CN117503213A - 一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人 - Google Patents

一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人 Download PDF

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Abstract

一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，涉及一种活检机器人，为了解决现有的胶囊机器人存在主动运动能力较弱，无法在胃肠道内长时间停留的问题。本发明的锚定模块用于控制活检机器人在胃肠道内停留；相机模块用于体内组织图像的采集；活检模块用于对体内组织的拾取；驱动模块设置在锚定模块与活检模块之间，驱动模块处于驱动模态时，利用外部驱动磁铁激发驱动模块实现活检机器人的主动运动、俯仰角度和偏转角度进行调整；驱动模块处于工作模态时，实现驱动活检模块进入工作模态；或者通过外部驱动磁铁激发驱动模块向锚定模块方向摆动，实现驱动锚定模块进入工作模态。有益效果为锚定模块可以在肠道内锚定停留，便于活检。

Description

一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人
技术领域
本发明涉及一种活检机器人。
背景技术
自胶囊内窥镜机器人问世以来，胶囊内窥镜机器人在胃肠道检查和治疗领域占据了十分重要的份额；胶囊机器人是一种胶囊状装置，按功能和集成度的不同，由不同的功能模块组成，这些功能模块主要有相机模块、驱动模块、活检模块和锚定模块；此外还包括电源模块、信号发射模块、控制模块和胶囊外壳等等；与现有内窥镜的侵入式检查不同，胶囊机器人因为其较小的体积可被患者吞服，从而进入消化道；在内部驱动装置或外部驱动装置的驱动下，胶囊机器人能在消化道内部移动，并利用相机模块捕获消化道内壁的图像信息，然后利用信号发射模块将捕获到的图片信息传输至外部的信号接收装置，从而实现对消化道的无线检查和疾病诊断；这种检查方式避免了侵入式检查给患者造成的巨大痛苦，同时胶囊机器人也可以检查到许多内窥镜由于长度限制而无法到达的区域；此外采用胶囊机器人进行消化道检查，还具有操作简单、视野范围大、无交叉感染，以及无需使用麻醉剂的优点；无线胶囊内窥镜可以作为胃肠道检查和治疗领域的新兴方法，有着光明的发展前景，被认为是内窥镜诊疗领域的重要研究方向。
虽然胶囊机器人相较于现有内窥镜拥有诸多优点，但现阶段的胶囊机器人仍然存在一些不足之处，这些不足主要包括以下几个方面：
1、现有胶囊机器人主动运动能力较弱。目前，大部分商用胶囊机器人只能依靠自身重力和消化道的蠕动被动地改变自身位置；这种被动运动的特性使得胶囊机器人的运动速度慢，检查时间长；同时，由于消化道的蠕动的随机性，使得胶囊机器人的位置和姿态难以控制，容易出现漏诊的情况。
2、缺乏活检功能。由于体积的限制，现有的胶囊机器人难以集成多个功能模块，功能单一；例如，目前市面上大部分商用胶囊机器人仅具有图像采集功能，而有些疾病无法通过图像信息准确诊断，这时候仍然需要采用现有内窥镜进行活检取样，给患者带来了额外的不便和痛苦。
3、缺乏锚定功能。现有的胶囊机器人依靠自身重力和消化道蠕动被动运动，无法在感兴趣的区域停留，以做到长时间观察；同时胶囊机器人的活检工作通常也要求胶囊机器人在指定位置停留一段时间；故需要为胶囊机器人增设锚定机构，以克服消化道的蠕动，使胶囊机器人的位置保持相对固定。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的胶囊机器人存在主动运动能力较弱，无法在胃肠道内长时间停留的问题，提出了一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人。
本发明所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，该机器人包括相机模块、活检模块、驱动模块、锚定模块和壳体；
相机模块、活检模块、驱动模块、锚定模块依次设置在壳体内；
锚定模块设置在壳体的尾部，并且锚定模块用于在工作模态下控制所述活检机器人在胃肠道内停留；
