CN114007487A - 用于内窥镜检查的机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种改进管或管腔检查的机器人。更具体地，本发明涉及一种用于内窥镜检查的软气动机器人，其适于执行结肠镜检查过程。本发明的机器人包括前导气囊和后续气囊以及位于前导气囊和后续气囊之间的软气动致动器，所述前导气囊和后续气囊被构造成用于选择性地膨胀以将机器人的一部分锚定在管道或管腔内。除了通过气动地控制软气动致动器内的多个腔室中的流体将前导气囊围绕纵向定位在360度圆周上之外，软气动致动器可操作以在纵向上伸展或收缩机器人。

Description

用于内窥镜检查的机器人
技术领域
本发明的实施例涉及一种用于内窥镜检查的机器人，或更大体地，涉及一种用于检查管道或管腔的机器人。具体地，但非排他地，本发明的实施例涉及一种适于结肠镜检查的机器人。
背景技术
结直肠癌(CRC)是世界范围内的第三大常见癌症死亡原因。定期筛查无症状人群可以大大降低死亡率。CRC筛查包括几种手术，尽管黄金标准仍然是光学结肠镜检查(OC)，因为它具有高灵敏度和低假阴性率。然而，OC是令人不快的并且会给对象造成疼痛和不适。以胶囊内窥镜(CE)为例的新技术构成了替代的无痛解决方案，尽管这些新技术存在局限性(例如，被动运动和缺乏车载仪器)，但还是越来越多地用于CRC筛查。
通常，结肠镜检查是由受过训练的结肠镜操作医师使用1.6米长的柔性结肠镜进行的。结肠镜是一种半柔性管，尖端有两个电缆驱动的自由度(DOF)(俯仰角和偏航角)，其由外部手动手柄控制。两个额外的自由度是通过经由手柄旋转结肠镜并将仪器推过肛门来提供的。需要该推力来将结肠镜引入到结肠腔内和在结肠腔内导航以到达盲肠(顶部扩张部分)。在此手术中，长且被动的管被推向结肠壁，引发患者疼痛和不适。因此，用于筛查和诊断症状性疾病的结肠镜检查通常需要镇静和镇痛。除了不适之外，需要紧急手术的结肠穿孔以预防腹膜炎的罕见情况仍然是个问题。
结肠镜的清洁和化学消毒是必需的，因为该装置昂贵的，非一次性的，并且需要定期维护和保养以确保持续的最佳功能。
此外，传统的光学结肠镜检查是困难的手术，需要长时间的培训(平均2-3年)才能获得安全的专家级的执行和解读所需的熟练程度。
US5337732公开了一种内窥镜机器人，其具有多个由气囊包围并通过结实的铰接关节连接件连结在一起的节段。节段内的致动器可以使节段移动到一起和分开，以允许机器人沿着管腔以蠕动(inchworm)的方式移动。在一个实施例中，在一节段内采用四个可膨胀囊，每个囊具有内部压力传感器，使得对囊中相对压力分布的控制可以促使机器人弯曲。然而，这种设计需要内部电子器件、复杂的结构和结实的关节，这些都导致机器人成本高昂、生产耗时、难以维护且灵活性有限。
US7935047公开了一种双气囊内窥镜系统，其包括用于检测内窥镜的插入部分中的相应点的位置的形状检测装置。然而，这种设计包括内部电磁部件，这又使得该装置成本高，制造耗时且维护困难。
因此，本发明的目的是提供一种用于内窥镜检查的机器人，其改善上述问题中的一个或多个或者至少提供有用的替代方案。
发明内容
一般地说，本公开提出了一种用于内窥镜检查，管道或管腔检查或结肠镜检查的机器人，其构造成软气动蠕动双气囊装置(SPID：Soft Pneumatic Inchworm Doubleballoon)。
软机器人是相对新的研究领域，其中使用软材料(例如弹性体)来构建机器人，而不使用传统的刚性材料。作为优点，机器人比刚性机器人更安全，因为杨氏模量低，这使得材料更柔软，并且如果与人体组织或器官接触，减小了冲击和任何损伤。
使用这样的小型机器人进行结肠镜检查的优点是，一旦插入肛门，该装置可以通过其固有的运动能力到达盲肠，实际上消除了疼痛和不适，因为它避免了趋向于环的结肠壁和肠系膜上的压力。
机器人可以包括在其远端的用于视觉检查的相机，以及可选地包括用于治疗的仪器。可以采用软拉绳将高质量视频传输到外部用户控制台，以便为机器人供电和控制机器人。拉绳还提供了一种用于在出现故障时撤回机器人的安全机构。
拉绳对结肠壁提供的摩擦力是运动中的阻力。为了克服这种力，机器人需要提供足够的运动牵引，但考虑到这种机器人的小尺寸和轻重量以及光滑的结肠粘膜，这可能是有挑战性的。
设计用于结肠镜检查的机器人的更传统的方法本质上是通过构造由刚性微型机械部件和电子部件制成的组件，这可能需要昂贵的高精度加工。因此，这种刚性机器人结肠镜必须可重复使用，使得该设备是经济上可行的方案。即使完全开发，这种机器人也不太可能显著降低针对结直肠癌的结肠镜筛查的成本。
使用软材料的优点是减少施加到结肠壁上的力，从而减少患者在手术过程中的疼痛和不适。由于机械刚度低，软机器人能够执行灵巧的运动并跟随结肠腔的3D形状轮廓，而不需要复杂的主动闭环控制。使用软材料的另一个优点是生产成本低。机器人的本体可以以非常低的成本制造通过“注塑”制造，使机器人能够被构造为一次性装置，从而避免了清洁、消毒和维护的问题。与传统的光学结肠镜检查相比，大大降低了保健成本，同时还增加了患者对该手术的总体接受度。
