CN118356139A - 一种跟随领导者机器人及其设计方法、制造方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跟随领导者机器人及其设计方法、制造方法和应用，所述跟随领导者机器人包括由若干组互相连接的磁体与弹簧组成的导管，所述导管近端设有与磁体连接的握持部，用于使所述导管远端插入体内，以所述导管远端第一个磁体的轴线与目标物对齐作为约束条件，获取各组弹簧刚度。本发明通过跟随领导者机器人设计方法，可缩小磁驱动机器人刚性部分的长度，从而实现机器人在无支撑下小曲率半径的大转角弯曲，并进入期望分支，同时可扩展无模型磁控制的使用场景，根据本发明设计方法制造出的跟随领导者机器人结构具有更大的内外径比，用来装载药物或者治疗设备，从而在相同外径尺寸下比传统磁驱动机器人拥有更大的医疗潜力。

Description

一种跟随领导者机器人及其设计方法、制造方法和应用

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种跟随领导者机器人及其设计方法、制造方法和应用。

背景技术

磁驱动柔性机器人近几年来受到广泛关注，磁驱动可以实现对执行终端器件例如内窥镜的远程操作，消除了机械传动结构的要求，并可以将内窥镜的尺寸缩小到1-2mm的直径，比肌腱驱动机器人系统(如MONARCH 4.2mm和Ion3.5mm)的直径要小，其是通过在内窥镜尖端嵌入磁性材料构成，可以通过改变人体外部磁场来在内窥镜上施加磁力和磁力矩，从而驱动内窥镜实现在人体内的导航。近年来，磁致动柔性内窥镜(MAFE)在结直肠手术的自主导航和支气管手术导航中取得了重大进展。微型化磁性内窥镜在导航复杂狭窄环境，尤其是支气管方面有着巨大的潜力。磁性材料一般为永磁体或者磁微粒聚合物，控制方法分为有模型和无模型控制，有模型控制一般建立起运动学模型，采用内嵌于内窥镜的定位传感器或者X光扫描实现定位反馈控制；而无模型的磁控方法不需要内嵌定位传感器和X光扫描，减少了患者的辐射暴露。

早期的可操纵的磁性导管由永久磁铁和覆盖有硅胶的镍钛合金丝(Ni-Ti)构成。大多数当前的微型化磁性导引丝由软聚合物包覆的永久磁铁或根据病人X扫描结果定制磁化方向的磁性微粒构成，用于尖端控制或预编程的形状控制。如果使用磁性微粒构成的磁性段来实现与永久磁铁相同的磁矩需要增加颗粒密度，这反过来会增加磁性段在导丝长度上的弯曲刚度，一些研究中的磁性段长度为7mm。这可能限制了导管的操纵能力，难以在大转角下实现小曲率半径，如2mm或者更小的曲率半径。定制磁性微粒的磁化方向的设计还存在其他一些缺点，包括设计等待时间、无法在其他患者身上重复使用导管以及潜在的辐射暴露风险。现有的无模型磁控方法可以使得内窥镜图像中心与目标物体如支气管腔道中心对齐，从而实现对内窥镜的姿态控制，消除了对额外的内嵌于内窥镜的定位传感器或用于定位的X射线需求，这不仅减小了内窥镜的尺寸，还避免了辐射暴露的风险。

然而，无模型方法存在以下问题：一般为了使得末端更灵活，倾向于设计更低刚度的尖端来获得更大的转角能力，在支气管分叉处，当具有较低导管刚度的MAFE缺乏外部通道的支撑来协助转向时，仅仅插入MAFE是不足以使其进入期望的分支并向前移动的。由于缺乏来自定位反馈的磁梯度控制，即使支气管中心与图像中心的对齐得到满足，MAFE也可能在推进后被困在另一个不期望的分支中，即内窥镜无法进入期望的分支并与期望的分支建立有效的支撑来实现推进。内窥镜尖端需要建立起与期望的分支的支撑后，MAFE的推进才可以进入期望分支。然而，高的刚度不仅增加了磁力矩的需求，高刚度的导丝还可能产生显著的接触力，存在穿孔的风险。此外，为了增加作用于导管上的扭矩来保证与低刚度导丝相同的转弯能力，传统的方法是在导管上添加更多的磁铁，这可能会增加刚性磁体的长度，如传统无模型磁内窥镜的刚性部分约为5mm或26mm。高刚度的设计降低了MAFE的转向能力。同时，仅仅通过尖端磁铁设计是不可能实现相对插入方向(ID)的向后运动。

根据磁导管的工作空间评估研究，采用分布式永久磁铁或尖端磁铁设计的导管在相对插入方向(ID)的向后运动中面临着在小曲率半径下实现大转角的挑战。在具有均匀刚度材料上的分布式永久磁铁排列导致对导管曲率半径的控制不足。为了操纵具有小曲率半径的导管，Pittiglio团队提出了永磁球链。所提出的磁球链上的磁性球体可以相互滑动、滚动和旋转，实现高弯曲曲率。然而，磁球链的完全实心结构无法提供足够的容量来容纳内窥镜，因为柔性导管需要较大的内外直径比(RIOD)来导航狭窄和弯曲的支气管，同时还需要能够容纳各种诊断和治疗设备。与此同时，由于相邻磁球的磁偶极子对齐导致的等效弯曲刚度缺乏可控性，这限制了导管运动的可设计性。

