CN111588336A - 一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人 - Google Patents

一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人，包括胶囊壳体、以及安装于所述胶囊壳体内部的摄像机模块、供能电池、控制板、钳位式运动模块。本发明的有益效果是：本发明结构简单紧凑，其内部安装了一个微型电机和丝杆等简单的机械结构；该钳位式主动运动胶囊机器人具备钳制在肠道中特定位置、撑开坍塌的肠道内壁和在肠道内部主动前进运动的三大功能，解决了现阶段无线胶囊内窥镜无法在肠道内部主动运动的问题。

Description

一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械技术领域，尤其涉及一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人。
背景技术
自从2000年以来，国内外的医疗器械公司，包括日本的奥林巴斯公司、韩国的IntroMedic公司、中国的金山科技集团和安翰科技公司等公司，相继推出无线胶囊内窥镜产品并投入临床使用，很大程度上减轻了肠胃病患者检查时的痛苦和提高了肠胃病疾病的筛查率。然而同时，由于无线胶囊内窥镜缺少主动运动的能力，使用它进行肠胃病检查时出现了许多漏诊误诊和引发其他肠胃并发症的案例。比如，现有的无线胶囊内窥镜只能够在肠道的自然收缩下被动前进，不能够将自身固定在肠道某一处或者撑开塌陷的肠道壁进行细致的图像观察和采集，甚至可能会发生胶囊堵塞情况(胶囊内窥镜在人体内滞留超过两周时间)并引发其他肠道疾病。
现有的胶囊机器人大部分采用的是蠕虫式的方法去实现胶囊机器人的主动运动，基于蠕虫式方法的主动运动胶囊机器人内部需要安装三个微型电机和使用复杂的机械结构，这将不利于主动式运动胶囊机器人提升其续航能力和实现微型化。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人。
本发明提供了一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人，包括胶囊壳体、以及安装于所述胶囊壳体内部的摄像机模块、供能电池、控制板、钳位式运动模块，所述供能电池用于对所述摄像机模块、所述控制板和钳位式运动模块进行供电，所述控制板分别与所述摄像机模块和所述钳位式运动模块相连，且所述控制板用于对所述摄像机模块和所述钳位式运动模块进行控制，所述摄像机模块位于所述胶囊壳体顶部；所述钳位式运动模块包括驱动机构、锚定腿，所述锚定腿数量为多个，所述驱动机构与多个所述锚定腿相连，所述驱动机构用于驱动所述锚定腿张开及收缩。
作为本发明的进一步改进，所述驱动机构为电机丝杆螺母组件，所述钳位式运动模块还包括移动件、移动腿支架、弹簧、弹簧卡套，所述电机丝杆螺母组件由微型电机、丝杆螺母和传动丝杆组成，所述微型电机固定安装于所述胶囊壳体内部，所述丝杆螺母通过螺纹配合连接在所述传动丝杆上；所述传动丝杆一端与所述微型电机的转动轴同轴固定连接，所述移动件安装在所述丝杆螺母上，当所述微型电机带动所述传动丝杆转动时，所述移动件将同丝杆螺母一起在所述传动丝杆上水平移动；所述移动腿支架中间设有过孔，所述移动腿支架周边设有第三内孔，所述过孔嵌套在所述传动丝杆上，所述移动腿支架能够在所述传动丝杆上进行移动，所述锚定腿从所述第三内孔中穿出，所述锚定腿顶端与所述移动件为活动连接，所述锚定腿末端设有接触部，所述锚定腿和所述第三内孔数量相同、位置对应；所述弹簧两端分别连接所述移动腿支架和所述弹簧卡套，所述弹簧卡套固定于所述胶囊壳体底部。
作为本发明的进一步改进，所述钳位式运动模块还包括微型轴承，所述胶囊壳体底部设有圆环形凸台，所述传动丝杆另一端通过轴孔配合嵌套在所述微型轴承的内圈中，所述微型轴承的外圈通过轴孔配合嵌套在所述圆环形凸台的内圈中。