用于结肠镜检查的软机器人的设计是有挑战性的，因为结肠腔内的空间有限，其通常具有范围在40mm至80mm的内径，而且由于该装置必须成功地通过结肠转弯部(colonicflexure)而使得运动挑战性加大了难度。该设计还应当提供空间以将相机定位在远端用于视觉检查，引入仪器和使用仪器。当软机器人的尺寸按比例缩小时，由于推进机器人所需的高空气激活压力或高激活电压，在设计中包括所有这些要求可能变得有挑战性。此外，该设计不得不满足严格的医疗监管标准。近十多年来发展的微型机器人和纳米机器人缺乏治疗和诊断功能。因此，在实现这种机器人用于医疗用途之前，必须解决几个挑战。
软机器人可由形状记忆合金、电缆和空气、外部磁场、光或不同致动系统的组合致动。大自然对此类设计具有启发意义，而蠕动运动已引发几项有报道的研究并连同设计中所包含的锚定方法，以增加接触力并解决运动方向的问题。已经提处使用环形气囊将蠕动装置锚定在刚性管或结肠内。然而，大多数以前的气囊蠕动状运动设计依赖于只有一个自由度(DOF)的线性致动器(用于向前和向后行进)，并且能够通过抵着管腔内壁被推动而被动弯曲以围绕拐角前进。然而，当设备必须通过锐角或者抵着管腔的内壁施加过大的力来实现被动弯曲时，这可能是不可能的。
因此，在本发明的第一方面中，提供了一种用于内窥镜检查的机器人，包括：
前导气囊和后续气囊，每个气囊构造成用于选择性充气以将机器人的一部分锚定在管道内；
软气动致动器，其位于前导气囊和后续气囊之间并能够操作以在纵向方向上伸展或收缩机器人；以及
延伸穿过后续气囊、致动器和前导气囊的空腔，用于提供布线和/或仪器；并且
其中致动器包括多个腔室，其布置成使得前导气囊在围绕纵向方向的360度圆周上的任何方向上的运动均通过多个腔室内的流体的气动控制实现。
因此，本发明的实施例包括软机器人，该软机器人可以通过简单的构造工艺形成，因为它不需要复杂的刚性机械部件或诸如传感器的内部电子器件，从而使生产时间和成本最小化，并因此使机器人可一次性使用。这对于医学应用来说是一个显著的优点，因为不再需要清洁和消毒。该设计有利地提供了一种具有高灵巧性和主动控制的机器人，以便于在曲折路径(如结肠的曲折路径)中平滑和安全地运动。特别地，前导气囊和后续气囊中的每一个可被认为提供与其充气和放气相关的1个自由度(DOF)，而致动器提供3个自由度(DOF)：俯仰、偏航和向前/向后。此外，中空的空腔便于布线(例如用于气囊或致动器的流体控制)和在机器人前部中定位仪器，例如相机。
值得注意的是，软气动致动器不需要任何外力，并且可以经由多个腔室中的流体控制仅通过内力移动。
前导气囊和/或后续气囊可以具有环形或部分环形的形状。例如，前导气囊和/或后续气囊可以具有至少包括环形的外部部分的形状。在一些实施例中，形状至少包括环形的外半部。在一些实施例中，形状不止包括环形的外半部。
空腔可以是基本上圆柱形的。
多个腔室可以在横向方向上被约束，使得气动控制实现每个腔室在纵向方向上的膨胀或收缩。
致动器可以是正压差(PDP)致动器。
致动器可以包括三个腔室或四个腔室。
多个腔室中的每一个腔室可以布置成基本上在纵向方向上膨胀，以推动公共面板来引导机器人。
机器人还可以包括闭环控制系统，其布置成监测前导气囊和/或后续气囊中的流体体积和/或压力，以确定何时停止充气。可以在机器人自身外部(即，经由监控流体反馈的外部控制装置)执行监控，从而避免了对机器人自身内部的监控部件或传感器的需要。这样，前导气囊和/或后续气囊可以被构造成在充气时提供可调节的直径，使得它们可以用于将机器人锚定在具有不同内径的管道中。因此，可以在若干不同的应用中使用单个装置，使得不需要大量的装置或气囊储备，同时仍然确保气囊与管壁的安全相互作用。
没有一种现有技术的装置具有直径可调节的气囊或被布置成便于实现这一点外部控制系统，因此现有技术的装置只能针对特定的管径工作。外部气囊直径的这种受限制的变化降低了在结肠的不同区域中的可能的锚固力。然而，本发明的实施例克服了这一点。
机器人可以构造成一次性装置。因此，机器人可以构造成使得电子部件都是外置的或容易移除的(例如，在空腔中设置相机的情况下)。
前导气囊和/或后续气囊可以包括软硅橡胶。
前导气囊和/或后续气囊可以具有12mm至20mm范围内的放气后外径。
前导气囊和/或后续气囊可以具有达到至少90mm的充气后外径。
前导气囊和/或后续气囊可以具有100kPa或更低、50kPa或更低、或者10kPa或更低的激活压力。在一些实施例中，前导气囊和/或后续气囊可以具有6.1kPa或2.5kPa的激活压力。
空腔可以具有在1mm到8mm的范围内的直径。
致动器可以具有在12mm到20mm的范围内的外径。
每个腔室可以具有在12mm至30mm的范围内的长度。
机器人还可以包括流体控制管，其流体地连接到前导气囊、后续气囊和多个腔室中的每一个。
机器人可以包括在空腔中的相机或其它电子部件。
附图说明
