CN114271874B - 一种磁驱动胶囊机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁驱动胶囊机器人，属于磁技术领域。包括蔗糖层外壳、可拆卸式的胶囊外壳、吸盘部件、竖向磁石、剪刀部件和活塞部件；胶囊外壳沿轴线的前后两端设有剪刀出口和送药口，侧壁上设有吸盘出口；剪刀部件和活塞部件位于胶囊外壳内，能够沿胶囊外壳的轴向水平移动；吸盘部件的顶部支撑端由胶囊外壳侧壁的吸盘出口垂直伸入到胶囊外壳内，抵接在剪刀部件上，吸盘部件的底部吸合端位于胶囊外壳外部；吸盘出口处安装有竖向磁石；蔗糖层外壳包裹胶囊外壳以及位于胶囊外壳外部的吸盘部件。本发明探索了胶囊机器人在新领域的应用，借助磁石的往复运动实现切除和给药的集成化；切合实际手术过程，工作更加高效。

Description

一种磁驱动胶囊机器人

技术领域

本发明涉及磁技术领域，尤其涉及一种磁驱动胶囊机器人。

背景技术

近年来，胶囊机器人的设计与制造越来越受重视，胶囊机器人因其小巧灵活、无线控制的特点，在体内作业有独特的优势。胶囊机器人的工作部件多为磁石，在外部稳恒和梯度磁场的控制下位移并作业。目前，胶囊机器人多用于消化道内窥镜、活体检测等。

现有的胶囊机器人在临床上得到了一定的应用，但能存在很多问题和限制。目前的胶囊机器人功能单一，只能承担治疗前期的检查工作，医生检查发现病灶后，仍需通过消化道手术切除。这导致了额外的成本，且并不能减少病人的不适。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提出了胶囊机器人集成化的概念，公开了一种磁驱动胶囊机器人，将切除和止血集成在一个胶囊里，拓展了其应用新领域。当消化道出现病灶后，病人吞服胶囊机器人；在外部磁场的控制下，胶囊移动到病灶处并固定，随后进行病灶切除和上药止血，这使得消化道手术无需开刀便一步到位地完成，降低了成本，缓解病人不适。

本发明具体采用如下技术方案：

一种磁驱动胶囊机器人，包括蔗糖层外壳、可拆卸式的胶囊外壳、吸盘部件、竖向磁石、剪刀部件和活塞部件；

所述的胶囊外壳沿轴线的前后两端分别设有剪刀出口和送药口，胶囊外壳的侧壁上设有吸盘出口；

所述的剪刀部件和活塞部件位于胶囊外壳内，能够沿胶囊外壳的轴向水平移动；吸盘部件的顶部支撑端由胶囊外壳侧壁的吸盘出口垂直伸入到胶囊外壳内，抵接在剪刀部件上，吸盘部件的底部吸合端位于胶囊外壳外部；所述的吸盘出口处安装有竖向磁石，竖向磁石的磁石南极和磁石北极的轴向垂直于胶囊外壳的轴向；

所述的蔗糖层外壳包裹胶囊外壳以及位于胶囊外壳外部的吸盘部件。

作为本发明的优选，所述的剪刀部件包括剪刀弹簧、剪刀、剪刀链接柱、恢复弹簧、剪刀支架和剪刀磁石；

所述的剪刀磁石的磁石南极和磁石北极与胶囊外壳同轴，剪刀磁石朝向剪刀出口的端面上固定有剪刀支架；所述的剪刀由两根剪刀臂构成，两根剪刀臂的一端通过剪刀链接柱安装在剪刀支架上，且两根剪刀臂的内侧靠近剪刀链接柱的一端安装有恢复弹簧；

