CN111921071B - 一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人及其控制方法。传统给药机械人无法精准靶向给药，且无法携带多种药物。本发明的头部基体与尾部基体通过伸缩杆连接；内壳折纸机构和外壳折纸机构的头部圆环均与头部基体固定；外壳折纸机构的尾部圆环与尾部基体通过莲叶形展开翼连接。本发明方法：电磁线圈和外部磁场源作用将机器人粗定位，然后内、外壳折纸机构和帕尔贴元件及外部磁场源配合实现精确定位，莲叶形展开翼展开给药；需要时内壳折纸机构单独收缩二次给药。本发明实现人体内精准定向给药，且能实现多种药物同时给药，或分级以及多位置给药。

Description

一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人及其控制方法

技术领域

本发明微型机器人技术领域，具体涉及一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人及其控制方法。

背景技术

折纸艺术并非仅仅是一种手工活动，其内在蕴含了复杂的数学、力学以及空间几何学的知识。进一步，折纸艺术使得一张材料可以于二维以及三维之间转化，也可以于三维内更改结构状态以及复原。进一步，通过控制折纸机构的折痕受力便能改变折纸机构的形状。

随着机器人技术的发展，机器人在各个行业领域的广泛应用，使得人类从各种繁重危险的工作中解脱出来。随着机器人在各个行业应用的深入，对机器人的要求也逐步提高。传统机器人目前一般采用的是电机驱动、机械传动等有源控制，导致成本较高，体积大、柔性不足、灵活度不够，无法实现于小作业空间里的细致移动与作业。

随着医学的发展，靶向给药系统愈发受到医学界的重视，靶向给药系统是通过载体使药物选择性浓集于病变部位的给药系统，病变部位常被形象的称为靶部位，它可以是靶组织、靶器官，也可以是靶细胞或细胞内的某靶点。凡能将治疗药物专一性地导向所需发挥作用的部位(靶区)，而对非靶组织没有或几乎没有相互作用的制剂统称为靶向制剂。靶向制剂不仅要求药物到达病变部位，而且要求具有一定浓度的药物在这些靶部位滞留一定的时间，以便发挥药效，成功的靶向制剂应具备定位、浓集、控释及无毒可生物降解等四个要素。靶向制剂可以提高药效、降低毒性，可以提高药品的安全性、有效性、可靠性和病人用药的顺应性。当前医学主要制成靶向制剂的材料有脂质体、微球、微囊、纳米粒等。制备脂质体的方法有薄膜分散法，薄膜超声法等等。制备微球微囊，有单凝聚法、复凝聚法，液中干燥法、溶剂-非溶剂法、改变温度法等物理化学方法，还有界面交联、界面缩聚等化学方法。很多靶向制剂的材料都是利用制作材料的特性从而有选择性的加以利用。传统医学的这些制备靶向制剂的方法有一些很大的不足，比如说只能一次性使用，不能分级、分量释放药物，不能在人体内停留，不能轮流、换点释放多种药物，很难到达人们预想的最好释放药物位置。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于靶向给药技术的自折叠、自展开的具有双重折叠结构的靶向分级给药机器人及其控制方法。

本发明一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人，包括头部基体、尾部基体、体内控制模块、无线模块、电磁线圈、充气气囊、外壳折纸机构、莲叶形展开翼、内壳折纸机构、伸缩杆、存气气囊、外部控制模块和外部磁场源；所述的存气气囊、体内控制模块、无线模块和电磁线圈均固定在头部基体内；体内控制模块通过无线模块与外部控制模块通讯；电磁线圈通过线圈开关与体内控制模块连接；存气气囊的通气口与微泵的其中一个通气口通过管道连接，微泵由体内控制模块控制；头部基体与尾部基体通过伸缩杆连接，且头部基体和尾部基体的外壁均固定有两个充气气囊；每个充气气囊的通气口均与微泵的另一个通气口通过一个气阀连接；所有气阀均由体内控制模块控制。