现在将仅出于示例的目的参照以下附图描述本发明的非限制性实施例，在附图中：
图1示意性地示出了按照本发明第一实施例的机器人的运动和自由度；
图2示出了图1的机器人的原型，在a)中，处于两个气囊都放气的放松构造，在b)中，处于弯曲构造，以及在c)中，处于两个气囊都充气的放松构造；
图3示出了图2的机器人，在a)中，为类似于图2中的c)的端部透视图；在b)中，为穿过图3中的a)的图像的纵向剖视图；以及在c)中，为图3中的a)的机器人的运动步骤；
图4示出了用于图3所示的致动器的控制系统的示意图；
图5示出了图3的机器人关于气囊的膨胀及其关联的锚固力的实验结果；
图6示出了图3的致动器的示意图和与致动器的弯曲和伸展相关的实验结果；
图7示出了图3的机器人关于用于致动器的主动伸展和被动收缩的制动力的实验结果；
图8示出了用于构造图3的致动器的步骤；
图9示出了用于构造图3的气囊的步骤；
图10示出了图3的机器人的实验，在a)中，为变内径的竖直管，以及在b)中，为模拟的塑性结肠；以及
图11是图10中的b)的模拟的塑性结肠的更详细的视图。
具体实施方式
图1示意性地示出了按照本发明第一实施例的构造成用于内窥镜检查(特别是结肠镜检查)的机器人100的运动和自由度。机器人100包括大体上环形的前导气囊102和大体上环形的后续气囊104，每个气囊102、104被构造成用于选择性地膨胀以将机器人100的一部分锚定在管道(未示出)内。圆柱形软气动致动器(SPA：soft-pneumatic actuator)106位于前导气囊102和后续气囊104之间，其可操作以使机器人100在纵向方向上伸展或收缩。圆柱形空腔(在图3中最清楚地示出)延伸穿过后续气囊104、致动器106和前导气囊102，用于提供布线和/或仪器(未示出)。
也如图3所示，致动器106包括多个腔室(在该情况下为三个)，这些腔室布置成使得前导气囊102在围绕纵向方向的360度圆周上的任何方向上的运动均通过腔室内的流体的气动控制来实现。
拉绳108从后续气囊104延伸，以在使用中保持与机器人100的接触，并供应流体以控制机器人100的方向和操作。更具体地，拉绳108包括五根流体控制线组成的线束，用于将流体供应到前导气囊102、后续气囊104、和致动器104中的每个腔室。
机器人100可以被称作软气动蠕动双气囊(SPID)机器人。在本发明的机器人100中使用气囊的优点是，尽管机器人100的重量轻，但是气囊使得增加与管壁的接触力以锚固机器人100成为可能。
前导气囊102和后续气囊104中的每一个都具有1个自由度(DOF)-充气和放气，而致动器106可以伸展和收缩(1DOF)并绕2个轴线旋转(2DOF)-俯仰和偏航。因此，机器人100总共具有5个自由度，并且能够以足够的灵活性被主动地控制以使机器人100向前或向后移动以绕过狭窄的锐角(包括结肠转弯部)。
机器人100构造成经由如下如图1所示的四个步骤进行运动：
步骤1：给后续气囊104充气以将机器人100锚定到周围的空腔；
步骤2：致动器106向前伸展并弯曲(如果需要的话)以跟随待检查的空腔的形状；
步骤3：给前导气囊102充气以将机器人100锚固在新的位置，并给后续气囊104放气以释放机器人100后部上的锚固；
步骤4：致动器100收缩以向前拉动后续气囊104，并由此将机器人100推进到新的向前的位置。
因此，机器人100可以通过使用气囊102、104作为锚固件并与灵巧的致动器106相结合而沿着三维方向的任意组合在弯弯曲曲的环境中移动。
图2示出了图1中的机器人100的原型，在a)中，处于放松构造(即，由此致动器106不被激活)，其中两个气囊102和104都已放气；在b)中，处于弯曲构造，由此致动器106被激活，以使前导气囊102绕过180度环回以邻近后续气囊104定位；以及在c)中，处于放松构造，类似于图1(a)，但是其中两个气囊102和104都已被充气。
图2中所示的机器人100具有18mm的外径。前导气囊102和后续气囊104中的每一个都可以扩张超过90mm的直径。致动器106具有14mm的直径，在放松位置长度为23mm，但在致动时能够伸展达到75mm。致动器106具有高灵巧性以实现沿x和y轴线均旋转。已经进行了使用手动注射器对致动器106中的气囊102和104和腔室充气以实现所需的运动的测试，这将在下面更详细地描述。然而，在商业设备中，预计将使用智能控制系统来提高移动速度。
图3示出了图2的机器人100，在a)中，为类似于图2中的c)的端部透视图；在b)中，为穿过图3中的a)的图像的纵向剖视图；以及在c)中，为图3中的a)的机器人100的运动步骤。
更具体地，图3中的a)示出了机器人100的透视图，其中前导气囊102(也被称为远端气囊DB)和后续气囊104(也被称为近端气囊PB)已充气，并且示出了中心空腔200的端部，中心空腔200实际上将容纳布线和用于检查的相机以及可能在内窥镜手术中使用的其它设备或电子器件。