所述的剪刀弹簧套设在两根剪刀臂的外围，一端固定在剪刀支架或剪刀磁石上，另一端固定在剪刀出口处；

所述的剪刀磁石在水平方向的梯度磁场作用下能够带动剪刀沿胶囊外壳的轴向水平移动，在匀强磁场作用下能够带动胶囊外壳绕吸盘部件转动。

作为本发明的优选，所述的剪刀磁石外壁上安装有磁石外壳，所述的吸盘部件的顶部支撑端抵接在磁石外壳上。

作为本发明的优选，所述胶囊外壳前端的剪刀出口包括位于胶囊外壳内壁上的剪刀支架槽、以及贯穿胶囊外壳前端的剪刀挡槽，所述的剪刀支架槽内径大于剪刀挡槽内径，剪刀支架槽与剪刀挡槽连通形成阶梯槽结构。

作为本发明的优选，在所述的剪刀支架槽外围还设有用于固定剪刀弹簧的剪刀弹簧槽。

作为本发明的优选，所述的活塞部件包括活塞和活塞支架，所述的活塞通过活塞支架固定在剪刀磁石朝向送药口的端面上；所述的活塞与胶囊外壳的送药口之间设有填充止血凝胶的药液腔。

作为本发明的优选，所述的吸盘部件包括T型吸盘挡板、压缩弹簧和吸盘底座，所述的T型吸盘挡板底部与吸盘底座连接，压缩弹簧套设在吸盘挡板的外围，压缩弹簧一端与吸盘挡板的顶部连接，压缩弹簧另一端固定在胶囊外壳侧壁的吸盘出口处，在压缩弹簧的作用下，T型吸盘挡板的顶部抵接在剪刀部件上。

作为本发明的优选，所述的T型吸盘挡板的中部为网状结构，使吸盘底座固定后的胶囊外壳能够在受力的作用下摇摆。

作为本发明的优选，所述胶囊外壳侧壁上的吸盘出口包括同轴的挡板槽、压缩弹簧槽、竖向磁石固定槽和吸盘底座收纳槽；

所述的挡板槽与吸盘底座收纳槽连通，且分别与T型吸盘挡板的顶部和吸盘底座的形状相匹配；压缩弹簧槽用于安装压缩弹簧，当压缩弹簧槽完全压缩时，T型吸盘挡板的顶部收缩至挡板槽内，与胶囊外壳的内壁平齐；当压缩弹簧释放压力后，吸盘底座完全收缩至吸盘底座收纳槽内，与胶囊外壳的外壁平齐；

所述的竖向磁石固定槽用于安装竖向磁石。

本发明探索了胶囊机器人在新领域的应用，借助磁石的往复运动实现切除和给药的集成化；切合实际手术过程，工作更加高效。

附图说明

图1是本发明实施例示出的一种磁驱动胶囊机器人的整体结构示意图；

图2是本发明实施例示出的一种磁驱动胶囊机器人的整体结构爆炸示意图；

图3是胶囊机器人在胃部的工作示意图；

图4是本发明实施例示出的胶囊外壳的爆炸示意图；

图5是本发明实施例示出的胶囊外壳剖视及局部放大示意图；

图6是本发明实施例示出的吸盘的结构及爆炸示意图；

图7是本发明实施例示出的一种竖向磁石；

图8是本发明实施例示出的剪刀部分结构示意图；

图9是本发明实施例示出的剪刀部分结构爆炸示意图；

图10是本发明实施例示出的活塞部件的结构示意图；

图11是本发明实施例示出的活塞部件的结构爆炸示意图；

图12是本发明实施例示出的磁驱动胶囊机器人工作流程示意图；

图中：1-蔗糖层外壳，2-胶囊外壳，21-剪刀端盖，22-上盖，23-下盖，24-施药端盖，25-剪刀出口，251-剪刀挡槽，252-剪刀弹簧槽，253-剪刀支架槽，26-吸盘出口，261-挡板槽，262-竖向磁石固定槽，263-压缩弹簧槽，264-吸盘底座收纳槽，3-吸盘部件，31-吸盘挡板，32-压缩弹簧，33-吸盘支柱，34-吸盘底座，4-竖向磁石，5-剪刀部件，51-剪刀弹簧，52-剪刀，53-剪刀链接柱，54-恢复弹簧，55-剪刀支架，56-剪刀磁石，57-磁石外壳，6-活塞部件，61-活塞，62-活塞支架。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

