CN111956169A - 一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人 - Google Patents

一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，包括外壳模块、磁驱动模块和图像采集模块，所述外壳模块包括头部外壳和尾部外壳，所述头部外壳与所述尾部外壳构成移动副，所述磁驱动模块包括旋转磁体和滑动磁体，所述旋转磁体、滑动磁体均安装在所述尾部外壳之内，所述滑动磁体与所述头部外壳连接，所述图像采集模块安装在所述头部外壳之内，所述尾部外壳的外表面包附有尾部鞭毛结构，所述头部外壳的外表面包附有头部鞭毛结构。本发明的有益效果是：本发明结构简单有效，可实现在肠道内的主动运动；胶囊机器人驱动力来自外磁场，无需消耗胶囊机器人自身的能量。

Description

一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人
技术领域
本发明涉及医疗器械，尤其涉及一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人。
背景技术
胶囊内窥镜是一种口服式检查设备，主要用于监测人体消化道的健康状况。相比于传统的胃镜和肠镜，这种检查方法给患者造成的痛苦小，操作简单，患者的接受度高。因此，其市场应用前景广泛，国内外均有厂家在研发和生产，但是仍然存在很多缺陷和不足之处。比如其在体内的运动依赖于胃肠道的蠕动和收缩而被动地向前推进，无法主动控制其拍照角度、位置等，更不能满足其他功能模块操作需求。而主动运动型胶囊机器人又都由电机驱动，带来了结构复杂、体积过大、散热困难、续航不足的问题。
因此，设计一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，完成肠道内主动运动功能便具有很大的市场需求和现实意义。
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磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人。
本发明提供了一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，包括外壳模块、磁驱动模块和图像采集模块，所述外壳模块包括头部外壳和尾部外壳，所述头部外壳与所述尾部外壳构成移动副，所述磁驱动模块包括旋转磁体和滑动磁体，所述旋转磁体、滑动磁体均安装在所述尾部外壳之内，所述滑动磁体与所述头部外壳连接，所述图像采集模块安装在所述头部外壳之内，所述尾部外壳的外表面包附有尾部鞭毛结构，所述头部外壳的外表面包附有头部鞭毛结构，通过施加外部均匀磁场使所述旋转磁体与滑动磁体产生相对旋转，进而产生磁场斥力推动轴向运动，从而推动头部外壳和尾部外壳产生相对轴向运动，同时在尾部鞭毛结构、头部鞭毛结构的差异摩擦力作用下，最终实现主动运动胶囊内窥镜机器人整体前进运动。
作为本发明的进一步改进，所述尾部鞭毛结构、头部鞭毛结构的朝向一致向后。
作为本发明的进一步改进，所述旋转磁体为径向充磁的圆环形永磁体，所述滑动磁体为径向充磁的圆柱形磁体。
作为本发明的进一步改进，所述尾部外壳包括上壳体和下壳体，所述上壳体、下壳体卡扣连接，所述上壳体、下壳体之间围合形成轴承座孔，所述磁驱动模块还包括旋转底座、隔板和滚动轴承，所述旋转磁体嵌套于所述旋转底座上，并由所述隔板压紧覆盖，所述旋转底座与所述滚动轴承的内圈通过过盈配合固定，所述滚动轴承的外圈与所述轴承座孔通过过盈配合固定。
作为本发明的进一步改进，所述磁驱动模块还包括滑动底座，所述滑动磁体嵌套于所述滑动底座上，所述滑动底座上设有注胶孔，通过所述注胶孔注胶从而将所述滑动磁体固定在所述滑动底座上，所述滑动底座上设有滑动凹槽，所述尾部外壳上设有滑动凸起，所述滑动凹槽、滑动凸起构成移动副，所述尾部外壳的上壳体、下壳体之间围合形成滑动导孔，所述滑动底座通过推拉导柱与所述头部外壳连接，所述推拉导柱与所述滑动导孔构成移动副。
作为本发明的进一步改进，所述头部外壳、尾部外壳、滚动轴承、旋转底座、隔板、滑动底座均为非磁性材料制成，且尾部外壳与滑动底座均为光滑材料制成。
作为本发明的进一步改进，所述图像采集模块包括电池、摄像头、端盖，所述电池、摄像头、端盖的轴线均与所述头部外壳的轴线相重合，其中，所述端盖由透明材料制成。
作为本发明的进一步改进，所述尾部鞭毛结构、头部鞭毛结构均为满足人体生物兼容性的柔性材料。
本发明的有益效果是：本发明结构简单有效，可实现在肠道内的主动运动；胶囊机器人驱动力来自外磁场，无需消耗胶囊机器人自身的能量。
