CN111113392B - 面向肠道检查的自组装微型模块化机器人 - Google Patents

Abstract

一种面向肠道检查的自组装微型模块化机器人，包括：安装模块、第一对接模块和第二对接模块，其中：第一对接模块和第二对接模块结构相同并且对称设置于安装模块两端；安装模块包括：前端机构、后端机构和传动机构，其中：前端机构和后端机构结构相同并且以传动机构中心对称设置于传动机构两端；本发明通过径向扩展驱动减速装置经径向扩展传动齿轮组将动力传递给径向扩展机构，旋转对接驱动减速结构通过旋转对接传动齿轮副将动力传递给分置于对接模块两端的旋转对接机构，采用模块化设计，降低了单个模块机构的设计及加工装配复杂度，并有效减少了单个可吞咽胶囊模块的尺寸，提高了整个机构的可靠性，方便检测时待检人员从口腔吞入。

Description

面向肠道检查的自组装微型模块化机器人

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械领域的技术，具体是一种面向肠道检查的自组装微型模块化机器人。

背景技术

现有的胶囊内窥镜由于不能驻留人体等问题，尚不能完全取代传统内窥镜。基于磁控的胶囊内窥镜虽然实现了对胃部的驻留式检查，但不能实现对肠道的可控检查。因此，近年来研制面向肠道检查的能够自主运动的微型机器人已成为一个新的研究热点。在自主运动的胶囊机器人驱动方式上，具有代表性的有两种：利用外部磁场驱动体内磁性胶囊和在胶囊中增加主动式运动机构。因人体肠道环境复杂、曲折环绕，外磁场驱动方式很难设计一个安全可靠的外部磁场来驱动体内的胶囊，目前成熟应用该方式的只能运用在人体胃部。因此，在胶囊上增加运动机构成为胃肠道机器人走向实用化的一种可行性较高的方式，尤其是基于尺蠖式运动机理的胶囊式胃肠道机器人设计成为主流。但因为需要在1个胶囊中至少集成1套轴向伸缩机构和2套径向扩张机构以及必须的供能装置，这些需要集成到胶囊内的机构零部件及各种元器件，使得胶囊外形尺寸大幅增加，对在具有有限可吞咽尺寸胶囊内进行机器人的机构设计、系统集成、密封及加工装配等带来了极大的挑战和困难，因此，目前开发的多种胃肠道机器人尚难以达到从口腔吞咽进人体消化道的要求。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种面向肠道检查的自组装微型模块化机器人，通过径向扩展驱动减速装置经径向扩展传动齿轮组将动力传递给径向扩展机构，旋转对接驱动减速结构通过旋转对接传动齿轮副将动力传递给分置于对接模块两端的旋转对接机构，采用模块化设计，降低了单个模块机构的设计及加工装配复杂度，并有效减少了单个可吞咽胶囊模块的尺寸，提高了整个机构的可靠性，方便检测时待检人员从口腔吞入。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：安装模块以及结构相同并且对称设置于安装模块两端的第一对接模块和第二对接模块，该安装模块包括：前端机构、后端机构和传动机构，其中：前端机构和后端机构结构相同并且以传动机构中心对称设置于传动机构两端。

所述的传动机构包括：前端传动导杆、前端传动螺母滑块、前端传动丝杠和前端旋转传动齿轮副、后端传动导杆、后端传动螺母滑块、后端传动丝杠和后端旋转传动齿轮副，其中：前端传动导杆和前端传动丝杠与后端传动导杆和后端传动丝杠，沿安装模块中心轴线成两侧对称配置，前端传动螺母滑块与前端传动丝杠和前端传动导杆滑动连接，后端传动螺母滑块与后端传动丝杠和后端传动导杆滑动连接。

所述的前端机构包括：可伸缩对接装置、第一挡板、第一固定板和伸缩驱动减速装置，其中：第一固定板设置于传动机构一端，伸缩驱动减速装置设置于第一固定板上并与传动机构相连，第一挡板与第一固定板竖直设置于传动机构一端，可伸缩对接装置通过第一挡板与传送机构相连。

所述的可伸缩对接装置包括：六角沉孔式母座、第一磁铁固定板、圆形磁铁对和滑动支撑杆，其中：第一圆形磁铁对设置于第一磁铁固定板上并与六角沉孔式母座相连，滑动支撑杆的一端与六角沉孔式母座相连，另一端与传动机构相连。