相机模块设置在壳体的头部，并且相机模块用于体内组织图像的采集；
活检模块用于在工作模态下对体内组织的拾取；
驱动模块设置在锚定模块与活检模块之间，同时，驱动模块具有驱动模态和工作模态；驱动模块处于驱动模态时，利用外部驱动磁铁激发驱动模块实现所述活检机器人的主动运动，以及对所述活检机器人俯仰角度和偏转角度进行调整；驱动模块处于工作模态时，通过外部驱动磁铁激发驱动模块向活检模块方向摆动，实现驱动活检模块进入工作模态；或者通过外部驱动磁铁激发驱动模块向锚定模块方向摆动，实现驱动锚定模块进入工作模态。
进一步的，所述驱动模块包括环形架、径向导轨、第一复位橡皮筋、受控磁铁、受控磁铁顶部限位壳、磁铁基座、磁铁转轴和径向滑块；
所述环形架为环状结构，并且环形架嵌套在壳体的内部；
所述径向导轨为两个，并且两个径向导轨沿环形架径向平行设置；
所述磁铁基座设置在两个径向导轨之间的底部；
所述受控磁铁的底端设置磁铁基座上，同时受控磁铁顶部限位壳嵌套在受控磁铁顶端；
所述磁铁转轴依次穿过径向滑块以及磁铁基座；同时，磁铁转轴与磁铁基座固定连接；磁铁转轴与径向滑块转动连接；
所述第一复位橡皮筋的一端钩挂在径向滑块上，第一复位橡皮筋的另一端钩挂在径向导轨上。
进一步的，环形架的顶部设计有限位孔；
在无外部驱动磁场或者外部驱动磁铁的磁场力小于第一复位橡皮筋的回复力时，受控磁铁顶部限位壳插入环形架的限位孔内部，使得受控磁铁被限位，无法向活检模块或锚定模块方向摆动，此时驱动模块处于驱动模态；
在外部驱动磁铁的磁场力大于第一复位橡皮筋的回复力时，受控磁铁随径向滑块沿径向导轨向下滑动，使得受控磁铁顶部限位壳脱离环形架的限位孔，受控磁铁限位解除，可以向活检模块或锚定模块方向摆动，此时驱动模块处于工作模态。
进一步的，所述锚定模块包括锚定滑块、第一橡皮筋挂钩、自锁机构、凸轮轴、第二复位橡皮筋和锚定腿机构；
所述锚定滑块前端设有斜面，通过锚定滑块的斜面将受控磁铁向锚定模块方向的摆动转换为自锁机构的单向转动；自锁机构可实现转动过程的反向自锁，并将单向转动传递给凸轮轴；
所述第一橡皮筋挂钩设置在锚定滑块上，第二复位橡皮筋的一端钩挂在第一橡皮筋挂钩上，第二复位橡皮筋的另一端钩挂在活检模块上；
所述锚定腿机构包括三个相位相差120度的锚定腿滑块、锚定腿导轨片和一个后端盖；
所述锚定腿滑块以径向滑动的方式设置在锚定腿导轨片上；
所述凸轮轴上对应锚定腿滑块的位置设有三个凸起，用于推动三个锚定腿滑块的伸出与缩回；
当有转矩输入至凸轮轴时，利用凸轮轴、锚定腿滑块和锚定腿导轨片将单向转动转变为锚定腿滑块的周期性伸缩运动；
当凸轮轴由0°转至180°时，锚定腿滑块处于伸出过程，且凸轮轴转至180°时，锚定腿滑块伸出至最远；当凸轮轴由180°转至360°时，锚定腿滑块处于缩回过程，且凸轮轴转至360°时，锚定腿滑块完全缩回，从而完成一个0°～360°的伸出与缩回周期。
进一步的，所述自锁机构包括锚定基座、自锁棘轮、棘轮顶盖、传动棘轮、第一复位销、第二复位销和复位弹簧；
所述凸轮轴的一端依次沿轴向穿过锚定基座、自锁棘轮、棘轮顶盖以及传动棘轮；
所述锚定腿固定在凸轮轴的另一端；凸轮轴的横截面为非圆形；自锁棘轮的中心通孔和传动棘轮的中心通孔与凸轮轴的横截面形状相同；锚定基座中心通孔与棘轮顶盖的中心通孔均为圆形；
所述传动棘轮包括第一行星轮、第一内轮、第一限位片和第一弹性柱；其中，第一行星轮设有内齿，第一行星轮与第一内轮同轴设置，第一限位片轴连在第一内轮上，并且第一限位片的端部在第一弹性柱的支撑下与第一行星轮的内齿接触；
所述自锁棘轮包括第二行星轮、第二内轮、第二限位片和第二弹性柱；其中，第二行星轮设有内齿，第二行星轮与第二内轮同轴设置，第二限位片轴连在第二内轮上，并且第二限位片的端部在第二弹性柱的支撑下与第二行星轮的内齿接触；同时第二行星轮的外圈固定在锚定基座的内侧壁上；锚定基座的外侧壁固定在壳体上；
所述锚定滑块的斜面与第一行星轮的外缘接触，用于驱动第一行星轮逆时针转动，第一行星轮依次带动第一内轮以及凸轮轴同步逆时针转动，凸轮轴再依次带动第二内轮逆时针转动，并推动锚定腿滑块周期性伸出与缩回；