本发明提出了一种磁驱动胶囊机器人，包括蔗糖层外壳1、可拆卸式的胶囊外壳2、吸盘部件3、竖向磁石4、剪刀部件5和活塞部件6。

其中，蔗糖层外壳1起到包裹胶囊外壳2、固定吸盘部件3的作用，其随着机器人在消化道内移动而不断溶解；胶囊外壳2为主要的固定结构，保护内部各部件；吸盘部件3起到锚定机器人，支撑机器人旋转的作用；竖向磁石4在竖向梯度磁场作用下施加竖向压力，能够使得吸盘部件3压紧在消化道内壁上；剪刀部件5起到切除病灶的作用；活塞部件6负责把药液挤出，剪刀部件5和活塞部件6均可在胶囊外壳2内腔沿轴向移动。

如图1-2所示，所述的胶囊外壳2沿轴线的前后两端分别设有剪刀出口25和送药口27，胶囊外壳2的侧壁上设有吸盘出口26；

所述的剪刀部件和活塞部件6位于胶囊外壳2内，能够沿胶囊外壳的轴向水平移动；吸盘部件3的顶部支撑端由胶囊外壳2侧壁的吸盘出口26垂直伸入到胶囊外壳2内，抵接在剪刀部件5上，吸盘部件3的底部吸合端位于胶囊外壳2外部；所述的吸盘出口26处安装有竖向磁石4，竖向磁石4的磁石南极和磁石北极的轴向垂直于胶囊外壳2的轴向；

所述的蔗糖层外壳1包裹胶囊外壳2以及位于胶囊外壳2外部的吸盘部件3。

在本发明的一项具体实施中，蔗糖层外壳1采用蔗糖、明胶等易溶于水的材料制成，起到辅助吞咽，包裹胶囊外壳2、固定吸盘部件3的作用，如图2所示，其随着机器人在消化道内移动而不断溶解，暴露出胶囊外壳、吸盘。

胶囊外壳2采用可拆卸式的结构，由生物相容性材料制成，如较软的硅胶/TPU。图4示出了一种可拆卸的形式，整体分为四部分剪刀端盖21、上盖22、下盖23、施药端盖24，以卡槽形式装配，便于安装。其上设有三个孔洞，分别为剪刀出口25、吸盘出口26、送药口27。

如图5所示，胶囊外壳2前端的剪刀出口25包括位于胶囊外壳2内壁上的剪刀支架槽253和剪刀弹簧槽252、以及贯穿胶囊外壳2前端的剪刀挡槽251；其中，剪刀挡槽251起到约束剪刀部件5的作用，使剪刀在胶囊内部使保持闭合；剪刀弹簧通过胶水粘接于剪刀弹簧槽252，起到固定剪刀弹簧的作用；剪刀支架槽253为剪刀支架预留出空间，使得剪刀部件能运动到最大距离，提高剪切效率。

所述的剪刀支架槽253内径大于剪刀挡槽251内径，剪刀支架槽与剪刀挡槽连通形成阶梯槽结构。

胶囊外壳2侧壁上的吸盘出口26包括同轴的挡板槽261、压缩弹簧槽263、竖向磁石固定槽262和吸盘底座收纳槽264；其中，挡板槽261为沉槽，用于固定吸盘挡板的位置，同时使得胶囊内壁光滑；竖向磁石固定槽262通过胶水粘结竖向磁石4，使之固定；压缩弹簧槽263通过胶水粘接压缩弹簧一端；吸盘底座收纳槽264为吸盘底座预留空间，当胶囊回收阶段时，吸盘能最大程度收回胶囊内部，使胶囊外壁光滑，更易排出患者体外。