作为本发明的进一步改进，所述弹簧卡套通过轴孔配合嵌套在所述圆环形凸台的外圈上，与胶囊壳体固定连接。
作为本发明的进一步改进，所述微型电机设有凸台，所述胶囊壳体设有通孔，所述凸台嵌入所述通孔内，从而使所述微型电机固定连接在所述胶囊壳体内部。
作为本发明的进一步改进，所述丝杆螺母的外轮廓是正六边形；所述移动件截面呈现等边三角形，所述移动件内部设有第一内空，所述移动件外部设有三个第二内空，所述第一内空为正六边形，所述第二内空为矩形；所述第二内空的对称中心具有圆柱形通孔，三个所述第二内空呈120度对称分布，所述移动件通过第一内空嵌套在所述丝杆螺母上，与其固定连接。
作为本发明的进一步改进，所述第三内孔呈梯形，所述过孔为圆柱形，所述锚定腿为三个，三个所述锚定腿呈120度对称分布，所述锚定腿顶端与所述第二内空为活动连接。
作为本发明的进一步改进，所述钳位式运动模块还包括圆柱形插销，所述锚定腿顶端设有圆柱形通孔，所述圆柱形插销分别穿过第二内空上的圆柱形通孔和所述圆柱形通孔，将所述锚定腿与所述移动件通过转动副的形式连接。
作为本发明的进一步改进，所述胶囊壳体由两个镜像对称的壳体组成，两个壳体固定连接合成一个完整的胶囊壳体；所述胶囊壳体设有开口，所述开口与所述锚定腿的数量相同、位置对应，所述锚定腿能够从所述开口中伸出。
作为本发明的进一步改进，所述摄像机模块、所述供能电池、所述控制板均具备防水功能；所述接触部的材料为对人体无害、且与肠道内壁间具有较大摩擦系数的材料。
本发明的有益效果是：本发明结构简单紧凑，其内部安装了一个微型电机和丝杆等简单的机械结构；该钳位式主动运动胶囊机器人具备钳制在肠道中特定位置、撑开坍塌的肠道内壁和在肠道内部主动前进运动的三大功能，解决了现阶段无线胶囊内窥镜无法在肠道内部主动运动的问题。
附图说明
图1a是钳位式主动运动胶囊机器人处于初始状态的结构示意图；
图1b是钳位式主动运动胶囊机器人处于钳位状态的结构示意图；
图2是本发明的分解结构示意图；
图3是钳位式运动模块的结构示意图；
图4a表示钳位式主动运动胶囊机器人实现钳位式主动运动的第一个阶段的过程示意图；
图4b表示钳位式主动运动胶囊机器人实现钳位式主动运动的第二个阶段的过程示意图；
图4c表示钳位式主动运动胶囊机器人实现钳位式主动运动的第三个阶段的过程示意图。
具体实施方式
本发明公开了一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人，图1a中的钳位式主动运动胶囊机器人处于初始状态，其内部的锚定腿504处于收缩状态。在图1b中，钳位式主动运动胶囊机器人处于钳位状态，其内部的锚定腿504处于伸出状态，即张开。
如图2、3所示，该钳位式主动运动胶囊机器人包括胶囊壳体1、以及安装于所述胶囊壳体1内部的摄像机模块2、供能电池3、控制板4、钳位式运动模块5，所述供能电池3用于对所述摄像机模块2、所述控制板4和钳位式运动模块5进行供电，所述控制板4分别与所述摄像机模块2和所述钳位式运动模块5相连，且所述控制板4用于对所述摄像机模块2和所述钳位式运动模块5进行控制，所述摄像机模块2位于所述胶囊壳体1顶部；所述钳位式运动模块5包括驱动机构、锚定腿504，所述锚定腿504数量为多个，所述驱动机构与多个所述锚定腿504相连，所述驱动机构用于驱动所述锚定腿504张开及收缩。
所述胶囊壳体1由两个镜像对称的壳体组成，两个壳体固定连接合成一个完整的胶囊壳体1；所述胶囊壳体1设有开口102，所述开口102与所述锚定腿504的数量相同、位置对应，所述锚定腿504能够从所述开口102中伸出。优选的，开口102为三个，呈120度对称分布。
供能电池3和控制板4固定嵌套在胶囊壳体1内部。摄像机模块2与胶囊壳体1固定连接，用于肠道内部图像的采集。
