CN111870799A - 用于胃肠道微型机器人的面接触式扩张驻留装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于胃肠道微型机器人的扩张驻留装置，包括：具有双层扩张臂和面接触壳的扩张装置、动力装置、传动装置和固定装置，其中：动力装置穿过固定装置，与传动装置相连，将动力通过传动装置传递给扩张装置的双层扩张臂实现张合，使得面接触壳与肠道形成面接触并撑开肠道，本装置采用上下层内齿圈对称交错运动的面接触的方式，显著提高了扩张机构与肠道的接触面积和扩张运动速度。在提升安全性、扩张速度同时保证了较大的变径比，而且简化了装置的内部结构，提高了机构运行稳定性，为传感器预留空间。

Description

用于胃肠道微型机器人的面接触式扩张驻留装置
技术领域
本发明涉及的是一种微型机器人领域的技术，具体是一种用于胃肠道微型机器人的面接触式形式的扩张驻留装置。
背景技术
现有微型主动式肠道机器人的扩张装置的特点是：由多层腿式、扩张臂式机构和相应的传动机构组成，与肠道的作用部位为装置的多层腿或扩张臂的端部，其缺点在于：1.扩张驻留过程中与肠道的有效接触面积较小，可近似为点接触或线接触，且在扩张过程扩张臂的运动造成了接触位置的变化，存在着较大划伤肠道的风险。2.现有驻留装置提供的驻留摩擦力较小，难以提供足够的摩擦力限制机器人相对肠壁滑动。3.变径比(机构完全扩张时的直径与完全收缩时的直径比值)普遍较小，不能撑开人体中较粗的肠道，适用性有限。4.传动链路过长，且结构复杂，降低了装置可靠性。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于胃肠道微型机器人的扩张驻留装置，采用上下层内齿圈对称交错运动的面接触的方式，显著提高了扩张机构与肠道的接触面积和扩张运动速度。在提升安全性、扩张速度同时保证了较大的变径比，而且简化了装置的内部结构，提高了机构运行稳定性，为传感器预留空间。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种用于胃肠道微型机器人的面接触扩张驻留装置，包括：具有双层扩张臂和面接触壳的扩张装置、动力装置、传动装置和固定装置，其中：动力装置穿过固定装置，与传动装置相连，将动力通过传动装置传递给扩张装置的双层扩张臂实现张合，使得面接触壳与肠道形成面接触并撑开肠道。
所述的扩张装置包括：沿圆周方向均布的三组双层扩张臂和与之连接的面接触壳。
所述的双层扩张臂包括：大扩张臂和小扩张臂，其中：大扩张臂的长度长于小扩张臂，大扩张臂的一端与环形齿轮上的凸环通过连接柱固定，可绕凸环旋转，大扩张臂的另一端与小扩张臂的一端转动连接，小扩张臂另一端与面接触壳转动连接。
所述的转动连接均通过连接柱的方式连接，实现转动自由。
所述的面接触壳为三分之一圆周的薄壁壳，厚度为0.3mm，宽度略大于两层扩张臂的总宽度，通过环形齿轮上的微槽进行收缩状态的限位。
所述的面接触壳的外侧接触面密布有微小菱形纹理。
所述的大扩张臂包括：相同结构X字形对称设置的上层大扩张臂和下层大扩张臂，其中交叉处使用连接柱对称转动连接。
所述的大扩张臂在自然状态下，截平面为轻微弯曲，以提高支撑强度。
所述的小扩张臂包括：上层小扩张臂和下层小扩张臂，其中：上层小扩张臂中间有直槽，与下层小扩张臂的突出圆柱轴部配合，在实现扩张面接触壳的同时，限制了两小扩张臂的相对运动的轨迹，使得整个结构更加稳定可靠。
所述的固定装置包括：挡板、盖板和中心轴，其中：中心轴穿过挡板、盖板的圆心，对挡板、盖板以及传动装置起径向定位的作用，挡板上为减速器留有孔位。
所述的动力装置包括：减速器、连接套筒和电机，其中：连接套筒用于连接固定减速器与电机，减速器穿过挡板上的孔位，与挡板保持位置固定，将动力传递给传动装置。