所述的后端机构的结构与前端机构相同，与传动机构的连接和前端机构呈180°中心对称。

所述的第一对接模块包括：前端旋转对接机构、前端对接挡板、驱动减速装置、径向扩展机构、径向扩展驱动杆、后端对接挡板和后端旋转对接机构，其中：径向扩展机构设置于径向扩展驱动杆的中部并与驱动减速装置相连，前端对接挡板和后端对接挡板对称设置于驱动减速装置两端，前端旋转对接机构和后端旋转对接机构分别对称设置于前端对接挡板和后端对接挡板上并与驱动减速装置相连。

所述的驱动减速装置包括：驱动前端固定板、径向扩展驱动减速结构、径向扩展传动齿轮组、驱动后端固定板、旋转对接驱动减速结构、旋转对接前端传动齿轮副、旋转对接后端传动齿轮副、旋转对接后端传动驱动轴，其中：径向扩展驱动减速结构的两端分别与驱动前端固定板和驱动后端固定板相连，径向扩展驱动减速结构的输出驱动轴与径向扩展传动齿轮组的主动齿轮相连，旋转对接驱动减速结构设置于径向扩展驱动减速结构上并且两端分别与驱动前端固定板和驱动后端固定板相连。

所述的旋转对接前端传动齿轮副包括：旋转输入传动齿轮、前端传动齿轮、旋转输出传动齿轮、后端旋转传动轴和前端旋转传动轴，其中：旋转输入传动齿轮与旋转对接驱动减速结构的行星齿轮减速器的输出轴同轴连接，并与前端传动齿轮啮合，旋转输出传动齿轮与旋转输入传动齿轮分层设置并与前端旋转传动轴同轴连接。

所述的旋转输入传动齿轮与旋转输出传动齿轮面厚度相同。

所述的前端传动齿轮的端面厚度为旋转输出传动齿轮端面厚度的两倍并相互啮合。

所述的前端旋转对接机构和后端旋转对接机构结构相同，分别与安装模块的前后两侧相连，包括：六角形对接板、第二磁铁固定板和圆形磁铁对，其中：第二磁铁固定板设置于六角形对接板的中心凹槽内，并与第二圆形磁铁对相连。

所述的第二对接模块结构与第一对接模块相同，与安装模块的连接方式和第一对接模块水平对称。

技术效果

本发明整体解决了单体式胶囊机器人因功能复杂且可吞咽尺寸空间受限而造成的设计、加工及装配的挑战问题。

与现有技术相比，本发明有效降低了机器人胶囊的尺寸，其中安装模块尺寸为径向直径Ф13mm，轴向长度24mm；对接模块尺寸为径向直径Ф14.9mm，轴向长度24mm，胶囊安装模块和对接模块均达到了可吞咽尺寸的要求。同时，本发明的胶囊安装模块采用的对称设置于其两端的对接模块均具有可伸缩机构，单个可伸缩机构的伸缩范围为0～15mm，其两端可伸缩机构完全伸展开时，可实现胶囊机器人轴向伸缩最大距离达到30mm，从而加大了胶囊机器人的单步运动距离，有效提高了机器人的运动速度，节省了肠道检查时的检查时间。此外，相较于单体式胶囊机器人，本发明的单个胶囊模块因内部机构组件的减少，为系统能源及其它组件的安装预留了充足的实现空间。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明安装模块结构示意图；