所述驱动机构为电机丝杆螺母组件501，所述钳位式运动模块5还包括移动件502、移动腿支架503、弹簧506、弹簧卡套507，所述电机丝杆螺母组件501由微型电机5011、丝杆螺母5012和传动丝杆5013组成，所述微型电机5011固定安装于所述胶囊壳体1内部，所述丝杆螺母5012通过螺纹配合连接在所述传动丝杆5013上；所述传动丝杆5013一端与所述微型电机5011的转动轴同轴固定连接，所述移动件502安装在所述丝杆螺母5012上，当所述微型电机5011带动所述传动丝杆5013转动时，所述移动件502将同丝杆螺母5012一起在所述传动丝杆5013上水平移动；所述移动腿支架503中间设有过孔5032，所述移动腿支架503周边设有第三内孔5031，所述过孔5032嵌套在所述传动丝杆5013上，所述移动腿支架503能够在所述传动丝杆5013上进行移动，所述锚定腿504从所述第三内孔5031中穿出，所述锚定腿504顶端与所述移动件502为活动连接，所述锚定腿504末端设有接触部5041，所述锚定腿504和所述第三内孔5031数量相同、位置对应；所述弹簧506两端分别连接所述移动腿支架503和所述弹簧卡套507，起到连接移动腿支架503和弹簧卡套507的作用，所述弹簧卡套507固定于所述胶囊壳体1底部。
所述钳位式运动模块5还包括微型轴承508，所述胶囊壳体1底部设有圆环形凸台101，所述传动丝杆5013另一端通过轴孔配合嵌套在所述微型轴承508的内圈中，所述微型轴承508的外圈通过轴孔配合嵌套在所述圆环形凸台101的内圈中。
所述弹簧卡套507通过轴孔配合嵌套在所述圆环形凸台101的外圈上，与胶囊壳体1固定连接。
所述微型电机5011设有凸台5014，所述胶囊壳体1设有通孔103，所述凸台5014嵌入所述通孔103内，从而使所述微型电机5011固定连接在所述胶囊壳体1内部。
所述丝杆螺母5012的外轮廓是正六边形；所述移动件502截面呈现等边三角形，所述移动件502内部设有第一内空5021，所述移动件502外部设有三个第二内空5022，所述第一内空5021为正六边形，所述第二内空5022为矩形；所述第二内空5022的对称中心具有圆柱形通孔，三个所述第二内空5022呈120度对称分布，所述移动件502通过第一内空5021嵌套在所述丝杆螺母5012上，与其固定连接。
所述第三内孔5031呈梯形，所述过孔5032为圆柱形，所述锚定腿504为三个，三个所述锚定腿504呈120度对称分布，所述锚定腿504顶端与所述第二内空5022为活动连接。
所述钳位式运动模块5还包括圆柱形插销505，所述锚定腿504顶端设有圆柱形通孔5042，所述圆柱形插销505分别穿过第二内空5022上的圆柱形通孔和所述圆柱形通孔5042，将所述锚定腿504与所述移动件502通过转动副的形式连接。
所述摄像机模块2、所述供能电池3、所述控制板4均具备防水功能；所述接触部5041的材料为对人体无害、且与肠道内壁间具有较大摩擦系数的材料。
图4a、图4b、图4c是钳位式主动运动胶囊机器人在肠道内部进行钳位式主动运动的过程示意图。以下将结合该图说明钳位式运动模块5的机构运动原理和胶囊机器人实现钳式主动运动的过程。为方便说明和查看胶囊机器人内部结构变化，图中对胶囊壳体1的一半壳体进行了隐藏化处理。图4a、图4b、图4c中的黑色粗实线表示简化的肠道内壁，黑色细虚线用来标记位置变化，椭圆形细虚线用于标记强调锚定腿504与肠道内壁的接触情况。图4a表示胶囊机器人实现钳位式主动运动的第一个阶段。在第一个阶段中，假设微型电机5011带动传动丝杆5013正向转动，丝杆螺母5012与传动丝杆5013间的作用力将带动移动件502向移动腿支架503移动靠近。移动腿支架503在圆环形弹簧506的支持作用下将保持在原位置。在移动件502向移动腿支架503移动靠近的过程中，锚定腿504将逐渐向外展开并撑开坍塌的肠道内壁。当移动件502与移动腿支架503重合时，锚定腿504达到最大伸出位置与肠道内壁接触并将胶囊机器人钳制在该位置，在该状态下，胶囊机器人能够停留在该位置保持不动，更好的进行图像采集和其他功能。