所述的内壳折纸机构和外壳折纸机构的结构相同，但尺寸不同，均由头部圆环、尾部圆环和一体成型的n个纸筒组成，n≥4；每个纸筒设有沿周向排布的十二条折痕，折痕为与纸筒轴线成一角度的直线；折痕与纸筒头部端面的交点定义为头部交点，与纸筒尾部端面的交点定义为尾部交点；每个纸筒上的各头部交点沿纸筒周向均布，各尾部交点也沿纸筒周向均布，且纸筒上的各头部交点和各尾部交点在纸筒周向位置上一一对齐；每条折痕均为一个头部交点和与该头部交点在周向相差k个位置的一个尾部交点的连线，k取值为1、2或3；所有折痕在纸筒上的旋向一致；相邻两个纸筒中，靠近头部圆环的纸筒上的尾部交点即为另一个纸筒上的头部交点；最靠近头部圆环的纸筒与头部圆环固定，最靠近尾部圆环的纸筒与尾部圆环固定；头部圆环和尾部圆环均开设有中心孔。所述的内壳折纸机构套置在伸缩杆外，外壳折纸机构套置在内壳折纸机构外，伸缩杆穿过内壳折纸机构的头部圆环中心孔、内壳折纸机构的尾部圆环中心孔、外壳折纸机构的头部圆环中心孔和外壳折纸机构的尾部圆环中心孔。内壳折纸机构的尾部圆环外径小于外壳折纸机构的尾部圆环内径，且内壳折纸机构的尾部圆环压紧外壳折纸机构的尾部圆环；所述内壳折纸机构的每条折痕上固定一根磁条，外壳折纸机构的每条折痕上固定一个帕尔贴元件；外壳折纸机构上的所有帕尔贴元件串联或并联后通过开关一与体内控制模块连接。

所述的莲叶形展开翼包括定片和动片；沿周向均布的两片或三片定片一端均与外壳折纸机构的尾部圆环固定，另一端均与尾部基体固定；每相邻两片定片之间设有多片动片；所述动片的一端与外壳折纸机构的尾部圆环构成柔性铰链，另一端自由设置；外壳折纸机构的尾部圆环位于每个柔性铰链内侧均固定设有限位块；每片动片上固定一个帕尔贴元件；所有动片上的帕尔贴元件串联或并联后通过开关二与体内控制模块连接；内壳折纸机构和外壳折纸机构的头部圆环均与头部基体固定。

优选地，所述头部基体的头端呈半球形。

优选地，所述的纸筒和动片均采用聚丙交酯材料。

优选地，所述的外部磁场源包括三对正交的赫姆霍兹线圈和三对正交的麦克思维线圈。

该含折纸艺术的靶向分级给药机器人的控制方法，具体如下：

移动定位过程如下：

外部控制模块通过无线模块给体内控制模块发送指令；体内控制模块控制线圈开关闭合，并给电磁线圈供电；电磁线圈通电生磁后，头部基体在外部磁场源控制下带动内壳折纸机构、外壳折纸机构、莲叶形展开翼、伸缩杆和尾部基体同步运动，实现粗定位；然后，体内控制模块控制线圈开关断开，电磁线圈不产生磁场。最后，实现精确定位，达到指定位置，具体如下：①体内控制模块控制与尾部基体上的两个充气气囊连接的气阀打开，并控制微泵启动；微泵将存气气囊中的气体压入尾部基体上的两个充气气囊内，该两个充气气囊充气膨胀，实现尾部基体固定；然后，体内控制模块控制与尾部基体上的两个充气气囊连接的气阀关闭，控制与头部基体上的两个充气气囊连接的气阀打开，并控制微泵关闭，使得尾部基体上的两个充气气囊内的压强与存气气囊内的压强相等；②体内控制模块控制开关一闭合，外壳折纸机构上的所有帕尔贴元件通电发热，使得外壳折纸机构受力伸展，并带动伸缩杆伸长，头部基体向前移动；同时，外部磁场源对内壳折纸机构各折痕处的磁条施加磁场力，磁条两端受到相反力作用使得折痕偏转，从而使得内壳折纸机构与外壳折纸机构同步伸展；③体内控制模块控制与头部基体上的两个充气气囊连接的气阀打开，微泵将存气气囊中的气体压入头部基体上的两个充气气囊内，该两个充气气囊充气膨胀，实现头部基体固定；然后，体内控制模块控制与头部基体上的两个充气气囊连接的气阀关闭，控制与尾部基体上的两个充气气囊连接的气阀打开，并控制微泵关闭，尾部基体上的两个充气气囊内的气体向存气气囊回流；④体内控制模块控制开关一打开，使得外壳折纸机构收缩，带动尾部基体向前移动，伸缩杆收缩；同时，撤除外部磁场源对内壳折纸机构各折痕处的磁条的磁场力，使得内壳折纸机构与外壳折纸机构同步收缩；⑤重复步骤①～④，直到头部基体达到指定位置。

