)内并穿过所述胶囊本体(9)与所述波纹管(5)所形成的所述密闭空腔相连，所述气管(8)的另一端分别设置有进气口(12)和出气口(10)。
2.根据权利要求1所述的一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人，其特征在于，所述球形气囊(1)所采用材料的弹性模量大于所述波纹管(5)所采用材料的弹性模量，使得相同压力下，所述波纹管(5)伸展时所述球形气囊(1)不会膨胀。
3.根据权利要求1所述的一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人，其特征在于，所述顶杆(7)位于所述波纹管(5)所形成的所述密闭空腔内，并与所述气体单向阀(2)的阀芯(4)位于同一轴线，使得所述波纹管(5)收缩时，所述顶杆(7)顶开所述气体单向阀(2)的阀芯(4)。
4.根据权利要求1所述的一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人，其特征在于，所述球形气囊(1)完全胀开的直径大于所述波纹管(5)的直径。
5.根据权利要求1所述的一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人，其特征在于，所述进气口(12)和所述出气口(10)分别设置有开关阀(11)。
6.一种基于上述权利要求1至5任一项所述的一种仿尺蠖行进的气动驱动微型胶囊机器人的运动方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，所述进气口(12)进入气体，所述波纹管(5)舒张，此时，所述球形气囊(1)保持原状；
步骤2，在所述波纹管(5)舒张完成后，继续输入气体，所述气体单向阀(2)打开，气体进入所述球形气囊(1)，所述球形气囊(1)扩张，所检查器官的内壁支撑所述球形气囊(1)，充气完成，所述气体单向阀(2)的阀芯(4)复位；
步骤3，所述出气口(10)打开，所述弹性拉绳(6)收缩，所述波纹管(5)内的气体排出，所述胶囊本体(9)在所述弹性拉绳(6)和所述波纹管(5)的作用下向所述球形气囊(1)靠近，所述顶杆(7)顶开所述气体单向阀(2)的阀芯(4)，所述球形气囊(1)内的气体排出，回到原始状态。
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