图4b表示胶囊机器人实现钳位式主动运动的第二个阶段。在第二个阶段中，微型电机5011继续带动传动丝杆5013正向转动，但此时钳制在肠道内壁上的锚定腿504将阻止移动件502继续向胶囊壳体1底部水平移动(图中为向左方向移动)，这时丝杆螺母5012与传动丝杆5013间的作用力将作用在传动丝杆5013上，进而压缩圆环形的弹簧506的同时将胶囊壳体1整体向移动件502方向(图中为右方向)推进距离L。图4c表示胶囊机器人实现钳位式主动运动的第三个阶段。在第三个阶段中，微型电机5011带动传动丝杆5013反向转动，移动件502逐渐远离胶囊壳体1底部(图中为向右方向移动)，做回程水平运动。同时，移动腿支架503在被压缩了距离L的弹簧506的弹力和与锚定腿504间的摩擦拉力作用下也做回程水平运动。直至锚定腿504完全收回胶囊机器人壳体内部和弹簧506恢复初始长度。此过程结束，胶囊机器人整体不发生水平移动且又恢复到了第一阶段的初始状态。基于以上三个运动阶段，本发明的基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人能够完成钳制在肠道中特定位置、撑开坍塌的肠道内壁和主动前进运动三大功能。
本发明的有益效果如下：
1.基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人，结构简单紧凑，其内部只安装了一个微型电机5011和简单的机械结构，就能够通过周期性钳制在肠道内壁上的方式(钳位式)主动地在肠道内部进行移动。
2.基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人，其具备钳制在肠道中特定位置、撑开坍塌的肠道内壁和在肠道内部主动前进运动的三大功能，解决了现阶段无线胶囊内窥镜无法在肠道内部主动运动的问题。
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)

1.一种基于丝杆的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：包括胶囊壳体(1)、以及安装于所述胶囊壳体(1)内部的摄像机模块(2)、供能电池(3)、控制板(4)、钳位式运动模块(5)，所述供能电池(3)用于对所述摄像机模块(2)、所述控制板(4)和钳位式运动模块(5)进行供电，所述控制板(4)分别与所述摄像机模块(2)和所述钳位式运动模块(5)相连，且所述控制板(4)用于对所述摄像机模块(2)和所述钳位式运动模块(5)进行控制，所述摄像机模块(2)位于所述胶囊壳体(1)顶部；所述钳位式运动模块(5)包括驱动机构、锚定腿(504)，所述锚定腿(504)数量为多个，所述驱动机构与多个所述锚定腿(504)相连，所述驱动机构用于驱动所述锚定腿(504)张开及收缩。
2.根据权利要求1所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述驱动机构为电机丝杆螺母组件(501)，所述钳位式运动模块(5)还包括移动件(502)、移动腿支架(503)、弹簧(506)、弹簧卡套(507)，所述电机丝杆螺母组件(501)由微型电机(5011)、丝杆螺母(5012)和传动丝杆(5013)组成，所述微型电机(5011)固定安装于所述胶囊壳体(1)内部，所述丝杆螺母(5012)通过螺纹配合连接在所述传动丝杆(5013)上；所述传动丝杆(5013)一端与所述微型电机(5011)的转动轴同轴固定连接，所述移动件(502)安装在所述丝杆螺母(5012)上，当所述微型电机(5011)带动所述传动丝杆(5013)转动时，所述移动件(502)将同丝杆螺母(5012)一起在所述传动丝杆(5013)上水平移动；所述移动腿支架(503)中间设有过孔(5032)，所述移动腿支架(503)周边设有第三内孔(5031)，所述过孔(5032)嵌套在所述传动丝杆(5013)上，所述移动腿支架(503)能够在所述传动丝杆(5013)上进行移动，所述锚定腿(504)从所述第三内孔(5031)中穿出，所述锚定腿(504)顶端与所述移动件(502)为活动连接，所述锚定腿(504)末端设有接触部(5041)，所述锚定腿(504)和所述第三内孔(5031)数量相同、位置对应；所述弹簧(506)两端分别连接所述移动腿支架(503)和所述弹簧卡套(507)，所述弹簧卡套(507)固定于所述胶囊壳体(1)底部。