选择机器人100的设计参数(即运动范围，外径和总长度)，以符合人类结肠的平均尺寸和形状。因此，本实施例的机器人100具有18mm的外径(当放松时，即未充气时)，60mm的总长度和10g的重量。两个气囊102，104都具有圆柱形框架，该框架具有宽度为13mm且长度为20mm的内腔。用于激活两个气囊102和104和SPA 106的拉绳108由5根硅胶流体控制线组成，用于SPA106的每根流体控制线的外径为2.6mm，用于气囊102和104的每根硅流体控制线的外径为3mm。
图3中的b)示出了机器人100的剖视图，示出了空腔200，其延伸穿过机器人100的中心并且包括由远端气囊102包围的远端空腔200a、位于致动器106的中心的致动器(SPA)空腔200b和被近端气囊102包围的近端空腔200c。值得注意的是，致动器空腔200b的直径比远端空腔200a和近端空腔200c的小。如下文将更详细地解释的，这是为了考虑到用于激活和弯曲机器人100、围绕致动器空腔200b均匀分布的三个纵向流体腔室202的空间。还示出了管连接件204，用于将流体控制线(未示出)流体地联接到远端气囊102和近端气囊104中的每一个，以对其充气和放气。如图3中的b)中清楚地显示的，远端气囊102和近端气囊104在形状上基本上是围绕空腔200的环形。
图3中的c)示出了机器人100的仿生运动的步骤，类似于图1。然而，在该情况下，每个步骤旁边示出了时间线，使得tPB-A是在步骤i)中激活近端气囊104所需的时间；tSPA-A是在步骤ii)中激活SPA 106使之符合结肠腔的定向所需的时间；tDB-A是在步骤iii)中远端气囊102用于提供锚定的激活时间；tPB-D是在步骤iv)中近端气囊104的去激活时间；并且tSPA-D是在步骤v)中SPA 106用于向前移动近端气囊104的去激活时间。
本实施例依赖于正压差(PDP)致动器，而不是依赖于负压差(NDP)的弯曲致动器。PDP致动器可提供正向力以伸展并向前推动远端气囊102。这对于结肠镜机器人来说是相当大的优点，因为它使该装置能够打开塌陷的结肠腔。主动推力提高了机器人100通过拐角的能力，机器通过其固有的柔性改变其形状其以符合转弯部的轮廓。如上所述的具有3DOF的PDP致动器106的实现通过因其更简单的制造工艺而比NDP小得多，而赋予了进一步的优点。当PDP致动器去激活时，PDP致动器依赖于当弹性体收缩并向前拉动近端气囊104时弹性体的机械性能提供的被动力。使用NDP致动器的关键限制在于制造具有3DOF的致动器加上适当小且设计紧凑的空腔200b。由于PDP与NDP致动器相比具有既定的优点，因此提出的机器人100包括PDP软气动致动器(SPA)106。
在本实施例中，SPA 106由3个纵向腔室202和直径为5mm的圆形中心空腔200b组成，其横截面积为2.6mm2。外径为18mm，并且SPA 106具有20mm的总长度。已经测试了几个长度直径比，为本发明的机器人100选择的机器人在实现高灵巧性的横向弯曲能力和用于提高运动速度的纵向伸长率之间表现出良好的折衷性。通过使用四个腔室202可以实现更高的灵活性，但是为此而需要另外的流体控制线，这将增加拉绳108的直径并因此增加阻力而不可避免地降低运动速度。
本实施例中的气囊102、104由超弹性材料制成，以允许已充气的气囊直径的增加，以确保其可用作具有不同直径范围的管道或管中的锚定件。期望的范围被输入到气囊的设计中，以限定其厚度和所需的内部流体压力。对于高激活压力可能成为问题的应用(例如医疗应用)，减小气囊壁厚度可以降低充气所需的最大压力，从而使机器人100在破裂的情况下安全。
与外部环境接触的气囊均匀分布并与内部流体压力相关。有利地，通过增加流体压力而不是增加机器人100的重量，可以实现接触摩擦的增加。这是特别有用的，因为机器人100可以将轻重量和高摩擦力结合。作为背景技术，物体的摩擦力(F)通过F＝W·μ与其重量(W)相关，其中μ是材料和外表面之间的摩擦系数。对于气囊，摩擦力也与接触压力(P)有关，如下面的公式F＝(P+W)·μ所述。因此，如果外部环境可以扩张，则因此可以产生附加的锚固力。气囊将柔和地使其形状与管道或结肠的变形壁相适应，并且机械的相互作用将增加锚固力。
图4示出了用于图3中所示的致动器106的外部控制系统400的示意图。控制系统400包括低电平控制数字信号处理器(DSP)402，其连接到电源404并构造成控制流体供应源406和致动器106中的每个腔室(i)202之间的入口阀(IVi)和出口阀(OVi)。在操作中，使用入口阀(IVi)，出口阀(OVi)和压力传感器(PSi)来控制每个腔室202中的流体，并且通过调节由DSP提供的脉宽调制(PWMi)输出的占空比来控制每个比例阀(IVi和OVi)。压力传感器(PSi)监测腔室压力，并用作闭环控制的参考变量。
应当注意，在本发明的实施例中使用的流体可以是空气，水或其它气体或液体。