莲叶形展开翼打开过程如下：

体内控制模块控制开关二闭合，所有动片上的帕尔贴元件通电发热，使得莲叶形展开翼的所有动片同步向外翻转展开。

复位过程如下：

体内控制模块控制开关二打开，莲叶形展开翼的所有动片同步向内翻转收拢。然后，体内控制模块控制与头部基体上的两个充气气囊连接的气阀打开，使得头部基体上的两个充气气囊内的气体向存气气囊内回流。

优选地，所述的动片向外翻转90度。

优选地，需要内壳折纸机构在莲叶形展开翼首次打开后单独收缩时，外部磁场源对内壳折纸机构各折痕处的磁条施加磁场力，磁条两端受到相反力作用使得折痕偏转，从而使得内壳折纸机构朝向头部基体收缩。

优选地，当内壳折纸机构需要在不同位置单独收缩时，在内壳折纸机构单独收缩前，先重复复位过程，再重复移动定位过程，使头部基体达到指定位置，然后依次重复莲叶形展开翼打开过程和复位过程。

本发明具有的有益效果：

本发明是一种可回收、可精确移动、可分层分量释放药物、易控制的微型靶向分级给药机器人；是一种靠外部磁源移动到病灶，实现预定位的微型磁控机器人；是一种靠自身折纸机构自收缩、自展开进行精准移动的折纸机器人；是一种由生物亲和材料实现在人体病态组织处定点释放，完成给药过程后可全部回收，循环利用的微型机器人；是一种拥有两级展开结构，可分量、分类给药的微型机器人；是一种外壳一级折纸结构内层布置帕尔贴元件，通电发热，折纸机构自展开，停止通电停止发热，折纸机构自折叠的微型机器人；是一种内壳二级折纸结构的折痕处布磁，在外部磁场的激励下，折痕受力，折纸机构自展开自折叠的微型机器人；是一种内部含有存气气囊，气体可泵入头部、尾部充气气囊的微型机器人；是一种头部、尾部充气气囊间歇性收缩与充气，内、外折纸机构配合收缩与展开实现移动的微型可精准移动机器人；是一种尾部有莲叶形展开翼结构，莲叶形展开翼含帕尔贴元件，可自折叠、自展开的微型机器人；是一种主要适用于血管、肠道处给药的微型磁控医学机器人。