所述第一复位销的一端固定在第一行星轮的外表面上；所述第二复位销的一端固定在棘轮顶盖的外表面上，并且在第一行星轮开设有弧型槽，第二复位销的另一端由弧型槽穿出；所述复位弹簧的一端固定在第一复位销上，复位弹簧的另一端固定在第二复位销上；利用复位弹簧的回复力驱动第一行星轮顺时针旋转到初始位置，同时在该过程中，自锁棘轮的单向转动特性使得凸轮轴和第一内轮的转角不随第一行星轮的顺时针复位而改变，从而实现凸轮轴的反向自锁。
进一步的，所述自锁机构还包括限位销和卡块；
所述限位销设置在棘轮顶盖上，用于限制第一行星轮的转动角度；
所述卡块固定在第二行星轮的外边缘处，通过卡块与锚定基座侧壁设有的卡槽配合使用，将自锁棘轮固定在锚定基座的内侧壁上。
进一步的，所述壳体包括胶囊外壳和前端盖；
所述胶囊外壳为两端开口的圆筒状结构，前端盖为半球状空心结构；前端盖设置在胶囊外壳的头部；并且相机模块设置在前端盖内；
所述胶囊外壳的侧壁上沿轴向设置有滑动槽，该滑动槽用于实现活检模块以及锚定模块的平移运动；
所述前端盖上设置有前端盖通孔；前端盖的筒壁沿前端盖通孔向内部延伸形成活检针前端导向通道。
进一步的，所述活检模块包括活检针、第二橡皮筋挂钩和活检滑块；
活检针的尾端与活检滑块过盈配合固定，活检滑块以轴向滑动连接的方式设置在壳体上；
所述第二橡皮筋挂钩固定在活检滑块上；第二复位橡皮筋的一端钩挂在第一橡皮筋挂钩上；第二复位橡皮筋的另一端钩挂在第二橡皮筋挂钩上；
活检针的首端穿过相机模块，伸入活检针前端导向通道。
进一步的，所述相机模块包括电路板和微型相机；
电路板固定在前端盖与胶囊外壳相接触的端面上，微型相机固定在电路板的上表面，电路板为微型相机提供电源；前端盖采用透明材料制成。
进一步的，所述相机模块还包括LED灯；
LED灯设置在电路板的上表面并由电路板提供电源，LED灯为微型相机工作时提供照明。
本发明的有益效果为：采用可轴向摆动的受控驱动模块作为胶囊机器人的驱动器，并采用分模态动力输入的方法，实现了仅用一个驱动模块便能提供主动运动、锚定动作、活检动作所需的三种动力，大大提高了活检机器人内部空间利用率；同时该活检机器人尺寸小、控制简单、驱动力大、可以重复多次取样；锚定模块的增加，使得该活检机器人可以在感兴趣的区域锚定停留以做长时间观察；此外，还可对活体组织取样，以便于体外详细化验。
附图说明
图1为具体实施方式一所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人的内部结构示意图；
图2为具体实施方式一中六自由度机械臂及胶囊活检机器人的结构示意图；
图3为具体实施方式一中所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人的分解结构示意图；
图4为具体实施方式一中驱动模块的分解结构示意图；
图5为具体实施方式一中锚定模块的分解结构示意图；
图6为具体实施方式一中传动棘轮的俯视图；
图7为具体实施方式一中胶囊活检机器人主动运动示意图；
图8为具体实施方式一中锚定腿机构的分解结构示意图；
图9为具体实施方式一中锚定腿滑块的伸出缩回周期示意图；
图10为具体实施方式一中胶囊活检机器人进入锚定状态的结构示意图；
图11为具体实施方式一中胶囊活检机器人进入活检状态的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图11说明本实施方式，本实施方式所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，该机器人包括相机模块、活检模块、驱动模块、锚定模块和壳体；
相机模块、活检模块、驱动模块、锚定模块依次设置在壳体内；
锚定模块设置在壳体的尾部，并且锚定模块用于在工作模态下控制所述活检机器人在胃肠道内停留；
相机模块设置在壳体的头部，并且相机模块用于体内组织图像的采集；
活检模块用于在工作模态下对体内组织的拾取；
驱动模块设置在锚定模块与活检模块之间，同时，驱动模块具有驱动模态和工作模态；驱动模块处于驱动模态时，利用外部驱动磁铁33激发驱动模块实现所述活检机器人的主动运动，以及对所述活检机器人俯仰角度和偏转角度进行调整；驱动模块处于工作模态时，通过外部驱动磁铁33激发驱动模块向活检模块方向摆动，实现驱动活检模块进入工作模态；或者通过外部驱动磁铁33激发驱动模块向锚定模块方向摆动，实现驱动锚定模块进入工作模态。