所述的挡板槽261与吸盘底座收纳槽264连通，且分别与T型吸盘挡板31的顶部和吸盘底座34的形状相匹配；压缩弹簧槽263用于安装压缩弹簧，当压缩弹簧槽263完全压缩时，T型吸盘挡板31的顶部收缩至挡板槽261内，与胶囊外壳的内壁平齐；当压缩弹簧释放压力后，吸盘底座34完全收缩至吸盘底座收纳槽264内，与胶囊外壳的外壁平齐；所述的竖向磁石固定槽262用于安装竖向磁石。

如图6所示，所述的吸盘部件3包括T型吸盘挡板31、压缩弹簧32和吸盘底座34，所述的T型吸盘挡板31底部与吸盘底座34连接，压缩弹簧32套设在吸盘挡板31的外围，压缩弹簧32一端与吸盘挡板31的顶部连接，压缩弹簧32另一端固定在胶囊外壳2侧壁的吸盘出口26处，在压缩弹簧的作用下，T型吸盘挡板31的顶部抵接在剪刀部件5的磁石外壳57上。

本实施例中，T型吸盘挡板31底部与吸盘底座34是通过吸盘支柱(分左右两个)进行连接的，吸盘支柱底部安装在吸盘底座34上，吸盘支柱内部设有连接T型吸盘挡板31底部的槽。

初始阶段，吸盘挡板31放置在挡板槽261内。压缩弹簧32通过胶水粘结吸盘挡板31，在剪刀部件4的约束下受力。随着外部明胶的融化，吸盘暴露出来，在竖直方向上的梯度磁场作用下，竖向磁石4受到磁力从而使吸盘底座34紧压在消化道内壁上。为了使固定后的机器人能摆动，吸盘挡板31的中部设置为网状结构，在保证机械强度的情况下实现弯折。胶囊机器人中的胶囊外壳2能以吸盘为轴心旋转。机器人切除病灶后收回剪刀，在外加匀强磁场作用下旋转180°，进行给药操作，这样机器人剪切与给药可以在一次锚定内进行。

如图7所示，竖向磁石4的结构包括磁石北极N和磁石南极S。竖向磁石4通过胶水固定在竖向磁石固定槽262内。在竖直方向上的梯度磁场作用下，竖向磁石4受到磁力从而使吸盘底座34紧压在消化道内壁上。

如图8-9所示，所述的剪刀部件5包括剪刀弹簧51、剪刀52、剪刀链接柱53、恢复弹簧54、剪刀支架55、剪刀磁石56和磁石外壳57。

所述的剪刀磁石56的磁石南极和磁石北极与胶囊外壳2同轴，剪刀磁石56外壁上安装有磁石外壳57，剪刀磁石56朝向剪刀出口25的端面上固定有剪刀支架55；所述的剪刀52由两根剪刀臂构成，两根剪刀臂的一端通过剪刀链接柱53安装在剪刀支架55上，剪刀52随着磁石运动而运动，且两根剪刀臂的内侧靠近剪刀链接柱53的一端安装有恢复弹簧54；

所述的剪刀弹簧51套设在两根剪刀臂的外围，一端固定在剪刀支架55或剪刀磁石56上，另一端固定在剪刀出口25处的剪刀弹簧槽252上；剪刀弹簧51在初始阶段不受力。

所述的剪刀磁石56在水平方向的梯度磁场作用下能够带动剪刀52沿胶囊外壳的轴向水平移动，在匀强磁场作用下能够带动胶囊外壳2绕吸盘部件3转动。在剪刀缩于机器人内部时，受剪刀挡槽251约束，剪刀处于闭合状态，此时恢复弹簧54受力。在外加水平或斜向磁场后，剪刀随磁石运动而伸出，在恢复弹簧54作用下张开；撤去磁场，在剪刀弹簧51作用下，剪刀收回，实现了剪切动作。剪切时剪刀磁石56会在壳体不断往复运动，为了减小磨擦，使用外壳57(可采用聚四氟乙烯材料)包裹磁石。、

如图10-11所示，所述的活塞部件6包括活塞61和活塞支架62，所述的活塞通过活塞支架固定在剪刀磁石56朝向送药口27的端面上；所述的活塞61与胶囊外壳2的送药口27之间设有填充止血凝胶的药液腔。