附图说明

图1为本发明的整体结构立体图。

图2-1为本发明伸展状态的整体结构侧视图。

图2-2为图2-1的A-A剖视图。

图3-1为本发明收缩状态的整体结构侧视图。

图3-2为图3-1的A-A剖视图。

图4为本发明中莲叶形展开翼的结构立体图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

如图1、2-2、2-2和4所示，一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人，包括头部基体1、尾部基体4、体内控制模块、无线模块、电磁线圈、充气气囊2、外壳折纸机构7、莲叶形展开翼6、内壳折纸机构3、伸缩杆5、存气气囊、外部控制模块和外部磁场源；存气气囊、体内控制模块(可由纽扣电池供电)、无线模块和电磁线圈均固定在头部基体内；体内控制模块通过无线模块与外部控制模块通讯；电磁线圈通过线圈开关与体内控制模块连接；作为优选实施例，头部基体的头端呈半球形。存气气囊的通气口与微泵的其中一个通气口通过管道连接，微泵由体内控制模块控制；头部基体与尾部基体通过伸缩杆(自带伸缩功能，即包括多根相互嵌套的套杆)连接，且头部基体和尾部基体的外壁均固定有两个充气气囊；每个充气气囊的通气口均与微泵的另一个通气口通过一个气阀连接；所有气阀均由体内控制模块控制。

内壳折纸机构和外壳折纸机构的结构相同，但尺寸不同，均由头部圆环、尾部圆环和一体成型的四个纸筒组成；作为优选实施例，纸筒采用聚丙交酯材料；每个纸筒设有沿周向排布的十二条折痕，折痕为与纸筒轴线成一角度的直线；折痕与纸筒头部端面的交点定义为头部交点，与纸筒尾部端面的交点定义为尾部交点；每个纸筒上的各头部交点沿纸筒周向均布，各尾部交点也沿纸筒周向均布，且纸筒上的各头部交点和各尾部交点在纸筒周向位置上一一对齐；但每条折痕均为一个头部交点和与该头部交点在周向相差k个位置的一个尾部交点的连线，k＝2；所有折痕在纸筒上的旋向一致；相邻两个纸筒中，靠近头部圆环的纸筒上的尾部交点即为另一个纸筒上的头部交点；最靠近头部圆环的纸筒与头部圆环固定，最靠近尾部圆环的纸筒与尾部圆环固定；头部圆环和尾部圆环均开设有中心孔。内壳折纸机构套置在伸缩杆外，外壳折纸机构套置在内壳折纸机构外，伸缩杆穿过内壳折纸机构的头部圆环中心孔、内壳折纸机构的尾部圆环中心孔、外壳折纸机构的头部圆环中心孔和外壳折纸机构的尾部圆环中心孔。内壳折纸机构的尾部圆环外径小于外壳折纸机构的尾部圆环内径，且内壳折纸机构的尾部圆环压紧外壳折纸机构的尾部圆环，保证内、外壳折纸机构同时展开过程中，即使没有完全同步，内壳折纸机构的尾部圆环也不会与外壳折纸机构的尾部圆环脱离，从而保证了存储在外壳折纸机构内和内壳折纸机构之间的二层药物在内壳折纸机构单独收缩前不会释放。内壳折纸机构的每条折痕上固定一根磁条，外壳折纸机构的每条折痕上固定一个帕尔贴元件；外壳折纸机构上的所有帕尔贴元件串联或并联后通过开关一与体内控制模块连接。

莲叶形展开翼包括定片和动片；沿周向均布的两片或三片定片一端均与外壳折纸机构的尾部圆环固定，另一端均与尾部基体固定；每相邻两片定片之间设有多片动片；动片一端与外壳折纸机构的尾部圆环构成柔性铰链(可以是动片本身的材料具有变形后可恢复功能，比如聚丙交酯材料，也可以是外加柔性铰链)，另一端自由设置；外壳折纸机构的尾部圆环位于每个柔性铰链内侧均固定设有限位块，保证动片的变形朝向外壳折纸机构的尾部圆环外侧；每片动片上固定一个帕尔贴元件；所有动片上的帕尔贴元件串联或并联后通过开关二与体内控制模块连接；内壳折纸机构和外壳折纸机构的头部圆环均与头部基体固定。