在本实施方式中，外部磁控系统主要由机械臂35、磁铁固定座34以及外部驱动磁铁33组成，机械臂35具有六自由度，外部驱动磁铁33安装在磁铁固定座34上并搭载在机械臂35末端，医师通过操作手柄操纵机械臂35，进而间接控制胶囊机器人的运动与活检手术的进行。
优选实施例中，所述驱动模块包括环形架1、径向导轨2、第一复位橡皮筋3、受控磁铁4、受控磁铁顶部限位壳5、磁铁基座6、磁铁转轴7和径向滑块8；
所述环形架1为环状结构，并且环形架1嵌套在壳体的内部；
所述径向导轨2为两个，并且两个径向导轨2沿环形架1径向平行设置；
所述磁铁基座6设置在两个径向导轨2之间的底部；
所述受控磁铁4的底端设置磁铁基座6上，同时受控磁铁顶部限位壳5嵌套在受控磁铁4顶端；
所述磁铁转轴7依次穿过径向滑块8以及磁铁基座6；同时，磁铁转轴7与磁铁基座6固定连接；磁铁转轴7与径向滑块8转动连接；
所述第一复位橡皮筋3的一端钩挂在径向滑块8上，第一复位橡皮筋3的另一端钩挂在径向导轨2上。
优选实施例中，环形架1的顶部设计有限位孔；
在无外部驱动磁场或者外部驱动磁铁33的磁场力小于第一复位橡皮筋3的回复力时，受控磁铁顶部限位壳5插入环形架1的限位孔内部，无法向活检模块或锚定模块方向摆动，此时驱动模块处于驱动模态；
在外部驱动磁铁33的磁场力大于第一复位橡皮筋3的回复力时，受控磁铁4随径向滑块8沿径向导轨2向下滑动，使得受控磁铁顶部限位壳5脱离环形架1的限位孔，受控磁铁4限位解除，可以向活检模块或锚定模块方向摆动，此时驱动模块处于工作模态。
在本实施方式中，受控磁铁4沿圆周方向等分为两段，一段充磁为N极，另一段充磁为S极；在无外部驱动磁场或外部驱动磁场较弱时，胶囊内部的受控磁铁4在第一复位橡皮筋3的回复力作用下，沿径向导轨2向上移动，并插入驱动模块环形架1的顶部限位孔。此时，受控磁铁4在驱动模块环形架1顶部限位孔和径向导轨2的约束下相对于壳体固定不动，驱动模块处于驱动模态。在驱动模态下，外部驱动磁铁33在壳体外部沿对应受控磁铁4的圆周方向摆动，通过与受控磁铁4的磁扭矩作用，使受控磁铁4沿预期方向转动或摆动，并带动机器人本体转动或摆动，从而实现胶囊机器人俯仰角度和偏转角度的调整；外部驱动磁铁33在壳体外部沿胶囊机器人轴向方向移动，通过与受控磁铁4的磁力作用，使受控磁铁4沿预期方向移动，并带动机器人本体移动，从而实现胶囊机器人的平移运动。如图5所示为胶囊机器人主动运动示意图，其中Fmag是外部驱动磁铁33对受控磁铁4的吸引力，Tmag是驱动胶囊机器人旋转运动的驱动力矩，Tres是胶囊机器人回转运动过程中受到的阻力矩，由此可知胶囊机器人在外磁场的作用下既能实现直线运动也可以实现旋转运动，其中旋转运动可有效降低胶囊机器人与外界的摩擦力(静摩擦力转变为动摩擦力)。
优选实施例中，所述锚定模块包括锚定滑块15、第一橡皮筋挂钩16、自锁机构、凸轮轴20、第二复位橡皮筋31和锚定腿机构；
所述锚定滑块15前端设有斜面，通过锚定滑块15的斜面将受控磁铁4向锚定模块方向的摆动转换为自锁机构的单向转动；自锁机构可实现转动过程的反向自锁，并将单向转动传递给凸轮轴20；
所述第一橡皮筋挂钩16设置在锚定滑块15上，第二复位橡皮筋31的一端钩挂在第一橡皮筋挂钩16上，第二复位橡皮筋31的另一端钩挂在活检模块上；
所述锚定腿机构包括三个相位相差120度的锚定腿滑块22、锚定腿导轨片21和一个后端盖19；
所述锚定腿滑块22以径向滑动的方式设置在锚定腿导轨片21上；
所述凸轮轴20上对应锚定腿滑块22的位置设有三个凸起，用于推动三个锚定腿滑块22的伸出与缩回；
当有转矩输入至凸轮轴20时，利用凸轮轴20、锚定腿滑块22和锚定腿导轨片21将单向转动转变为锚定腿滑块22的周期性伸缩运动；
当凸轮轴20由0°转至180°时，锚定腿滑块22处于伸出过程，且凸轮轴20转至180°时，锚定腿滑块22伸出至最远；当凸轮轴20由180°转至360°时，锚定腿滑块22处于缩回过程，且凸轮轴20转至360°时，锚定腿滑块22完全缩回，从而完成一个0°～360°的伸出与缩回周期。
优选实施例中，所述自锁机构包括锚定基座9、自锁棘轮10、棘轮顶盖12、传动棘轮13、第一复位销14、第二复位销17和复位弹簧30；
所述凸轮轴20的一端依次沿轴向穿过锚定基座9、自锁棘轮10、棘轮顶盖12以及传动棘轮13；
