CN111493798A - 一种电磁驱动型刚柔耦合内窥镜 - Google Patents

一种电磁驱动型刚柔耦合内窥镜 Download PDF

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Abstract

本发明属于内窥镜领域，并具体公开了一种电磁驱动型刚柔耦合内窥镜。该内窥镜包括前端挠性单元和末端柔性执行单元，其中：前端挠性单元的前导线组沿圆周交错分布；末端柔性执行单元的电磁铁组沿圆周交错分布，同组前导线组、后导线组和电磁铁组构成闭合回路；工作时通过在闭合回路的两端施加电压使得电磁铁组中的电磁铁获得磁性，进而使得该电磁铁组中相邻的电磁铁相吸，实现末端柔性执行单元向某一方向的弯曲。本发明能够极大减少内窥镜对人体组织造成的损伤，同时末端柔性执行单元中采用电磁驱动，具有响应速度快、稳定性好、工作精度高等优势，能够在全空间内进行大曲率灵活弯曲。

Description

一种电磁驱动型刚柔耦合内窥镜
技术领域
本发明属于内窥镜领域，更具体地，涉及一种电磁驱动型刚柔耦合内窥镜。
背景技术
内窥镜作为一种医疗检测仪器，能够经天然孔道进入体内，看到X射线不能显示的病变，有利于医生做出准确诊断。但是现有的内窥镜多为刚性结构，具有弯曲角度单一、曲率受限、成本高、顺应性差等缺点，容易对人体的软组织造成伤害，极大地影响了手术效率和操作舒适度。
软镜机器人因具有良好的柔性，在微创诊疗中得到了广泛关注。CN201720642113.0公开了一种内窥镜，其镜销由硬管部和软管部组成，其中软管部可以利用旋转导丝调节装置调整弯曲角度。CN200820153290.3公开了一种可调节软、硬的输尿管内窥镜，其利用窥镜软硬度调节键控制支撑杆在镜体内移动，实现镜体软硬调节。以上专利提供的内窥镜均具有良好的柔性，但是大多采用拉线驱动，并在控制端采用旋钮绕线操控，存在操纵力大、劳动强度大、误差远端放大等缺陷。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于电磁驱动的刚柔耦合内窥镜，前端挠性单元具有被动顺应性，末端柔性执行单元具有主动顺应性，能够极大减少内窥镜对人体组织造成的损伤，同时该末端柔性执行单元中采用电磁驱动，具有响应速度快、稳定性好、工作精度高等优势。
为实现上述目的，本发明提出了一种电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，该内窥镜包括依次连接的前端挠性单元和末端柔性执行单元，其中：
所述前端挠性单元具有被动顺应性，其包括从外到内依次设置的外皮和前导线组，预设数量的所述前导线组沿圆周交错分布在所述前端挠性单元的内部，并与所述末端柔性执行单元连接；
所述末端柔性执行单元具有主动顺应性，其包括从外到内依次设置的表皮、电磁铁组和后导线组，预设数量的所述电磁铁组沿圆周交错分布在所述末端柔性执行单元的内部，每个所述电磁铁组由预设数量的电磁铁通过所述后导线组串联而成，并且所述后导线组与所述前导线组连接，使得同组所述前导线组、后导线组和电磁铁组构成闭合回路；工作时在所述闭合回路的两端施加电压，使得所述电磁铁组中的电磁铁获得磁性，进而使得该电磁铁组中的电磁铁相吸，实现所述末端柔性执行单元向某一方向的弯曲。
作为进一步优选地，所述末端柔性执行单元还包括感知组件，所述感知组件设置在所述末端柔性执行单元的底端，用于对周围环境进行感知。
作为进一步优选地，该内窥镜还包括设置在所述前端挠性单元和末端柔性执行单元内部的检测单元，用于获取图像并进行传输，以此完成检测工作。
作为进一步优选地，所述检测单元包括照明光纤和图传组件，所述照明光纤用于提供照明，所述图传组件用于获取图像并进行传输。
作为进一步优选地，所述检测单元还包括光纤器械，用于传输激光以此完成碎石工作。
作为进一步优选地，所述闭合回路的数量为四组，并分布在上下左右四个方向。
作为进一步优选地，所述表皮采用多关节设计，并且每个关节的截面为等腰梯形，其内部设置有腔室用于放置所述电磁铁。
作为进一步优选地，所述电磁铁内部掺有同向铁粉。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明提供了一种由前端挠性单元和末端柔性执行单元组成的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其中前端挠性单元具有被动顺应性，末端柔性执行单元具有主动顺应性，能够极大减少内窥镜对人体组织造成的损伤，同时该末端柔性执行单元中采用电磁驱动，具有响应速度快、稳定性好、工作精度高等优势，能够在全空间内进行大曲率灵活弯曲，并且该内窥镜可拆卸，便于维修；