所述的传动装置包括：传动齿轮组、带有内齿圈的上下环形齿轮、齿轮中心柱和套筒，其中：传动齿轮组包含五个尺寸相同的外齿轮，与环形齿轮在同一平面，将减速器输出的动力传递到上下内齿圈，套筒对齿轮进行轴向固定。
技术效果
本发明整体解决了现有装置在扩张驻留过程中与肠道的有效接触面积不足，且在扩张过程扩张臂的运动会造成接触位置的变化。现有驻留装置提供的驻留摩擦力较小，不足以限制机器人相对肠壁滑动。现有驻留装置变径比普遍较小，不能撑开人体中较粗的肠道且传动链路过长，且结构复杂，装置可靠性不足。
与现有技术相比，本发明由双层大小扩张臂驱动面接触壳，相比点接触和线接触的接触形式，显著增大了扩张机构与肠道的接触面积，且能够保证扩张过程中始终较为稳定的有效接触面积。面接触壳的外侧接触面密布有微小菱形纹理，可显著增大摩擦力。采用上下层内齿圈对称交错运动的设计，扩张运动速度得到提升。在提升安全性、扩张速度同时保证了较大的变径比，而且简化了装置的内部结构，使用相同尺寸的齿轮组传动，提高了机构运行稳定性。
附图说明
图1为面接触扩张驻留装置的整体结构示意图；
图2为扩张状态的传动装置和扩张装置结构示意图；
图3为机构扩张过程运动示意图；
图4为动力装置结构示意图；
图5为面接触壳外侧示意图；
图6为面接触壳内侧示意图；
图中：1为固定装置、1-1为盖板、1-2为挡板、1-3为中心轴、2为动力装置、2-1为行星齿轮减速器、2-2为连接套筒、2-3为电机、3为传动装置、3-1为上层环形齿轮、3-2为下层环形齿轮、3-3为上层环形齿轮内齿圈、3-13为下层环形齿轮内齿圈、3-4、3-7、3-8、3-9、3-10为传动齿轮组、3-5、3-6为D轴、3-11、3-12为齿轮固定柱、3-14为齿轮套筒、3-15为凸环、4为扩张装置、4-1为上层大扩张臂、4-2为下层大扩张臂、4-3为扩张臂连接柱、4-4为下层小扩张臂、4-5为上层小扩张臂、4-10为面接触壳。
具体实施方式
如图1～图6所示，为本实施例涉及一种用于胃肠道微型机器人的扩张驻留装置，包括：扩张装置、动力装置、传动装置和固定装置。
所述的动力装置包括：电机2-3、电机套筒2-2和与传动装置的齿轮3-7通过D轴3-5相连的四层行星齿轮减速器2-1。
如图2所示，所述的传动装置包括：传动齿轮组3-4、3-7、3-8、3-9、3-10，上层环形齿轮3-1，下层环形齿轮3-2。其中：齿轮3-4、3-7、3-8、3-9、3-10半径和厚度完全相同，齿轮3-7和齿轮3-8以及齿轮3-10啮合，齿轮3-8和内齿圈3-3啮合，带动上层环形齿轮3-1转动，齿轮3-10和齿轮3-9啮合，齿轮3-9和齿轮3-4通过D轴3-6连接，齿轮3-4和下层内齿圈3-13啮合，带动下层环形齿轮3-2按照相反相向转动。
所述的内齿圈3-3、3-13在分别在环形齿轮3-1、3-2内圈，所对圆心角为90°。内齿圈3-3与齿轮3-7、3-8、3-9、3-10处在同一平面，内齿圈3-13与齿轮3-4处在同一平面。
所述的固定装置包括：盖板1-1，挡板1-2和穿过两板中心的中心轴1-3。中心轴1-3起到径向定位的作用。
如图2所示，所述的扩张装置包括：与上层环形齿轮3-1通过4-7连接的上层大扩张臂4-1，对称放置的下层大扩张臂4-2，其中上层和下层大扩张臂通过连接柱4-3连接，下层小扩张臂4-4通过上表面的突出轴4-6与上层小扩张臂的凹槽连接，二者可沿槽的方向相对运动，小扩张臂的末端与面接触壳4-10连接，实现面接触形式的扩张驻留。
所述的面接触壳4-10为三分之一圆周的薄壁壳，三对面接触壳在完全收缩状态下，与上下环形齿轮的微槽3-15、3-16贴合，形成对扩张装置的完全密封，最大程度利用了机器人外周的有效接触面积。面接触壳4-10内侧有一对凸耳4-8、4-9用以和小扩张臂连接。