图3为本发明安装模块传动机构示意图；

图4为本发明可伸缩对接装置示意图；

图5为本发明对接模块结构示意图；

图6为本发明驱动减速装置结构示意图；

图7为本发明旋转对接前端传动齿轮副结构示意图；

图8为本发明旋转对接机构结构示意图；

图中：安装模块1、第一对接模块2、第二对接模块3、前端机构4、后端机构5、传动机构6、前端传动导杆7、前端传动螺母滑块8、前端传动丝杠9、前端旋转传动齿轮副10、后端传动导杆11、后端传动螺母滑块12、后端传动丝杠13、后端旋转传动齿轮副14、第一前端传动齿轮15、第二前端传动齿轮16、后端第一传动齿轮17、后端第二传动齿轮18、可伸缩对接装置19、第一挡板20、第一固定板21、伸缩驱动减速装置22、六角沉孔式母座23、第一磁铁固定板24、第一圆形磁铁25、第二圆形磁铁26、滑动支撑杆27、前端旋转对接机构28、前端对接挡板29、驱动减速装置30、径向扩展机构31、径向扩展驱动杆32、后端对接挡板33、后端旋转对接机构34、驱动前端固定板35、径向扩展驱动减速结构36、径向扩展传动齿轮组37、驱动后端固定板38、旋转对接驱动减速结构39、旋转对接前端传动齿轮副40、旋转对接后端传动齿轮副41、旋转对接后端传动驱动轴42、第一旋转对接后端传动齿轮43、第二旋转对接后端传动齿轮44、旋转输入传动齿轮45、前端传动齿轮46、旋转输出传动齿轮47、后端旋转传动轴48、前端旋转传动轴49、六角形对接板50、第二磁铁固定板51、第三圆形磁铁52、第四圆形磁铁53。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种面向肠道检查的自组装微型模块化机器人，其中包含：安装模块1、第一对接模块2和第二对接模块3，其中：第一对接模块2和第二对接模块3结构相同并且对称设置于安装模块1两端。

所述的安装模块1包括：前端机构4、后端机构5和传动机构6，其中：前端机构4和后端机构5结构相同并且以传动机构6中心对称设置于传动机构6两端。

所述的传动机构6包括：前端传动导杆7、前端传动螺母滑块8、前端传动丝杠9和前端旋转传动齿轮副10、后端传动导杆11、后端传动螺母滑块12、后端传动丝杠13和后端旋转传动齿轮副14，其中：前端传动导杆7和前端传动丝杠9与后端传动导杆11和后端传动丝杠13，沿安装模块1中心轴线成两侧对称配置，前端传动螺母滑块12与前端传动丝杠9和前端传动导杆7滑动连接，后端传动螺母滑块12与后端传动丝杠13和后端传动导杆11滑动连接。

所述的前端旋转传动齿轮副10包括：相互啮合且端面厚度相同的第一前端传动齿轮15和第二前端传动齿轮16，其中：第二前端传动齿轮15与伸缩驱动减速装置22的输出轴同轴连接，第一前端传动齿轮15与前端传动丝杠9同轴连接。

所述的后端旋转传动齿轮副14包括：相互啮合且端面厚度相同的后端第一传动齿轮17和后端第二传动齿轮18，其中：后端第二传动齿轮18与伸缩驱动减速装置22的输出轴同轴连接，后端第一传动齿轮17与后端传动丝杠13同轴连接。

所述的前端机构4包括：可伸缩对接装置19、第一挡板20、第一固定板21和伸缩驱动减速装置22，其中：第一固定板21设置于传动机构6一端，伸缩驱动减速装置22设置于第一固定板21上并与传动机构6相连，第一挡板20与第一固定板21竖直设置于传动机构6一端，可伸缩对接装置19通过第一挡板20与传送机构6相连。

所述的可伸缩对接装置19包括：六角沉孔式母座23、磁铁固定板24、第一圆形磁铁25、第二圆形磁铁26和滑动支撑杆27，其中：第一圆形磁铁25和第二圆形磁铁26设置于磁铁固定板24上并与六角沉孔式母座23相连，滑动支撑杆27的一端与六角沉孔式母座23相连，另一端与前端传动螺母滑块8(或后端传动螺母滑块12)相连。

所述的第一挡板20和第一固定板19为直径相同的圆盘。

所述的可伸缩驱动减速装置19包括：电机和行星齿轮减速器。

所述的后端机构5结构与前端机构4相同，后端机构5与传动机构6的连接和前端机构4呈180°中心对称。

工作原理：前端的可伸缩对接装置19工作时，前端的伸缩驱动减速装置22将输出转矩传递到前端传动丝杠上，带动前端传动丝杠9上的前端传动螺母滑块8沿轴向运动，从而引导可伸缩对接装置19作伸缩动作。后端的可伸缩对接装置工作时，后端的伸缩驱动减速装置将输出转矩传递到后端传动丝杠13上，带动后端传动丝杠13上的后端传动螺母滑块12沿轴向运动，从而引导后端的可伸缩对接装置作伸缩动作。