2.尤其是，本发明通过在末端柔性执行单元中设置感知组件，能够自适应控制，实现镜体-复杂人体环境交互过程中的主动顺应，在复杂环境中工作精度高；
3.此外，本发明通过对检测单元的结构进行优化，能够扩充电磁驱动型刚柔耦合内窥镜的工作内容，具有广泛的应用空间。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜的主视剖视图；
图2是按照本发明优选实施例构建的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜的主视图；
图3是按照本发明优选实施例构建的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜中末端柔性执行单元的侧面剖视图；
图4是按照本发明优选实施例构建的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜中前端挠性单元的侧面剖视图；
图5是按照本发明优选实施例构建的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜中前端挠性单元的局部放大示意图；
图6是按照本发明优选实施例构建的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜中末端柔性执行单元的局部放大示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-前端挠性单元，2-末端柔性执行单元，3-外皮，4-前导线组，5-触点组，6-电磁铁，7-表皮，8-后导线组，9-感知组件，10-照明光纤，11-图传组件，12-光纤器械，13-前触点组，14-后触点组，15-电磁铁组。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示，本发明实施例提供了一种电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，该内窥镜包括依次连接的前端挠性单元1和末端柔性执行单元2，同时还包括设置在前端挠性单元1和末端柔性执行单元2内部的检测单元，其中：
如图4、图5所示，前端挠性单元整体形状为圆柱形，刚度相对较大并且具有良好的被动顺应性，其包括从外到内依次设置的外皮3、前导线组4和传输通道组，预设数量的前导线组4沿圆周交错分布在前端挠性单元的内部，并通过前触点组13与末端柔性执行单元连接；传输通道组用于为检测单元提供安装通道，并且传输通道组中的各通道采用对称布置，以减小镜体各刚度相异对于镜体弯曲性能的影响；
如图3、图6所示，末端柔性执行单元整体呈长圆柱形，刚度相对较小并且具有良好的主动顺应性，可进行多角度、大曲率弯曲，其采用新型多关节电磁驱动系统，具体包括从外到内依次设置的表皮7、电磁铁组15、后导线组8和感知通道组，预设数量的电磁铁组15沿圆周交错分布在末端柔性执行单元的内部，每个电磁铁组15由预设数量的电磁铁6通过后导线组8串联而成，并且后导线组8通过后触点组14与前导线组4连接，使得同组前导线组4、后导线组和电磁铁组15构成闭合回路；感知通道组用于为检测单元提供安装通道，感知通道组中的各通道采用对称布置，以减小镜体各刚度相异对于镜体弯曲性能的影响，并且传输通道组与感知通道组的各通道对应相连；工作时通过在闭合回路的两端施加电压使得电磁铁组15中的电磁铁6通电，电磁铁6进行电–磁场转换获得磁性，进而使得该电磁铁组15中相邻的电磁铁6相吸，实现末端柔性执行单元向某一方向的弯曲；通过控制电磁铁组15的通电组合、通电电压大小和电压时序不同，可以实现末端柔性执行单元的全范围弯曲；
更具体地，表皮7采用多关节设计，并且每个关节的截面为等腰梯形，其内部设置有腔室，用于放置电磁铁6；电磁铁6为内部掺有同向铁粉的高分子材料，同组电磁铁6位于同方向的关节内腔室中，借助电磁铁6响应快、精确、工作稳定的特点，可实现连续自适应和全向灵活控制；
检测单元用于获取图像并进行传输，以此完成检测工作，其包括照明光纤10、图传组件11和光纤器械12，照明光纤10用于提供照明，图传组件11用于获取图像并进行传输，所述光纤器械12用于传输激光。
本发明提供的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜工作时，照明光纤10和图传组件11同时工作，可以在末端柔性执行单元2深入人体内部时返回影像信息，医生等操作者可根据当前影像判断手术进程，是否发现结石，并通过调整各电磁铁组15的电路通断情况实时调整末端柔性执行单元2的位姿。当通过图传组件11发现结石时，可通过光纤器械12传入激光进行碎石并回收。