通过手动控制远端气囊102和近端气囊104以及SPA 106的激活进行了一系列实验。使用联接到流体控制线的活塞-气缸以控制供应到致动器106的腔室或气囊的空气体积来执行该激活。用于激活每个气囊的活塞-气缸的容积为100ml，而用于激活SPA 106的3个活塞-气缸的容积各为10ml。机器人100和流体控制线用凡士林TM润滑，以减少运动过程中的任何摩擦。
已经非常确定，机器人结肠镜检查的主要挑战之一在于机器人100在横结肠和降结肠的连接处通过锐角脾曲的能力。该弯曲部在对结肠进行CO2充气后具有范围在40°至50°之间的角度和30mm的直径。
在机器人100的本实施例中的两个气囊102和104由EcoflexTM00-30制成，并且可以用低气压激活，以确保在结肠壁上施加低压力。实验是在准静态构造下进行的，通过使用外部活塞-气缸手动气控激活每个气囊，并测量充气体积和气压。每个实验进行5次，平均值和标准偏差如图5中的曲线图所示。
更具体地，图5中的a)以不受约束的径向膨胀报告空气体积与气囊外径的关系示出了气囊的实验结果。图5中的b)示出了空气体积与空气激活压力的结果，图5中的c)示出了气囊外径与空气激活压力的结果。图5中的d)示出了由上述蠕动运动导致的的结肠壁内侧的气囊上的静力和压力。图5中的e)示出了随空气体积增加的锚固力。
每个气囊102、104在放松时具有18mm的外径，并且当被激活时，其在2.5kPa以下的激活压力且没有膨胀约束的条件下(参见图5中的b))膨胀到超过80mm(参见图5中的a))。空气体积与外径呈现单调函数，生成用于实施闭环控制(例如控制气缸中的活塞冲程的闭环控制)的空气体积反馈参考。空气体积-压力曲线图显示三个不同的阶段。在第一阶段，当空气体积从0升至10ml时，压力迅速增加到1.4kPa，而气囊外径的增加可忽略不计。在第二阶段，当空气体积从10ml升至50ml时，压力稍微降低，其值约为1.4kPa。在这个阶段，气囊直径开始增大。第三阶段是当空气体积超过50ml时，压力以线性方式增加到2.5kPa。
图5中的c)中所示的曲线图是通过组合来自于图5中a)和b)的两个曲线图以使气囊的外径与内部气压相关联而获得的。该图显示了非单调函数。这表明在给定的直径和给定的压力之间没有恒定的关系。这一表现通过如下事实解释：按照气囊材料的机械性能，内部空气压力随着直径的增加而增加(拉普拉斯定律)。
因此，该气囊的特性要求：为了调节其直径，闭环控制系统必须使用空气体积作为反馈参考输入，因为通过使用空气压力不能控制给定的气囊外径。较宽的充气气囊直径允许机器人100确保在结肠袋之间的结肠内的稳定锚定，从而提供足够的力来移动推进机器人100向前。通过使用英斯特朗双柱拉力机(
Figure BDA0003423868580000121
5564)(如图5中的d)所示，测力传感器连接到气囊)，并通过以1mm/s的恒定速度向上拉动负载来测量锚固力。在图5中的e)中示出了在气囊中充入的每一体积空气的位移与力的关系。在气囊激活空气体积为80ml、压力为6.1kPa的情况下，最大锚固力为7.9N。该力是通过使用由透明塑性薄膜(15mm厚)制成的竖直管测试的，其中气囊被锚固在2个模拟结肠袋褶皱的弹性带之间。
以前的研究提出的气囊设计的外径具有有限范围的扩张并且缺少容纳相机的内部空间，但这一要求对于用于结肠镜检查的机器人的设计是必要的。大范围的外径(充气时)允许机器人100牢固地锚定在结肠壁的不同部分中。内部空腔200可用于容纳用于控制的电子部件(例如惯性测量单元(IMU)或相机)。在当前气囊102、104的设计中已经解决了这些需求。
本实施例中的气囊结构包括由刚性透明材料(Vero-Clear)制成的3D打印圆柱形框架，该框架由硅橡胶EcoflexTM00-30的薄层(厚度为0.6mm)包围。与其它硅橡胶相比，EcoflexTM00-30显示出较低的肖氏硬度和较高的断裂伸长率。这导致较低的激活压力和较高的顺应表现，这对于减小施加到结肠壁的力并因此增加患者顺从性是必不可少的。弹性体的刚度越高需要激活压力越高，这在气囊破裂的情况下会是有问题的。管连接件204位于框架的内部以用于气囊激活。
当气囊被激活时，其形状与结肠袋褶皱相适应，从而产生蠕动运动所必需的锚固力(FA)。该力有两个主要分量：库仑摩擦力(FC)和边缘阻力(FM)。库仑摩擦力与气囊抵靠结肠壁的力(FB)和摩擦系数m有关。该力还包括机器人的重力(FR)，由于其重量轻(10g)，该力与FB相比可忽略不计。FC可能是低的，因为结肠粘膜表面光滑。边缘阻力与结肠壁的纵向变形有关。
在结肠镜检查期间，使用空气或气体以达到7.6kPa的内部压力对结肠腔进行充气和扩张，该内部压力高于本实施例的机器人100所需的气囊激活压力。气囊对结肠壁的压力是内部空气压力(PB)减去弹性体机械压力(PE)的结果。这在结肠壁上产生外部压力，该压力远低于在标准结肠镜检查期间遇到的疼痛压力阈值。
在一些实施例中，可以监测内部空气体积和/或压力，使得当其达到预定阈值时自动停止充气。