如图3～图4所示，本装置采用直流电机驱动，电机转矩经齿轮组传输，驱动上下内齿圈等速反向旋转，带动大扩张臂和小扩张臂伸出面接触壳，扩张肠道。收缩运动时，电机反转，带动大扩张臂和小扩张臂收回面接触壳，收缩到限位状态。
本实施例整体收缩状态下的最大直径为15mm，完全张开后，面接触壳形成的最大直径与收缩状态下的直径比，即变径比，为2.76，与肠道的最大有效接触面积为339.3mm2，相比以往的点接触和线接触形式的扩张，实现保证较大变径比下的面接触扩张形式，接触面积大幅提升。
与现有技术相比，本装置扩张驻留过程中与肠道的有效接触面积为300mm2以上，最大有效接触面积为339.3mm2。2.驻留装置提供的驻留摩擦力在使用大接触面带有微小菱形细密纹理的面接触壳后显著提升。3.收缩状态下，直径仅为15mm，变径比达到2.76。4.传动力由电机输出轴通过单个齿轮直接驱动内齿圈，传动链路大大缩减。
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)

1.一种用于胃肠道微型机器人的面接触扩张驻留装置，其特征在于，包括：具有双层扩张臂和面接触壳的扩张装置、动力装置、传动装置和固定装置，其中：动力装置穿过固定装置，与传动装置相连，将动力通过传动装置传递给扩张装置的双层扩张臂实现张合，使得面接触壳与肠道形成面接触并撑开肠道；
所述的扩张装置包括：沿圆周方向均布的三组双层扩张臂和与之连接的面接触壳；
所述的双层扩张臂包括：大扩张臂和小扩张臂，其中：大扩张臂的长度长于小扩张臂，大扩张臂的一端与环形齿轮上的凸环通过连接柱固定，可绕凸环旋转，大扩张臂的另一端与小扩张臂的一端转动连接，小扩张臂另一端与面接触壳转动连接；
所述的转动连接均通过连接柱的方式连接，实现转动自由。
2.根据权利要求1所述的用于胃肠道微型机器人的面接触扩张驻留装置，其特征是，所述的面接触壳为三分之一圆周的薄壁壳，通过环形齿轮上的微槽进行收缩状态的限位；
所述的面接触壳的外侧接触面密布有微小菱形纹理。
3.根据权利要求1所述的用于胃肠道微型机器人的面接触扩张驻留装置，其特征是，所述的大扩张臂包括：相同结构X字形对称设置的上层大扩张臂和下层大扩张臂，其中交叉处使用连接柱对称转动连接；
所述的大扩张臂在自然状态下，截平面为轻微弯曲，以提高支撑强度。
4.根据权利要求1所述的用于胃肠道微型机器人的面接触扩张驻留装置，其特征是，所述的小扩张臂包括：上层小扩张臂和下层小扩张臂，其中：上层小扩张臂中间有直槽，与下层小扩张臂的突出圆柱轴部配合，在实现扩张面接触壳的同时，限制了两小扩张臂的相对运动的轨迹，使得整个结构更加稳定可靠。
5.根据权利要求1所述的用于胃肠道微型机器人的面接触扩张驻留装置，其特征是，所述的固定装置包括：挡板、盖板和中心轴，其中：中心轴穿过挡板、盖板的圆心，对挡板、盖板以及传动装置起径向定位的作用，挡板上为减速器留有孔位。
6.根据权利要求1所述的用于胃肠道微型机器人的面接触扩张驻留装置，其特征是，所述的动力装置包括：减速器、连接套筒和电机，其中：连接套筒用于连接固定减速器与电机，减速器穿过挡板上的孔位，与挡板保持位置固定，将动力传递给传动装置。
7.根据权利要求1所述的用于胃肠道微型机器人的面接触扩张驻留装置，其特征是，所述的传动装置包括：传动齿轮组、带有内齿圈的上下环形齿轮、齿轮中心柱和套筒，其中：传动齿轮组包含五个尺寸相同的外齿轮，与环形齿轮在同一平面，将减速器输出的动力传递到上下内齿圈，套筒对齿轮进行轴向固定。
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