进一步，末端柔性执行单元还包括感知组件9，感知组件9设置在末端柔性执行单元的底端，用于对周围环境进行感知。当电磁驱动型刚柔耦合内窥镜的末端柔性执行单元需要从尿道逐渐深入至肾盂以及细小肾盏，通过感知组件9内部的柔性传感器设计，可以在末端柔性执行单元触碰到人体器官或通道时，对收到的剪切力或压力信号进行检测，指导操作者在顺入过程中调整末端柔性执行单元2的运动位姿，避免操作失误或深入过快给人体带来的不适或者痛苦。
按照本发明的一个优选实施例，闭合回路的数量为四组，并交错分布在圆周的上下左右四个方向上。每组前导线组4和后导线组8分别包括两根导线，作为闭合回路电磁回路的引入线和引出线，并且前触点组13和后触点组14对应相连形成四组触点组5，每组包括两个前触点和两个后触点。
工作时，给上方的电磁体组15通电，而剩余的电磁铁组15不通电，末端柔性执行单元2整体向上方弯曲，而且通电时间越长，通电电压越大，末端柔性执行单元2的弯曲程度越大。以此类推，只给下方的电磁铁组15通电可以，使末端柔性执行单元2向下弯曲，只给左边的电磁铁组15通电可以使末端柔性执行单元2向左弯曲，只给右边的电磁铁组15通电可以使末端柔性执行单元2向右弯曲。若同时给两组相邻电磁铁组15通以相同的电压，例如上方的电磁铁组15和左边的电磁铁组15，则可使末端柔性执行单元2向左上方弯曲；若再给相邻两组或两组以上的电磁铁组15通以不同的电压，或者不同时序的电压，则可以实现末端柔性执行单元2在空间中全范围弯曲探测。例如给上方的电磁铁组15和左边的电磁铁组15分别通以不同大小或不同时序的电压，可以使末端柔性执行单元2在左上方的空间内任意弯曲，上方电磁铁组15的电压相对大，则末端柔性执行单元2更偏向上方，左边电磁铁组15的电压相对大则末端柔性执行单元2更偏向左边。选择不同的电磁铁组15和不同通电方式的组合可以使柔性执行单元在狭窄空间内的顺应控制和全范围弯曲探测。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，该内窥镜包括依次连接的前端挠性单元(1)和末端柔性执行单元(2)，其中：
所述前端挠性单元具有被动顺应性，其包括从外到内依次设置的外皮(3)和前导线组(4)，预设数量的所述前导线组(4)沿圆周交错分布在所述前端挠性单元的内部，并与所述末端柔性执行单元连接；
所述末端柔性执行单元具有主动顺应性，其包括从外到内依次设置的表皮(7)、电磁铁组(15)和后导线组(8)，预设数量的所述电磁铁组(15)沿圆周交错分布在所述末端柔性执行单元的内部，每个所述电磁铁组(15)由预设数量的电磁铁(6)通过所述后导线组(8)串联而成，并且所述后导线组(8)与所述前导线组(4)连接，使得同组所述前导线组(4)、后导线组和电磁铁组(15)构成闭合回路；工作时在所述闭合回路的两端施加电压，使得所述电磁铁组(15)中的电磁铁(6)获得磁性，进而使得该电磁铁组(15)中的电磁铁(6)相吸，实现所述末端柔性执行单元向某一方向的弯曲。
2.如权利要求1所述的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，所述末端柔性执行单元还包括感知组件(9)，所述感知组件(9)设置在所述末端柔性执行单元的底端，用于对周围环境进行感知。
3.如权利要求1所述的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，该内窥镜还包括设置在所述前端挠性单元(1)和末端柔性执行单元(2)内部的检测单元，用于获取图像并进行传输，以此完成检测工作。
4.如权利要求3所述的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，所述检测单元包括照明光纤(10)和图传组件(11)，所述照明光纤(10)用于提供照明，所述图传组件(11)用于获取图像并进行传输。
5.如权利要求4所述的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，所述检测单元还包括光纤器械(12)，用于传输激光以此完成碎石工作。
6.如权利要求1所述的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，所述闭合回路的数量为四组，并分布在上下左右四个方向。
7.如权利要求1所述的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，所述表皮(7)采用多关节设计，并且每个关节的截面为等腰梯形，其内部设置有腔室用于放置所述电磁铁(6)。
8.如权利要求1～7任一项所述的电磁驱动型刚柔耦合内窥镜，其特征在于，所述电磁铁(6)内部掺有同向铁粉。
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