所述锚定腿固定在凸轮轴20的另一端；凸轮轴20的横截面为非圆形；自锁棘轮10的中心通孔和传动棘轮13的中心通孔与凸轮轴20的横截面形状相同；锚定基座9中心通孔与棘轮顶盖12的中心通孔均为圆形；
所述传动棘轮13包括第一行星轮13-1、第一内轮13-2、第一限位片13-3和第一弹性柱13-4；其中，第一行星轮13-1设有内齿，第一行星轮13-1与第一内轮13-2同轴设置，第一限位片13-3轴连在第一内轮13-2上，并且第一限位片13-3的端部在第一弹性柱13-4的支撑下与第一行星轮13-1的内齿接触；
所述自锁棘轮10包括第二行星轮、第二内轮、第二限位片和第二弹性柱；其中，第二行星轮设有内齿，第二行星轮与第二内轮同轴设置，第二限位片轴连在第二内轮上，并且第二限位片的端部在第二弹性柱的支撑下与第二行星轮的内齿接触；同时第二行星轮的外圈固定在锚定基座9的内侧壁上；锚定基座9的外侧壁固定在壳体上；
所述锚定滑块15的斜面与第一行星轮13-1的外缘接触，用于驱动第一行星轮13-1逆时针转动，第一行星轮13-1依次带动第一内轮13-2以及凸轮轴20同步逆时针转动，凸轮轴20再依次带动第二内轮逆时针转动，并推动锚定腿滑块22周期性伸出与缩回；
所述第一复位销14的一端固定在第一行星轮13-1的外表面上；所述第二复位销17的一端固定在棘轮顶盖12的外表面上，并且在第一行星轮13-1开设有弧型槽，第二复位销17的另一端由弧型槽穿出；所述复位弹簧30的一端固定在第一复位销14上，复位弹簧30的另一端固定在第二复位销17上；利用复位弹簧30的回复力驱动第一行星轮13-1顺时针旋转到初始位置，同时在该过程中，自锁棘轮10的单向转动特性使得凸轮轴20和第一内轮13-2的转角不随第一行星轮13-1的顺时针复位而改变，从而实现凸轮轴20的反向自锁。
在本实施方式中，整个锚定模块的工作原理如下：首先将工作模态下胶囊内部受控磁铁4向锚定模块方向的摆动作为动力源；利用胶囊内部受控磁铁4向锚定模块方向的摆动推动锚定滑块15，将受控磁铁4向锚定模块方向的摆动转换为锚定滑块15的平移运动。再利用锚定滑块15推动第一行星轮13-1的外缘，从而将锚定滑块15的平移运动转变为传动棘轮13的单向转动。在得到传动棘轮13单向转动的动力输入后，可利用自锁棘轮10实现转动过程中的反向自锁。至此，利用锚定滑块15、传动棘轮13和自锁棘轮10，得到了具有反向自锁特性的单向转动动力输入。最后将该单向转动作用于凸轮轴20上，并借助凸轮轴20、锚定腿滑块22和锚定腿导轨片21三者的配合，便可实现锚定腿滑块22的周期性伸出与缩回。
优选实施例中，所述自锁机构还包括限位销11和卡块18；
所述限位销11设置在棘轮顶盖12上，用于限制第一行星轮13-1的转动角度；
所述卡块18固定在第二行星轮的外边缘处，通过卡块18与锚定基座9侧壁设有的卡槽配合使用，将自锁棘轮10固定在锚定基座9的内侧壁上。
优选实施例中，所述壳体包括胶囊外壳32和前端盖23；
所述胶囊外壳32为两端开口的圆筒状结构，前端盖23为半球状空心结构；前端盖23设置在胶囊外壳32的头部；并且相机模块设置在前端盖23内；
所述胶囊外壳32的侧壁上沿轴向设置有滑动槽，该滑动槽用于实现活检模块以及锚定滑块15的平移运动；
所述前端盖23上设置有前端盖通孔；前端盖23的筒壁沿前端盖通孔向内部延伸形成活检针前端导向通道。
优选实施例中，所述活检模块包括活检针27、第二橡皮筋挂钩28和活检滑块29；
活检针27的尾端与活检滑块29过盈配合固定，活检滑块29以轴向滑动连接的方式设置在壳体上；
所述第二橡皮筋挂钩28固定在活检滑块29上；第二复位橡皮筋31的一端钩挂在第一橡皮筋挂钩16上，第二复位橡皮筋31的另一端钩挂在第二橡皮筋挂钩28上；
活检针27的首端穿过相机模块，伸入活检针前端导向通道。
在本实施方式中，活检滑块29可沿着胶囊外壳32顶部和底部的滑动槽进行轴向平移运动。当驱动模块处于工作模态时，受控磁铁4在外部驱动磁铁33的驱动下可向活检模块方向摆动。同时受控磁铁顶部限位壳5将推动活检滑块29向相机模块方向滑动，从而将受控磁铁4向活检模块方向摆动，转变为活检滑块29的轴向平移运动，活检滑块29上安装有活检针27，在平移过程中可将活检针27伸出并扎入可疑病变区域，从而完成活检采样工作。最后活检滑块29在第二复位橡皮筋31的回复力作用下完成复位，并带动活检针27缩回。