通过激活SPA 106执行对本实施例的机器人100的自由位移研究。如图6中的a)所示，SPA 106包括3个腔室(C1；C2；C3且它们的力为FC1；FC2；FC3)，如图6中的c)所示的SPA的横截面A-A′中所示，3个腔室围绕中心空腔对称设置。图6中的b)中示出了图6中的a)中示出的横截面B-B′以及由激活腔室C1用于正弯曲而产生的力。图6中的c)示出了截面C-C′以及由激活腔室C2和C3用于负弯曲所产生的力。
在图6中的d)中示出了绕Y轴线正弯曲的实验，其中最大值为130度。腔室C1的激活使机器人100的远端部分在X-Y平面中移动，轨迹如图6中的e)所示。在图6中的f)中示出了绕Y轴线负弯曲的实验，其中最大值为110度。在图6中的g)中示出了在平面X-Y中的弯曲轨迹。
图6中的d)和f)示出了类似的弯曲轨迹。然而，在正弯曲期间由两个腔室的同时激活产生的力所产生的X位移比当只有一个腔室被激活时的负弯曲的情况大。
通过同时激活所有三个腔室C1；C2；C3来获得沿z轴线的伸展，产生如图6中的h)所示的30mm的最大伸展量。在图6中的i)中示出了SPA体积与压力的单调关系。这种单调表现不同于非单调的气囊轮廓，并且是归因于SPA106的各向异性结构的，其中，壁用棉线加固以约束横向膨胀。下面提供该特定SPA 106的制造过程的细节。值得注意的是，在激活过程中，每个腔室的横截面积基本保持恒定，从而产生与内部空气压力成比例的向前的力。
图7示出了机器人100关于致动器106的主动伸展和被动收缩的致动(或阻止)力的实验结果。特别地，图7中的a)示出了SPA激活力的实验，其伸展量达到30mm，图7中的b)示出了当SPA激活时和当SPA去激活时产生的力。
这些实验通过使用连接到SPA 106的顶端的英斯特朗双柱拉力机(
Figure BDA0003423868580000141
5564)进行。通过用三个内部容积为10ml的活塞-气缸控制空气的体积来同时激活三个腔室。每个实验在准静态构造下进行5次。通过使用连接到SPA的顶端的英斯特朗双柱拉力机(
Figure BDA0003423868580000142
5564)测量应力应变图来研究SPA在未激活时产生的力。测试运行的速度为1mm/s，最大行程为30mm(SPA 106原始长度的150％)。
图7中的a)中的曲线图显示了在从0到30mm的不同伸展量中的体积与力的关系，其中最大纵向推力为4.8N。该力是向前推进机器人100和在管腔塌陷的情况下打开路径所需的。由于聚合物在拉伸时阻力增加，所以输出力随着伸展而减小。
图7中的b)示出了SPA被激活时的伸展量与力的关系曲线(蓝线)，以及当SPA去激活时由聚合物机械阻力产生的被动力(红线)。主动力从0-15mm线性减小，然后保持在约2N的值。由于聚合物的机械性能，被动力具有几乎线性的轮廓，滞后可忽略不计。需要被动力来拉动拉绳并克服其在运动过程中的阻力。这些实验证实了SPA 106的灵活性高且力与重力比高。
图8和9分别示出了用于构造按照本发明实施例的用于机器人100的致动器106和气囊102、104的步骤。在组装和粘接在一起以形成机器人100之前，分别构造和测试这些部件中的每一个。
SPA 106的构造过程包括如图8所示的五个步骤。为了实现SPA 106的各向异性行为来避免充气过程中的横向膨胀，外壁包括用棉线加强的EcoflexTM00-30。腔室202的所有内壁也由EcoflexTM00-30制成。三个硅胶管(外径为2.6mm，内径为1.6mm)连接到SPA 106的基部并用于激活。软的聚合物(SP)是EcoflexTM00-30成分A和B按照1：1的比例混合。
执行来构造SPA 106的步骤如下：
步骤1)，组装模具的底部800，将SP倒入并在0atm下抽真空脱气10分钟；
步骤2)，插入模具的顶部802，随后在100摄氏度下固化30分钟；
步骤3)，移除模具的底部800，而顶部802保持在铸件804内以保持其刚性。以1mm的间隙围绕铸件804缠绕以约束横向膨胀；
步骤4)，组装模具806的底部和附加外部部件，倒入SP形成外层以保护和固定棉线，从而形成各向异性聚合物结构。铸件在100度下再次固化30分钟；
步骤5)，移出铸件808，并使用
Figure BDA0003423868580000151
硅氧烷粘合剂将由VeroClear-RGB10聚合物制成的底部增强部分810与三个硅胶管粘合在一起以形成致动器106。
最后，致动器106进行包括视觉检查和空气泄漏测试的质量检查。
两个气囊102，104的构造过程类似，包括由Veroclear-RGB10聚合物制成的内部部件和EcoflexTM00-30的外部薄层。在图9中示出了内部3D打印部件，其中IP1(内部部件1)涉及远端气囊102，IP2(内部部件2)涉及近端气囊104。内部部件具有用于气囊激活的内部硅胶管连接件204。
构造气囊102、104所需的步骤如下：
步骤1)，组装模具的底部900，将SP倒入并在0atm下抽真空脱气10分钟；
步骤2)，插入模具的中间部分902和顶部904；
步骤3)，铸件906在100度下固化30分钟，然后从模具中取出；