外部磁场源包括三对正交的赫姆霍兹线圈和三对正交的麦克思维线圈。

该含折纸艺术的靶向分级给药机器人的控制方法，具体如下：

移动定位过程如下：

外部磁场源在工作空间中产生三维可控磁场，三维可控磁场模型包括均匀梯度磁场、旋转磁场或均匀梯度磁场与旋转磁场的组合；外部控制模块通过无线模块给体内控制模块发送指令；体内控制模块控制线圈开关闭合，并给电磁线圈供电；电磁线圈通电生磁后，头部基体在外部磁场源控制下带动内壳折纸机构、外壳折纸机构、莲叶形展开翼、伸缩杆和尾部基体同步运动，实现粗定位；然后，体内控制模块控制线圈开关断开，电磁线圈不产生磁场。最后，实现精确定位，达到指定位置，具体如下：①体内控制模块控制与尾部基体上的两个充气气囊2连接的气阀打开，并控制微泵启动；微泵将存气气囊中的气体压入尾部基体上的两个充气气囊2内，该两个充气气囊2充气膨胀，实现尾部基体固定(固定于体内指定位置，比如压紧肠道壁实现固定)；然后，体内控制模块控制与尾部基体上的两个充气气囊2连接的气阀关闭，控制与头部基体上的两个充气气囊2连接的气阀打开，并控制微泵关闭，使得尾部基体上的两个充气气囊2内的压强与存气气囊内的压强相等；②体内控制模块控制开关一闭合，外壳折纸机构上的所有帕尔贴元件通电发热，使得外壳折纸机构7受力伸展，并带动伸缩杆5伸长，头部基体向前移动；同时，外部磁场源对内壳折纸机构3各折痕处的磁条施加磁场力，磁条两端受到相反力作用使得折痕偏转，从而使得内壳折纸机构3与外壳折纸机构同步伸展，如图2-1和2-2所示；③体内控制模块控制与头部基体上的两个充气气囊2连接的气阀打开，微泵将存气气囊中的气体压入头部基体上的两个充气气囊2内，该两个充气气囊2充气膨胀，实现头部基体固定；然后，体内控制模块控制与头部基体上的两个充气气囊2连接的气阀关闭，控制与尾部基体上的两个充气气囊连接的气阀打开，并控制微泵关闭，尾部基体上的两个充气气囊2内的气体向存气气囊回流；④体内控制模块控制开关一打开，使得外壳折纸机构7收缩，带动尾部基体向前移动，伸缩杆5收缩；同时，撤除外部磁场源对内壳折纸机构3各折痕处的磁条的磁场力，使得内壳折纸机构3与外壳折纸机构同步收缩，如图3-1和3-2所示；⑤重复步骤①～④，直到头部基体达到指定位置。

莲叶形展开翼打开过程如下：

体内控制模块控制开关二闭合，所有动片上的帕尔贴元件通电发热，使得莲叶形展开翼的所有动片同步向外翻转展开(作为优选实施例，动片向外翻转90度)，存储在内壳折纸机构内的一层药物从动片处的开口处释放。需要释放存储在外壳折纸机构内和内壳折纸机构之间的二层药物(比如，一层药物存储量不够的情况，一层药物与二层药物为不同药物需分时段释放，或一层药物与二层药物要在不同位置释放)时，外部磁场源对内壳折纸机构3各折痕处的磁条施加磁场力，磁条两端受到相反力作用使得折痕偏转，从而使得内壳折纸机构3朝向头部基体收缩，二层药物从动片处的开口处释放。

复位过程如下：

体内控制模块控制开关二打开，莲叶形展开翼的所有动片同步向内翻转收拢。然后，体内控制模块控制与头部基体上的两个充气气囊2连接的气阀打开，使得头部基体上的两个充气气囊2内的气体向存气气囊内回流。

作为优选实施例，当内壳折纸机构需要在不同位置单独收缩以释放二层药物时，在内壳折纸机构单独收缩前，先重复复位过程，再重复移动定位过程，使头部基体达到指定位置，然后依次重复莲叶形展开翼打开过程和复位过程。