所述的第一对接模块2包括：前端旋转对接机构28、前端对接挡板29、驱动减速装置30、径向扩展机构31、径向扩展驱动杆32、后端对接挡板33和后端旋转对接机构34，其中：径向扩展机构31设置于径向扩展驱动杆32的中部并与驱动减速装置30相连接，前端对接挡板29和后端对接挡板33对称设置于驱动减速装置30的两端，前端旋转对接机构28和后端旋转对接机构34分别对称设置于前端对接挡板33和后端对接挡板33上并与驱动减速装置30相连。

所述的驱动减速装置30包括：驱动前端固定板35、径向扩展驱动减速结构36、径向扩展传动齿轮组37、驱动后端固定板38、旋转对接驱动减速结构39、旋转对接前端传动齿轮副40、旋转对接后端传动齿轮副41和旋转对接后端传动驱动轴42，其中：径向扩展驱动减速结构36的两端分别与驱动前端固定板35和驱动后端固定板38相连，径向扩展驱动减速结构36的输出驱动轴与径向扩展传动齿轮组37的主动齿轮相连接，旋转对接驱动减速结构39设置于径向扩展驱动减速结构36上并且两端分别与驱动前端固定板35和驱动后端固定板38相连。

所述的旋转对接后端传动齿轮副40包括：端面厚度相同并且相互啮合的的第一旋转对接后端传动齿轮43和第二旋转对接后端传动齿轮44，其中：第二旋转对接后端传动齿轮44与旋转对接前端传动齿轮副40的输出传动轴相连，第一旋转对接后端传动齿轮43与旋转对接后端传动驱动轴42相连。

所述的旋转对接前端传动齿轮副40包括：旋转输入传动齿轮45、前端传动齿轮46、旋转输出传动齿轮47、后端旋转传动轴48和前端旋转传动轴49，其中：旋转输入传动齿轮45与旋转对接驱动减速结构39的行星齿轮减速器的输出轴同轴连接，并与前端传动齿轮46啮合，旋转输出传动齿轮47与旋转输入传动齿轮45分层设置并与前端旋转传动轴49同轴连接。

所述的旋转输入传动齿轮45与旋转输出传动齿轮47面厚度相同。

所述的前端传动齿轮46的端面厚度为旋转输出传动齿轮47端面厚度的两倍并相互啮合。

所述的径向扩展驱动减速结构36和旋转对接驱动减速结构39的结构相同，包括：电机和行星齿轮减速器。

所述的前端旋转对接机构28和后端旋转对接机构34结构相同，分别与安装模块1的前后两侧相连，包括：六角形对接板50、第二磁铁固定板51、第三圆形磁铁52和第四圆形磁铁53，其中：第二磁铁固定板51设置于六角形对接板50的中心凹槽内，并与第三圆形磁铁52和第四圆形磁铁53相连。

所述的第二对接模块3结构与第一对接模块2相同，与安装模块1的连接方式和第一对接模块2水平对称。

工作原理：前端旋转对接机构28和后端旋转对接机构34工作时，旋转对接驱动减速结构39将输出转矩传递到旋转输入前端传动齿轮45上，经前端传动齿轮46和旋转输出传动齿轮47啮合传动，驱动前端旋转传动轴49旋转，从而引导前端旋转对接机构28作旋转动作。与前端传动齿轮45同轴固定连接的后端旋转传动轴48在前端传动齿轮45动作的同时将动力传递到旋转对接后端传动齿轮副41上，从而引导后端旋转对接机构34作旋转动作。

针对现有技术中的仿尺蠖式微型胃肠道机器人机构中将轴向伸缩机构、对称设置与轴向伸缩机构两端的两个径向扩展机构集成与一个胶囊内机构复杂、胶囊尺寸难以达到可吞咽要求的难题，本装置有效降低了机器人胶囊的尺寸，其中安装模块尺寸为径向直径Ф13mm，轴向长度24mm；对接模块尺寸为径向直径Ф14.9mm，轴向长度24mm；与现有技术的最大轴向伸缩距离约为10mm相比，本装置的胶囊安装模块其两端可伸缩机构完全伸展开时，可实现轴向伸缩最大距离达到30mm，从而加大了胶囊机器人的单步运动距离，有效提高了机器人的运动速度。此外，相较于单体式胶囊机器人，本装置的单个胶囊模块因内部机构组件的减少，为系统能源及其它组件的安装预留了充足的实现空间。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (7)