附图说明
图1是本发明一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人处于收缩状态的结构示意图。
图2是本发明一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人处于伸长状态的结构示意图。
图3是本发明一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人的分解结构示意图。
图4是本发明一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人的磁驱动原理示意图。
图5是本发明一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人的磁驱动原理示意图。
图6是本发明一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人的运动示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
本发明公开了一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人。图1中的磁驱动主动运动胶囊机器人处于收缩状态，壳体内的旋转磁体203与滑动磁体205处于吸引状态；图2中的磁驱动主动运动胶囊机器人处于伸长状态，壳体内的旋转磁体203与滑动磁体205处于排斥状态。
如图3、4、5所示，该基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人（简称为胶囊机器人）包括外壳模块、磁驱动模块、图像采集模块。所述外壳模块包括头部外壳103、尾部外壳101以及包附在外壳上的尾部鞭毛结构102、头部鞭毛结构104。所述磁驱动模块包括旋转磁体203和滑动磁体205，通过施加外部均匀磁场使所述旋转磁体203与滑动磁体205产生相对旋转和轴向平移运动，从而推动头部外壳103和尾部外壳101产生轴向运动，同时在尾部鞭毛结构102、头部鞭毛结构104的差异摩擦力作用下，实现胶囊机器人整体的前进运动。
所述尾部外壳101的上下两壳体通过互补的卡扣相结合，并形成轴承座孔和滑动导孔。
所述旋转磁体203为径向充磁的圆环形永磁体，滑动磁体205为径向充磁的圆柱形磁体。
所述磁驱动模块中，旋转磁体203嵌套于旋转底座202上，并由隔板204压紧覆盖，旋转底座202与滚动轴承201内圈通过过盈配合固定，滚动轴承201外圈与尾部外壳101上下壳体结合后形成的轴承座孔通过过盈配合固定于其中。滑动磁体205嵌套于滑动底座206中，并通过滑动底座206上的注胶孔进行固定，滑动底座206上的凹槽与尾部外壳101上的凸起导轨通过间隙配合形成一个移动副导轨，所述滑动底座206通过推拉导柱207与所述头部外壳103连接，所述推拉导柱207穿过所述滑动导孔，滑动底座206通过与头部外壳103的连接进行驱动力的传输。
如图6所示，所述尾部鞭毛结构102、头部鞭毛结构104包附在尾部外壳101、头部外壳103上，并且鞭毛的朝向一致向后，即与尾部外壳101、头部外壳103的轴线呈锐角，向后倾斜设置，在驱动力的作用下，鞭毛结构可提供差异摩擦力。当旋转磁体203与滑动磁体205相互排斥时，滑动磁体205沿凸起导轨滑动，胶囊机器人由尾部鞭毛结构102获得的前进摩擦力大于由头部鞭毛结构104获得的后退摩擦力，胶囊机器人头部外壳103实现前进运动，尾部外壳101保持不动；当旋转磁体203与滑动磁体205相互吸引时，滑动磁体205沿凸起导轨滑动，胶囊机器人由头部鞭毛结构104获得的前进摩擦力大于由尾部鞭毛结构102获得的后退摩擦力，胶囊机器人尾部外壳101实现前进运动，头部外壳103保持不动。如此交替进行则胶囊机器人实现前进运动。
所述图像采集模块由电池301、摄像头302、端盖303组成，且三者的轴线与头部外壳103的轴线相重合，其中端盖303由透明材料制成。
所述头部外壳103、尾部外壳101、滚动轴承201、旋转底座202、隔板204、滑动底座206均为非磁性材料制成，且尾部外壳101与滑动底座206均为光滑材料制成。
尾部鞭毛结构102、头部鞭毛结构104均为满足人体生物兼容性柔性材料。
本发明无需安装电机，结构简单有效，体积小，可实现在肠道内的主动运动；胶囊机器人驱动力来自外磁场，无需消耗胶囊机器人自身的能量，避免了散热困难、续航不足的问题。