复位过程结束后，该含折纸艺术的靶向分级给药机器人回收利用，只需体内控制模块控制线圈开关闭合，电磁线圈通电生磁后，外部磁场源控制头部基体带动内壳折纸机构、外壳折纸机构、莲叶形展开翼、伸缩杆和尾部基体同步运动引导出人体。

Claims (4)

1.一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人，包括头部基体、外部控制模块和外部磁场源，其特征在于：还包括尾部基体、体内控制模块、无线模块、电磁线圈、充气气囊、外壳折纸机构、莲叶形展开翼、内壳折纸机构、伸缩杆、存气气囊；所述的存气气囊、体内控制模块、无线模块和电磁线圈均固定在头部基体内；体内控制模块通过无线模块与外部控制模块通讯；电磁线圈通过线圈开关与体内控制模块连接；存气气囊的通气口与微泵的其中一个通气口通过管道连接，微泵由体内控制模块控制；头部基体与尾部基体通过伸缩杆连接，且头部基体和尾部基体的外壁均固定有两个充气气囊；每个充气气囊的通气口均与微泵的另一个通气口通过一个气阀连接；所有气阀均由体内控制模块控制；

所述的内壳折纸机构和外壳折纸机构的结构相同，但尺寸不同，均由头部圆环、尾部圆环和一体成型的n个纸筒组成，n≥4；每个纸筒设有沿周向排布的十二条折痕，折痕为与纸筒轴线成一角度的直线；折痕与纸筒头部端面的交点定义为头部交点，与纸筒尾部端面的交点定义为尾部交点；每个纸筒上的各头部交点沿纸筒周向均布，各尾部交点也沿纸筒周向均布，且纸筒上的各头部交点和各尾部交点在纸筒周向位置上一一对齐；每条折痕均为一个头部交点和与该头部交点在周向相差k个位置的一个尾部交点的连线，k取值为1、2或3；所有折痕在纸筒上的旋向一致；相邻两个纸筒中，靠近头部圆环的纸筒上的尾部交点即为另一个纸筒上的头部交点；最靠近头部圆环的纸筒与头部圆环固定，最靠近尾部圆环的纸筒与尾部圆环固定；头部圆环和尾部圆环均开设有中心孔；所述的内壳折纸机构套置在伸缩杆外，外壳折纸机构套置在内壳折纸机构外，伸缩杆穿过内壳折纸机构的头部圆环中心孔、内壳折纸机构的尾部圆环中心孔、外壳折纸机构的头部圆环中心孔和外壳折纸机构的尾部圆环中心孔；内壳折纸机构的尾部圆环外径小于外壳折纸机构的尾部圆环内径，且内壳折纸机构的尾部圆环压紧外壳折纸机构的尾部圆环；所述内壳折纸机构的每条折痕上固定一根磁条，外壳折纸机构的每条折痕上固定一个帕尔贴元件；外壳折纸机构上的所有帕尔贴元件串联或并联后通过开关一与体内控制模块连接；

所述的莲叶形展开翼包括定片和动片；沿周向均布的两片或三片定片一端均与外壳折纸机构的尾部圆环固定，另一端均与尾部基体固定；每相邻两片定片之间设有多片动片；所述动片的一端与外壳折纸机构的尾部圆环构成柔性铰链，另一端自由设置；外壳折纸机构的尾部圆环位于每个柔性铰链内侧均固定设有限位块；每片动片上固定一个帕尔贴元件；所有动片上的帕尔贴元件串联或并联后通过开关二与体内控制模块连接；内壳折纸机构和外壳折纸机构的头部圆环均与头部基体固定。

2.根据权利要求1所述一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人，其特征在于：所述头部基体的头端呈半球形。

3.根据权利要求1所述一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人，其特征在于：所述的纸筒和动片均采用聚丙交酯材料。

4.根据权利要求1所述一种含折纸艺术的靶向分级给药机器人，其特征在于：所述的外部磁场源包括三对正交的赫姆霍兹线圈和三对正交的麦克思维线圈。

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