优选实施例中，所述相机模块包括电路板26和微型相机24；
电路板26固定在前端盖23与胶囊外壳32相接触的端面上，微型相机24固定在电路板26的上表面，电路板26为微型相机24提供电源；前端盖23采用透明材料制成。
优选实施例中，所述相机模块还包括LED灯25；
LED灯25设置在电路板26的上表面并由电路板26提供电源，LED灯25为微型相机24工作时提供照明。
本实施方式所述的胶囊型活检机器人的工作流程如下：
系统初始化：依据实验对象调整机械臂35的初始位姿，然后安装好外部驱动磁铁33，并准备好胶囊型活检机器人。
图像采集开始：初始时，胶囊型活检机器人的驱动模块处于驱动模态；患者口服吞下胶囊机器人后，图像采集模块启动开始收集消化道信息，然后传输至体外PC端以供医师观察分析，医师通过图像采集模块的反馈信息操纵手柄控制机械臂35的位姿，利用外部驱动磁铁33对胶囊机器人内部的受控磁铁4的磁力，来控制胶囊机器人平移运动；利用外部驱动磁铁33对胶囊机器人内部的受控磁铁4的磁扭矩，来调整胶囊机器人的俯仰和偏转角度。
切换至工作模态：当需要锚定或者活检时，首先需要将胶囊型活检机器人的驱动模块切换为工作模态；医师通过控制手柄使胶囊型活检机器人运动到指定位置，并依据微型相机24的反馈信息，调整外部驱动磁铁33的位姿，在外部驱动磁铁33的驱动作用下，胶囊内部的受控磁铁4克服第一复位橡皮筋3的回复力，并沿着径向导轨2下移，切换为工作模态。
进行锚定工作：当需要锚定时，医师通过控制手柄使胶囊型活检机器人运动到指定位置，并将胶囊机器人的驱动模块切换至工作模态；然后调整外部驱动磁铁33的位姿，并驱动工作模态下胶囊内部受控磁铁4向锚定模块方向摆动；按照上述操作进行多次摆动，使锚定模块的锚定腿滑块22完全伸出，以完成锚定工作；胶囊型活检机器人锚定工作的动作示意，如图10所示。
进行活检工作：当需要活检时，医师通过控制手柄使胶囊机器人运动到指定位置，并调整外部驱动磁铁33的位姿使胶囊机器人头部对准需要活检的部位；然后将胶囊机器人的驱动模块切换至工作模态；先完成锚定工作，然后驱动外部驱动磁铁33使受控磁铁4向活检模块方向摆动。此时受控磁铁顶部限位壳5将推动活检滑块29进行轴向平移运动，从而将受控磁铁4向活检模块方向的摆动，转变为活检滑块29的轴向平移运动，活检滑块29上安装有活检针27，在平移过程中可将活检针27伸出并扎入可疑病变区域，从而完成活检采样；最后活检滑块29在第二复位橡皮筋31的回复力作用下完成复位，并带动活检针27缩回；胶囊机器人活检工作的动作示意，如图11所示。
结束锚定工作：当活检针27完全收回胶囊壳体后，调整外部驱动磁铁33的位姿，并驱动工作模态下胶囊内部受控磁铁4向锚定模块方向摆动；按照上述操作进行多次摆动，使锚定模块的锚定腿滑块22完全缩回，以结束锚定工作。
切换回驱动模态：当完成锚定或活检工作后，再次驱动胶囊机器人进行主动运动前，需要先将胶囊机器人的驱动模块由工作模态切换回驱动模态。撤去外部驱动磁铁33或使外部驱动磁铁33沿同磁矩的相反方向对受控磁铁4进行吸引。此时，胶囊内部的受控磁铁4在第一复位橡皮筋3的回复力作用下，沿径向导轨2向上移动，并插入驱动模块的环形架1的顶部限位孔，切换回驱动模态。
通过调整调整外部驱动磁铁33的位姿，将胶囊机器人牵引出患者体内；随后将活检针27从胶囊内取出，并将其连接在注射器上，通过在注射器内施加正压力排出样品，医生可根据活检针27采集的样品作进一步的检测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，该机器人包括相机模块、活检模块、驱动模块、锚定模块和壳体；
相机模块、活检模块、驱动模块、锚定模块依次设置在壳体内；
锚定模块设置在壳体的尾部，并且锚定模块用于在工作模态下控制所述活检机器人在胃肠道内停留；
相机模块设置在壳体的头部，并且相机模块用于体内组织图像的采集；
活检模块用于在工作模态下对体内组织的拾取；
驱动模块设置在锚定模块与活检模块之间，同时，驱动模块具有驱动模态和工作模态；驱动模块处于驱动模态时，利用外部驱动磁铁(33)激发驱动模块实现所述活检机器人的主动运动，以及对所述活检机器人俯仰角度和偏转角度进行调整；驱动模块处于工作模态时，通过外部驱动磁铁(33)激发驱动模块向活检模块方向摆动，实现驱动活检模块进入工作模态；或者通过外部驱动磁铁(33)激发驱动模块向锚定模块方向摆动，实现驱动锚定模块进入工作模态。