下面结合图1至图6，说明该基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人的运动原理。在不施加外部匀强磁场的情况下，旋转磁体203与滑动磁体205相互吸引靠近如图4，胶囊机器人为收缩的初始状态如图1。当施加一个与滑动磁体205充磁方向相同的外部呈现匀强磁场时，旋转磁体203在磁转矩作用下旋转至与匀强磁场同方向，即与滑动磁体205同方向，则旋转磁体203与滑动磁体205相互排斥，滑动磁体205沿导轨滑动远离旋转磁体203如图5，胶囊机器人在尾部鞭毛结构102、头部鞭毛结构104的差异摩擦力作用下，实现前进运动，尾部外壳101保持不动，胶囊机器人呈现为伸长状态如图2。随后撤去该外部匀强磁场，旋转磁体203与滑动磁体205相互吸引，滑动磁体205沿导轨滑动靠近旋转磁体203如图4，胶囊机器人在尾部鞭毛结构102、头部鞭毛结构104的差异摩擦力作用下，实现前进运动，头部外壳103保持不动，胶囊机器人呈现为收缩状态如图1。交替施加和撤去外部匀强磁场则可实现胶囊机器人的前进运动，运动状态的变化及步长L的示意图如图6所示。
本发明的有益效果如下：
1)胶囊机器人可实现在肠道内的主动运动，便于观察。
2)胶囊机器人驱动力来自外磁场，无需消耗胶囊机器人自身的能量。
3)胶囊机器人结构简单，制造成本低，体积小。
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 (8)

1.一种基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：包括外壳模块、磁驱动模块和图像采集模块，所述外壳模块包括头部外壳和尾部外壳，所述头部外壳与所述尾部外壳构成移动副，所述磁驱动模块包括旋转磁体和滑动磁体，所述旋转磁体、滑动磁体均安装在所述尾部外壳之内，所述滑动磁体与所述头部外壳连接，所述图像采集模块安装在所述头部外壳之内，所述尾部外壳的外表面包附有尾部鞭毛结构，所述头部外壳的外表面包附有头部鞭毛结构，通过施加外部均匀磁场使所述旋转磁体与滑动磁体产生相对旋转，进而产生磁场斥力推动轴向运动，从而推动头部外壳和尾部外壳产生相对轴向运动，同时在尾部鞭毛结构、头部鞭毛结构的差异摩擦力作用下，最终实现主动运动胶囊内窥镜机器人整体前进运动。
2.根据权利要求1所述的基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述尾部鞭毛结构、头部鞭毛结构的朝向一致向后。
3.根据权利要求1所述的基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述旋转磁体为径向充磁的圆环形永磁体，所述滑动磁体为径向充磁的圆柱形磁体。
4.根据权利要求1所述的基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述尾部外壳包括上壳体和下壳体，所述上壳体、下壳体卡扣连接，所述上壳体、下壳体之间围合形成轴承座孔，所述磁驱动模块还包括旋转底座、隔板和滚动轴承，所述旋转磁体嵌套于所述旋转底座上，并由所述隔板压紧覆盖，所述旋转底座与所述滚动轴承的内圈通过过盈配合固定，所述滚动轴承的外圈与所述轴承座孔通过过盈配合固定。
5.根据权利要求4所述的基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述磁驱动模块还包括滑动底座，所述滑动磁体嵌套于所述滑动底座上，所述滑动底座上设有注胶孔，通过所述注胶孔注胶从而将所述滑动磁体固定在所述滑动底座上，所述滑动底座上设有滑动凹槽，所述尾部外壳上设有滑动凸起，所述滑动凹槽、滑动凸起构成移动副，所述尾部外壳的上壳体、下壳体之间围合形成滑动导孔，所述滑动底座通过推拉导柱与所述头部外壳连接，所述推拉导柱与所述滑动导孔构成移动副。
6.根据权利要求5所述的基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述头部外壳、尾部外壳、滚动轴承、旋转底座、隔板、滑动底座均为非磁性材料制成，且尾部外壳与滑动底座均为光滑材料制成。
7.根据权利要求1所述的基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述图像采集模块包括电池、摄像头、端盖，所述电池、摄像头、端盖的轴线均与所述头部外壳的轴线相重合，其中，所述端盖由透明材料制成。
8.根据权利要求1所述的基于磁驱动的主动运动胶囊内窥镜机器人，其特征在于：所述尾部鞭毛结构、头部鞭毛结构均为满足人体生物兼容性的柔性材料。
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