本实施例中，活塞61采用橡胶材料，提高密封性和阻塞感。活塞支架62通过过盈配合固定在活塞61的开口槽内，提供径向的压力。磁石56可在外部磁场作用下推动活塞，使活塞沿胶囊外壳2轴向运动。

胶囊机器人的工作流程可分为四个阶段，初始阶段、剪切阶段、给药阶段、回收阶段，如图8所示，图中B-外界磁场、-梯度磁场可用亥姆霍兹-麦克斯韦线圈实验台实现。具体流程如下：

1)初始阶段：病人吞咽胶囊机器人，胶囊依靠肠道蠕动到达胃部；变换匀强磁场方向，外部磁场控制蔗糖或明胶包裹的胶囊翻滚到达病灶发生处，此时蔗糖或明胶逐渐融化，露出吸盘底座34；在竖直梯度磁场作用下，吸盘底座34被紧固在消化道内壁上，固定后即可撤去竖直梯度磁场。

2)剪切阶段：蔗糖或明胶全部融化后，施加水平或斜向梯度磁场，剪刀磁石56带动剪刀52轴向移动并伸出胶囊外壳，此时剪刀弹簧51被压缩，由于恢复弹簧的作用，剪刀展开。撤去磁场，受剪刀弹簧51的弹力作用，剪刀缩回闭合，此时恢复弹簧被压缩；多次展开-闭合可实现剪切作业。

3)给药阶段：剪切完全后，变换匀强磁场方向使胶囊旋转180°，此时吸盘锚定不动，使施药口靠近病灶部位。同理，施加水平或斜向梯度磁场，使剪刀磁石56推动活塞61挤出止血凝胶，使伤口止血。

4)给药完毕，撤去磁场，磁石的约束消失，在压缩弹簧32的作用下吸盘底座34缩回胶囊内部。施加垂直匀强磁场并变换方向，磁石产生力矩，使吸盘脱离胃部表面；撤销磁场后，胶囊依靠胃部和肠道蠕动排出体外。

本实施例中，在初始阶段、剪切阶段和给药阶段，随着剪刀磁石在胶囊外壳内腔固定不动或者沿轴向移动过程中，吸盘部件的顶部始终在压缩弹簧的作用下抵接在剪刀磁石的外壳上，并收缩在胶囊外壳上的挡板槽内；仅在给药阶段结束后，即剪刀磁石在胶囊外壳内腔朝着给药口方向移动到最大位置后，吸盘部件的顶部脱离剪刀磁石外壳的约束，在压缩弹簧32的作用下向上运动，带动吸盘底座34缩回胶囊外壳上的吸盘底座收纳槽内。

通过本发明实施例介绍的磁驱动胶囊机器人，借助磁石的往复运动实现了病灶切除和给药的集成化，切合实际手术过程，降低了病人的不适，且操作安全性高。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种磁驱动胶囊机器人，其特征在于，包括蔗糖层外壳（1）、可拆卸式的胶囊外壳（2）、吸盘部件（3）、竖向磁石（4）、剪刀部件（5）和活塞部件（6）；

所述的胶囊外壳（2）沿轴线的前后两端分别设有剪刀出口（25）和送药口（27），胶囊外壳（2）的侧壁上设有吸盘出口（26）；

所述的剪刀部件和活塞部件（6）位于胶囊外壳（2）内，能够沿胶囊外壳的轴向水平移动；吸盘部件（3）的顶部支撑端由胶囊外壳（2）侧壁的吸盘出口（26）垂直伸入到胶囊外壳（2）内，抵接在剪刀部件（5）上，吸盘部件（3）的底部吸合端位于胶囊外壳（2）外部；所述的吸盘出口（26）处安装有竖向磁石（4），竖向磁石（4）的磁石南极和磁石北极的轴向垂直于胶囊外壳（2）的轴向；