步骤4)，将铸件908和910的顶唇和底唇折叠，并使用
Figure BDA0003423868580000152
硅氧烷粘合剂将其粘合在IPI和IP2的顶部，并静置固化至少1小时。
当构造两个气囊102、104时，使用视觉检查和漏气测试进行最终产品的质量评估。
用于激活远端气囊102的硅胶管在润滑(凡士林)之后插入SPA 106内部，以减少运动期间内部空腔200中的摩擦。然后，用于SPA 106的激活的三个管被插入穿过近端气囊104，并且用于近端气囊104的激活的硅胶管被连接。接着，使用
Figure BDA0003423868580000153
硅氧烷粘合剂将SPA 106粘合到远端气囊102和近端气囊104上并静置固化。
在不同直径的刚性管和塑性结肠模型中进行实验，以研究运动速度和拐角通过、锚定和推力/拉力。
图10中的a)示出了两个气囊在刚性竖直管1000的不同部分中适应不同直径的能力。图10中的b)示出了在塑性结肠1100的不同部分中的机器人100。
在内径分别为36mm、54mm和72mm的刚性竖直管1000中测试竖直运动和机器人适应不同结肠截面形状的能力，每个刚性竖直管1000的长度为100mm，总共为300mm，如图10中的a)所示。该实验证实了气囊102、104顺应不同结肠直径的形状的能力。
结肠仿真件1100被设计和构造成基于平均人体结肠解剖结构的尺寸和构造来测试机器人100的运动性能。
图11是图10中的b)的模拟的塑性结肠的更详细的视图。总长度为1.4m、内径的范围为25mm至80mm、转弯角度为45度至80度。结肠仿真件1100的设计是通过使用15个3D打印的支撑环来实现的。透明的塑性薄膜(15mm的厚度)缠绕每对接连的环，内部具有润滑剂以使摩擦最小化。弹性带通过使用
Figure BDA0003423868580000161
硅氧烷粘合剂在外部固定到塑性薄膜以避免移动。
因此，这种设置解决了在更有挑战性的环境中的运动问题，该环境包括结肠的3D路径以及薄而弱的塑性壁。凡士林TM形式的润滑剂施加在机器人100和由透明的塑性薄膜制成的壁之间以减少运动摩擦。弹性带用于模拟结肠中的结肠袋褶皱。
机器人100在以良好的运动速度通过狭窄的拐角时表现出高度的灵活性。实验按照标准结肠镜检查手术进行。因此，在结肠镜检查手术的初始阶段，内窥镜医师精力集中在如何到达盲肠。此后，在第二阶段期间，随着内窥镜的缓慢抽出，进行检查。机器人100的实验再现了相同的手术，表明机器人100能够在8分30秒内到达盲肠，以2.8mm/s的平均速度覆盖1.4m的总长度。在盲肠插管后，通过牵引空气管拉绳将机器人100收回。这个阶段需要大约1分钟，平均速度为25mm/s，但在真实场景中，为了对结肠粘膜进行精确评估，这可能需要更长的时间。在这个阶段中，机器人100将会被激活，当认为需要确保没有遗漏异常时，使其向前移动以用于后续检查。当被锚固时，气囊允许精确地控制和操纵用于检查和/或治疗的机器人末端。
因此，机器人100成功地在形状和尺寸与人体解剖结构相似的可变形的塑性结肠仿真件1100中进行了测试，通过其能够变形和通过转弯部和弯曲部的能力显示出有效的运动。
本发明的实施例涉及一种构造成用于结肠镜检查的软气动蠕动双气囊机器人100。机器人100由3D打印部件和EcoflexTM00-30制成，通过在塑性可变形的结肠仿真件1100中的实验证明，对于体内运动具有高度的顺应性和灵活性。连接2个气囊102和104的3自由度软气动致动器106的灵巧和顺应性使机器人100能够通过锐角，并且高度顺应的双气囊结构易于适应于各种结肠部分的形状和它们的直径。由软材料进行构造具有几个物理优点，包括固有的柔韧性、与结肠壁的接触温和无损伤和生产成本低，对于一次性装置的生产是必要的。这可以消除与消毒、交叉感染和维护有关的问题。低杨氏模量提供了与结肠壁的被动顺应性相互作用，这减小了用于锚定的压力。在实验过程中，气囊不会发生任何漏气，这对于保证装置的可靠性是必不可少的。结肠检查需要相机，其可以安装在远端气囊的空腔中。传统的活检仪器可用于诊断和治疗功能两者。机器人100可以包括从相机延伸到外部控制台的管，以用于插入用于治疗疑似病变的器械。
所讨论的实验主要涉及在塑性结肠仿真件1100中的运动设计及其传递速率。穿过肛门插入拉绳将产生附加的摩擦力和阻力。然而，这种摩擦几乎可以通过在移动期间使用用于供给拉绳的外部装置或者通过使用专用接入端口来消除。SPA腔室和气囊的激活是通过使用手动控制的外部活塞-气缸来实现的，成功地证明了其功能性。主动控制将提高运动速度、机动性，并通过减少激活和去激活时间来简化手术。这样的控制可以经由具有操纵杆的外部用户控制台来实施，或者通过使用智能控制部来自主地跟踪结肠腔来实现。这将确保机器人100的非常精确的控制以及帮助技术人员或护士从业者训练或使用机器人100。在这种情况下，经过训练的结肠镜医师将有可能监督几个同时进行的手术，例如请求活组织检查或反向移动以进行二次查看，同时成本大幅降低。最后，通过减小对结肠壁的压力，机器人100可以有助于提高无症状人群的CRC筛查的服从率，为早期诊断推行大量筛查活动。