2.根据权利要求1所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，所述驱动模块包括环形架(1)、径向导轨(2)、第一复位橡皮筋(3)、受控磁铁(4)、受控磁铁顶部限位壳(5)、磁铁基座(6)、磁铁转轴(7)和径向滑块(8)；
所述环形架(1)为环状结构，并且环形架(1)嵌套在壳体的内部；
所述径向导轨(2)为两个，并且两个径向导轨(2)沿环形架(1)径向平行设置；
所述磁铁基座(6)设置在两个径向导轨(2)之间的底部；
所述受控磁铁(4)的底端设置磁铁基座(6)上，同时受控磁铁顶部限位壳(5)嵌套在受控磁铁(4)顶端；
所述磁铁转轴(7)依次穿过径向滑块(8)以及磁铁基座(6)；同时，磁铁转轴(7)与磁铁基座(6)固定连接；磁铁转轴(7)与径向滑块(8)转动连接；
所述第一复位橡皮筋(3)的一端钩挂在径向滑块(8)上，第一复位橡皮筋(3)的另一端钩挂在径向导轨(2)上。
3.根据权利要求2所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，环形架(1)的顶部设计有限位孔；
在无外部驱动磁场或者外部驱动磁铁(33)的磁场力小于第一复位橡皮筋(3)的回复力时，受控磁铁顶部限位壳(5)插入环形架(1)的限位孔内部，使得受控磁铁(4)被限位，无法向活检模块或锚定模块方向摆动，此时驱动模块处于驱动模态；
在外部驱动磁铁(33)的磁场力大于第一复位橡皮筋(3)的回复力时，受控磁铁(4)随径向滑块(8)沿径向导轨(2)向下滑动，使得受控磁铁顶部限位壳(5)脱离环形架(1)的限位孔，受控磁铁(4)限位解除，可以向活检模块或锚定模块方向摆动，此时驱动模块处于工作模态。
4.根据权利要求1所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，所述锚定模块包括锚定滑块(15)、第一橡皮筋挂钩(16)、自锁机构、凸轮轴(20)、第二复位橡皮筋(31)和锚定腿机构；
所述锚定滑块(15)前端设有斜面，通过锚定滑块(15)的斜面将受控磁铁(4)向锚定模块方向的摆动转换为自锁机构的单向转动；自锁机构可实现转动过程的反向自锁，并将单向转动传递给凸轮轴(20)；
所述第一橡皮筋挂钩(16)设置在锚定滑块(15)上，第二复位橡皮筋(31)的一端钩挂在第一橡皮筋挂钩(16)上，第二复位橡皮筋(31)的另一端钩挂在活检模块上；
所述锚定腿机构包括三个相位相差120度的锚定腿滑块(22)、锚定腿导轨片(21)和一个后端盖(19)；
所述锚定腿滑块(22)以径向滑动的方式设置在锚定腿导轨片(21)上；
所述凸轮轴(20)上对应锚定腿滑块(22)的位置设有三个凸起，用于推动三个锚定腿滑块(22)的伸出与缩回；
当有转矩输入至凸轮轴(20)时，利用凸轮轴(20)、锚定腿滑块(22)和锚定腿导轨片(21)将单向转动转变为锚定腿滑块(22)的周期性伸缩运动；
当凸轮轴(20)由0°转至180°时，锚定腿滑块(22)处于伸出过程，且凸轮轴(20)转至180°时，锚定腿滑块(22)伸出至最远；当凸轮轴(20)由180°转至360°时，锚定腿滑块(22)处于缩回过程，且凸轮轴(20)转至360°时，锚定腿滑块(22)完全缩回，从而完成一个0°～360°的伸出与缩回周期。
5.根据权利要求4所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，所述自锁机构包括锚定基座(9)、自锁棘轮(10)、棘轮顶盖(12)、传动棘轮(13)、第一复位销(14)、第二复位销(17)和复位弹簧(30)；
所述凸轮轴(20)的一端依次沿轴向穿过锚定基座(9)、自锁棘轮(10)、棘轮顶盖(12)以及传动棘轮(13)；
所述锚定腿固定在凸轮轴(20)的另一端；凸轮轴(20)的横截面为非圆形；自锁棘轮(10)的中心通孔和传动棘轮(13)的中心通孔与凸轮轴(20)的横截面形状相同；锚定基座(9)中心通孔与棘轮顶盖(12)的中心通孔均为圆形；