3.根据权利要求2所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述钳位式运动模块(5)还包括微型轴承(508)，所述胶囊壳体(1)底部设有圆环形凸台(101)，所述传动丝杆(5013)另一端通过轴孔配合嵌套在所述微型轴承(508)的内圈中，所述微型轴承(508)的外圈通过轴孔配合嵌套在所述圆环形凸台(101)的内圈中。
4.根据权利要求3所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述弹簧卡套(507)通过轴孔配合嵌套在所述圆环形凸台(101)的外圈上，与胶囊壳体(1)固定连接。
5.根据权利要求2所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述微型电机(5011)设有凸台(5014)，所述胶囊壳体(1)设有通孔(103)，所述凸台(5014)嵌入所述通孔(103)内，从而使所述微型电机(5011)固定连接在所述胶囊壳体(1)内部。
6.根据权利要求2所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述丝杆螺母(5012)的外轮廓是正六边形；所述移动件(502)截面呈现等边三角形，所述移动件(502)内部设有第一内空(5021)，所述移动件(502)外部设有三个第二内空(5022)，所述第一内空(5021)为正六边形，所述第二内空(5022)为矩形；所述第二内空(5022)的对称中心具有圆柱形通孔，三个所述第二内空(5022)呈120度对称分布，所述移动件(502)通过第一内空(5021)嵌套在所述丝杆螺母(5012)上，与其固定连接。
7.根据权利要求6所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述第三内孔(5031)呈梯形，所述过孔(5032)为圆柱形，所述锚定腿(504)为三个，三个所述锚定腿(504)呈120度对称分布，所述锚定腿(504)顶端与所述第二内空(5022)为活动连接。
8.根据权利要求7所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述钳位式运动模块(5)还包括圆柱形插销(505)，所述锚定腿(504)顶端设有圆柱形通孔(5042)，所述圆柱形插销(505)分别穿过第二内空(5022)上的圆柱形通孔和所述圆柱形通孔(5042)，将所述锚定腿(504)与所述移动件(502)通过转动副的形式连接。
9.根据权利要求1所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述胶囊壳体(1)由两个镜像对称的壳体组成，两个壳体固定连接合成一个完整的胶囊壳体(1)；所述胶囊壳体(1)设有开口(102)，所述开口(102)与所述锚定腿(504)的数量相同、位置对应，所述锚定腿(504)能够从所述开口(102)中伸出。
10.根据权利要求2至9任一项所述的钳位式主动运动胶囊机器人，其特征在于：所述摄像机模块(2)、所述供能电池(3)、所述控制板(4)均具备防水功能；所述接触部(5041)的材料为对人体无害、且与肠道内壁间具有较大摩擦系数的材料。
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