用于结肠镜检查的智能机器人的设计是有挑战性的，因为可用空间有限、内表面光滑、且人体结肠的3D形状弯弯曲曲。由内窥镜机器人施加的运动力可能损伤结肠壁和/或给患者造成疼痛和不适。本发明的实施例提供了一种软气动蠕动双气囊(SPID)装置形式的机器人，该机器人适用于结肠镜检查等。气囊为仿生蠕动运动提供锚定到结肠壁中的作用。所提出的设计减小了施加到结肠壁上的压力从而减少了手术过程中的疼痛和不适。机器人由软弹性材料制成，并且可以由3D打印部件构造，因此对于一次性装置来说必要的生产成本低。
当与先前报道的装置相比时，本发明实施例的一些优点是：i)在5DOF的运动中高度灵活，以克服窄的弯曲部和转弯部；ii)气囊设计新颖，改进了机器人在不同部分中的锚定，同时在结肠壁中施加外部压力低；以及iii)根据机器人的操作和内窥镜检查的需要，提供足够的内部空间来用于容纳相机、电子器件、电缆和管。
虽然前面的描述已经描述了示例性的实施例，但是本领域的技术人员将理解，在由权利要求书所限定的本发明的范围内可以对实施例进行许多变化。而且，一个或多个实施例的特征可以与一个或多个其它实施例的特征混合和匹配。
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Claims (16)

1.一种用于内窥镜检查的机器人，包括：
前导气囊和后续气囊，每个气囊构造成选择性充气以将所述机器人的一部分锚定在管道内；
软气动致动器，其位于所述前导气囊和所述后续气囊之间并能够操作以在纵向方向上伸展或收缩所述机器人；以及
空腔，其延伸穿过所述后续气囊、所述致动器和所述前导气囊，以用于提供布线和/或仪器；并且
其中所述致动器包括多个腔室，其布置成使得所述前导气囊在围绕所述纵向方向的360度圆周上的任何方向上的运动均通过所述多个腔室内的流体的气动控制实现。
2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述多个腔室在横向方向上受到约束，使得所述气动控制实现每个腔室在纵向方向上的膨胀或收缩。
3.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述致动器是正压差(PDP)致动器。
4.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述致动器包括三个腔室或四个腔室。
5.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述多个腔室中的每个腔室布置为在大致所述纵向方向上膨胀以推动公共面板来引导所述机器人。
6.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，还包括闭环控制系统，其布置为监测所述前导气囊和/或所述后续气囊中的流体体积和/或压力以确定何时停止充气。
7.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述机器人构造成一次性装置。
8.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述前导气囊和/或所述后续气囊包括软的硅橡胶。
9.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述前导气囊和/或所述后续气囊具有在12mm至20mm范围内的放气后外径。
10.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述前导气囊和/或所述后续气囊具有达到至少90mm的充气后外径。
11.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述前导气囊和/或所述后续气囊具有100kPa或以下的激活压力。
12.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述空腔具有在1mm至8mm范围内的直径。
13.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，所述致动器具有在12mm至20mm范围内的外径。
14.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，每个所述腔室具有在12mm至30mm范围内的长度。
15.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，还包括流体控制管，其流体地连接至所述前导气囊、所述后续气囊和所述多个腔室中的每一个。
16.根据任意前述权利要求所述的机器人，其特征在于，包括相机。
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