所述传动棘轮(13)包括第一行星轮(13-1)、第一内轮(13-2)、第一限位片(13-3)和第一弹性柱(13-4)；其中，第一行星轮(13-1)设有内齿，第一行星轮(13-1)与第一内轮(13-2)同轴设置，第一限位片(13-3)轴连在第一内轮(13-2)上，并且第一限位片(13-3)的端部在第一弹性柱(13-4)的支撑下与第一行星轮(13-1)的内齿接触；
所述自锁棘轮(10)包括第二行星轮、第二内轮、第二限位片和第二弹性柱；其中，第二行星轮设有内齿，第二行星轮与第二内轮同轴设置，第二限位片轴连在第二内轮上，并且第二限位片的端部在第二弹性柱的支撑下与第二行星轮的内齿接触；同时第二行星轮的外圈固定在锚定基座(9)的内侧壁上；锚定基座(9)的外侧壁固定在壳体上；
所述锚定滑块(15)的斜面与第一行星轮(13-1)的外缘接触，用于驱动第一行星轮(13-1)逆时针转动，第一行星轮(13-1)依次带动第一内轮(13-2)以及凸轮轴(20)同步逆时针转动，凸轮轴(20)再依次带动第二内轮逆时针转动，并推动锚定腿滑块(22)周期性伸出与缩回；
所述第一复位销(14)的一端固定在第一行星轮(13-1)的外表面上；所述第二复位销(17)的一端固定在棘轮顶盖(12)的外表面上，并且在第一行星轮(13-1)开设有弧型槽，第二复位销(17)的另一端由弧型槽穿出；所述复位弹簧(30)的一端固定在第一复位销(14)上，复位弹簧(30)的另一端固定在第二复位销(17)上；利用复位弹簧(30)的回复力驱动第一行星轮(13-1)顺时针旋转到初始位置，同时在该过程中，自锁棘轮(10)的单向转动特性使得凸轮轴(20)和第一内轮(13-2)的转角不随第一行星轮(13-1)的顺时针复位而改变，从而实现凸轮轴(20)的反向自锁。
6.根据权利要求5所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，所述自锁机构还包括限位销(11)和卡块(18)；
所述限位销(11)设置在棘轮顶盖(12)上，用于限制第一行星轮(13-1)的转动角度；
所述卡块(18)固定在第二行星轮的外边缘处，通过卡块(18)与锚定基座(9)侧壁设有的卡槽配合使用，将自锁棘轮(10)固定在锚定基座(9)的内侧壁上。
7.根据权利要求4所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，所述壳体包括胶囊外壳(32)和前端盖(23)；
所述胶囊外壳(32)为两端开口的圆筒状结构，前端盖(23)为半球状空心结构；前端盖(23)设置在胶囊外壳(32)的头部；并且相机模块设置在前端盖(23)内；
所述胶囊外壳(32)的侧壁上沿轴向设置有滑动槽，该滑动槽用于实现活检模块以及锚定滑块(15)的平移运动；
所述前端盖(23)上设置有前端盖通孔；前端盖(23)的筒壁沿前端盖通孔向内部延伸形成活检针前端导向通道。
8.根据权利要求7所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，所述活检模块包括活检针(27)、第二橡皮筋挂钩(28)和活检滑块(29)；
活检针(27)的尾端与活检滑块(29)过盈配合固定，活检滑块(29)以轴向滑动连接的方式设置在壳体上；
所述第二橡皮筋挂钩(28)固定在活检滑块(29)上；第二复位橡皮筋(31)的一端钩挂在第一橡皮筋挂钩(16)上；第二复位橡皮筋(31)的另一端钩挂在第二橡皮筋挂钩(28)上；
活检针(27)的首端穿过相机模块，伸入活检针前端导向通道。
9.根据权利要求7所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，所述相机模块包括电路板(26)和微型相机(24)；
电路板(26)固定在前端盖(23)与胶囊外壳(32)相接触的端面上，微型相机(24)固定在电路板(26)的上表面，电路板(26)为微型相机(24)提供电源；前端盖(23)采用透明材料制成。
10.根据权利要求9所述的一种外磁场驱动的胶囊型锚定活检机器人，其特征在于，所述相机模块还包括LED灯(25)；
LED灯(25)设置在电路板(26)的上表面并由电路板(26)提供电源，LED灯(25)为微型相机(24)工作时提供照明。
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