1.一种面向肠道检查的自组装微型模块化机器人，其特征在于，包括：安装模块、第一对接模块和第二对接模块，其中：第一对接模块和第二对接模块结构相同并且对称设置于安装模块两端；

所述的安装模块包括：前端机构、后端机构和传动机构，其中：前端机构和后端机构结构相同并且以传动机构中心对称设置于传动机构两端；

所述的第一对接模块包括：前端旋转对接机构、前端对接挡板、驱动减速装置、径向扩展机构、径向扩展驱动杆、后端对接挡板和后端旋转对接机构，其中：径向扩展机构设置于径向扩展驱动杆的中部并与驱动减速装置相连，前端对接挡板和后端对接挡板对称设置于驱动减速装置两端，前端旋转对接机构和后端旋转对接机构分别对称设置于前端对接挡板和后端对接挡板上并与驱动减速装置相连；

所述的传动机构包括：前端传动导杆、前端传动螺母滑块、前端传动丝杠和前端旋转传动齿轮副、后端传动导杆、后端传动螺母滑块、后端传动丝杠和后端旋转传动齿轮副，其中：前端传动导杆和前端传动丝杠与后端传动导杆和后端传动丝杠，沿安装模块中心轴线成两侧对称配置，前端传动螺母滑块与前端传动丝杠和前端传动导杆滑动连接，后端传动螺母滑块与后端传动丝杠和后端传动导杆滑动连接；

所述的前端机构包括：可伸缩对接装置、第一挡板、第一固定板和伸缩驱动减速装置，其中：第一固定板设置于传动机构一端，伸缩驱动减速装置设置于第一固定板上并与传动机构相连，第一挡板与第一固定板竖直设置于传动机构一端，可伸缩对接装置通过第一挡板与传送机构相连；

所述的可伸缩对接装置包括：六角沉孔式母座、第一磁铁固定板、第一圆形磁铁对和滑动支撑杆，其中：第一圆形磁铁对设置于第一磁铁固定板上并与六角沉孔式母座相连，滑动支撑杆的一端与六角沉孔式母座相连，另一端与传动机构相连。

2.根据权利要求1所述的自组装微型模块化机器人，其特征是，所述的后端机构的结构与前端机构相同，与传动机构的连接和前端机构呈180°中心对称。

3.根据权利要求1所述的自组装微型模块化机器人，其特征是，所述的驱动减速装置包括：驱动前端固定板、径向扩展驱动减速结构、径向扩展传动齿轮组、驱动后端固定板、旋转对接驱动减速结构、旋转对接前端传动齿轮副、旋转对接后端传动齿轮副、旋转对接后端传动驱动轴，其中：径向扩展驱动减速结构的两端分别与驱动前端固定板和驱动后端固定板相连，径向扩展驱动减速结构的输出驱动轴与径向扩展传动齿轮组的主动齿轮相连，旋转对接驱动减速结构设置于径向扩展驱动减速结构上并且两端分别与驱动前端固定板和驱动后端固定板相连。

4.根据权利要求3所述的自组装微型模块化机器人，其特征是，所述的旋转对接前端传动齿轮副包括：旋转输入传动齿轮、前端传动齿轮、旋转输出传动齿轮、后端旋转传动轴和前端旋转传动轴，其中：旋转输入传动齿轮与旋转对接驱动减速结构的行星齿轮减速器的输出轴同轴连接，并与前端传动齿轮啮合，旋转输出传动齿轮与旋转输入传动齿轮分层设置并与前端旋转传动轴同轴连接。

5.根据权利要求4所述的自组装微型模块化机器人，其特征是，所述的旋转输入传动齿轮与旋转输出传动齿轮端面厚度相同；

所述的前端传动齿轮的端面厚度为旋转输出传动齿轮端面厚度的两倍并相互啮合。

6.根据权利要求1所述的自组装微型模块化机器人，其特征是，所述的前端旋转对接机构和后端旋转对接机构结构相同，分别与安装模块的前后两侧相连，包括：六角形对接板、第二磁铁固定板和第二圆形磁铁对，其中：第二磁铁固定板设置于六角形对接板的中心凹槽内，并与第二圆形磁铁对相连。

7.根据权利要求1所述的自组装微型模块化机器人，其特征是，所述的第二对接模块结构与第一对接模块相同，与安装模块的连接方式和第一对接模块水平对称。

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