所述的剪刀部件（5）包括剪刀弹簧（51）、剪刀（52）、剪刀链接柱（53）、恢复弹簧（54）、剪刀支架（55）和剪刀磁石（56）；所述的剪刀磁石（56）外壁上安装有磁石外壳（57），所述的吸盘部件（3）的顶部支撑端抵接在磁石外壳（57）上；所述的活塞部件（6）包括活塞（61）和活塞支架（62），所述的活塞通过活塞支架固定在剪刀磁石（56）朝向送药口（27）的端面上；

所述的剪刀磁石（56）的磁石南极和磁石北极与胶囊外壳（2）同轴，剪刀磁石（56）朝向剪刀出口（25）的端面上固定有剪刀支架（55）；所述的剪刀（52）由两根剪刀臂构成，两根剪刀臂的一端通过剪刀链接柱（53）安装在剪刀支架（55）上，且两根剪刀臂的内侧靠近剪刀链接柱（53）的一端安装有恢复弹簧（54）；

所述的剪刀弹簧（51）套设在两根剪刀臂的外围，一端固定在剪刀支架（55）或剪刀磁石（56）上，另一端固定在剪刀出口（25）处；

所述的剪刀磁石（56）在水平方向的梯度磁场作用下能够带动剪刀（52）沿胶囊外壳的轴向水平移动，在匀强磁场作用下能够带动胶囊外壳（2）绕吸盘部件（3）转动；

所述的蔗糖层外壳（1）包裹胶囊外壳（2）以及位于胶囊外壳（2）外部的吸盘部件（3）；所述的吸盘部件（3）包括T型吸盘挡板（31）、压缩弹簧（32）和吸盘底座（34），所述的T型吸盘挡板（31）底部与吸盘底座（34）连接，压缩弹簧（32）套设在吸盘挡板（31）的外围，压缩弹簧（32）一端与吸盘挡板（31）的顶部连接，压缩弹簧（32）另一端固定在胶囊外壳（2）侧壁的吸盘出口（26）处，在压缩弹簧的作用下，T型吸盘挡板（31）的顶部抵接在剪刀部件（5）上。

2.根据权利要求1所述的一种磁驱动胶囊机器人，其特征在于，所述胶囊外壳（2）前端的剪刀出口（25）包括位于胶囊外壳（2）内壁上的剪刀支架槽（253）、以及贯穿胶囊外壳（2）前端的剪刀挡槽（251），所述的剪刀支架槽（253）内径大于剪刀挡槽（251）内径，剪刀支架槽与剪刀挡槽连通形成阶梯槽结构。

3.根据权利要求2所述的一种磁驱动胶囊机器人，其特征在于，在所述的剪刀支架槽（253）外围还设有用于固定剪刀弹簧（51）的剪刀弹簧槽（252）。

4.根据权利要求1所述的一种磁驱动胶囊机器人，其特征在于，所述的活塞（61）与胶囊外壳（2）的送药口（27）之间设有填充止血凝胶的药液腔。

5.根据权利要求1所述的一种磁驱动胶囊机器人，其特征在于，所述的T型吸盘挡板（31）的中部为网状结构，使吸盘底座（34）固定后的胶囊外壳（2）能够在受力的作用下摇摆。

6.根据权利要求1所述的一种磁驱动胶囊机器人，其特征在于，所述胶囊外壳（2）侧壁上的吸盘出口（26）包括同轴的挡板槽（261）、压缩弹簧槽（263）、竖向磁石固定槽（262）和吸盘底座收纳槽（264）；

所述的挡板槽（261）与吸盘底座收纳槽（264）连通，且分别与T型吸盘挡板（31）的顶部和吸盘底座（34）的形状相匹配；压缩弹簧槽（263）用于安装压缩弹簧，当压缩弹簧槽（263）完全压缩时，T型吸盘挡板（31）的顶部收缩至挡板槽（261）内，与胶囊外壳的内壁平齐；当压缩弹簧释放压力后，吸盘底座（34）完全收缩至吸盘底座收纳槽（264）内，与胶囊外壳的外壁平齐；

所述的竖向磁石固定槽（262）用于安装竖向磁石。