综上所述，设计与无模型控制方法兼容并具有短刚性部分的磁性尖端是至关重要的，以实现在小曲率半径下具有高度操纵能力。此外，该尖端应呈现稳定且可控的转向行为，同时还要容纳诊断或治疗仪器。

如果想要获得连续的磁力矩以实现尖端的向推进方向的反方向运动，就需要采用分布式磁铁设计。传统上用于连接磁铁的材料是均一刚度的Ni-Ti合金丝或聚合物。使用Ni-Ti合金丝实现小曲率半径需要较小的直径和低刚度。然而，使用细直径可能会由于相邻磁铁之间的吸引力而导致欧拉不稳定性。至于聚合物，它填充了相邻磁铁的空间，这并不能提供足够的空间来容纳诊断设备。

目前磁驱动柔性内窥镜的设计无法满足无模型控制在无外部管道支撑，大转角下进入期望的支气管分支的需求。当外界没有支撑时，传统的尖端内窥镜设计很难进入大角度的分支，而磁性球链结构虽然在导管长度上能提供连续的扭矩，实现大角度弯曲和前进，但它缺乏对其每个旋转球关节的刚度设计能力而使得其运动行为的可控性下降，且实心的结构影响其容纳能力。而使用磁微粒与聚合物定制化磁性段磁化方向的支气管镜在诊断时有使病人辐射暴露的风险。硅胶聚合物的磁性微粒的可编程磁性段的长度较长，无法满足在狭窄腔道进行大角度弯曲的导航功能。聚合物材料制成的内窥镜占满了内窥镜导管的空间，这限制了导管的施药能力和储存医疗设备的能力。

发明内容

本发明针对上述问题，本发明提供了一种跟随领导者机器人及其设计方法、制造方法和应用。

本发明的第一方面，提出了一种跟随领导者机器人的设计方法，所述跟随领导者机器人包括由若干组互相连接的磁体与弹簧组成的导管，所述导管近端设有与磁体连接的握持部，用于使所述导管远端插入体内，以所述导管远端第一个磁体的轴线与目标物对齐作为约束条件，获取各组弹簧刚度。

在本发明的一些实施例中，将靠近所述导管远端的至少一组弹簧和磁体作为对准部，用于对齐目标物，将靠近所述对准部的一组弹簧和磁体作为跟随领导部，用于提供稳定的转向能力；所述对准部的弹簧与磁体组数随所述导管向管腔中心推进逐一增加，靠近所述对准部的所述跟随领导部相应进行变更。

在本发明的一些实施例中，所述握持部为镍钛丝，也可更换为其他医用导丝。

在本发明的一些实施例中，通过设计期望导管的曲率半径，计算出无需人体组织结构支撑的最优弹簧刚度。

在本发明的一些实施例中，靠近所述导管远端的第一段弹簧和第二段弹簧的刚度设计方法有如下步骤：

假设所述导管远端朝着与插入方向呈180°夹角方向的距离为d的目标物移动，令所述跟随领导部的初始曲率半径r，通过旋转外部磁场B将所述导管的前两个弹簧从直线转动角度180°对准目标物以及所述跟随领导部满足初始曲率半径r；

外部磁场B与插入方向的夹角为θ，θ＞180°,外部磁场B与所述导管远端的第一个磁体轴线之间的夹角为β，β∈(0,90°)；

设置θ与β的取值，以及基于所述导管的前两个弹簧从直线转动角度对准目标物以及所述跟随领导部满足初始曲率半径r时的弯曲角度状态，计算所述外部磁场施加在第一段弹簧和第二段弹簧上的力矩；

根据所述外部磁场施加在第一段弹簧和第二段弹簧上的力矩，利用力的平衡原理和胡克定律即可求解得到第一段弹簧和第二段弹簧的弯曲刚度。

在本发明的一些实施例中，靠近所述导管远端的第n段弹簧的刚度设计方法，n为不少于3的自然数，有如下步骤：

令第一段至第n-1段的磁体与弹簧为新的对准部，第n段弹簧为跟随领导部；

计算新的对准部对准与插入方向呈180°方向处目标物时磁场相对于插入方向的夹角θ的值；

外部磁场B与插入方向的夹角为θ时，以第一段磁体轴线对准目标物为约束，获取新的对准部形状以及新的对准部受到的磁力矩；

磁力矩的合力作用在第n段弹簧上，令第n段弹簧在跟随领导部保持90°的弯曲角度，根据胡克定律即可计算出第n段弹簧的弯曲刚度。

本发明第二方面，提供了一种跟随领导者机器人，采用上述跟随领导者机器人的设计方法制得。

本发明的第三方面，提供了一种磁驱动柔性内窥镜机器人，包括上述跟随领导者机器人的设计方法制得的跟随领导者机器人以及与所述跟随领导者机器人远端连接的智能影像设备。

本发明的第四方面，提供了一种医疗导丝，所述医用导丝包括采用上述设计方法制得的跟随领导者机器人。

本发明的第五方面，提供了一种上述跟随领导者机器人的制造方法，所述方法包括以下步骤:根据计算出的各段弹簧刚度获取与各段弹簧对应的磁体之间的距离ls；

设计导管模具，所述导管模具设置在底板上，具体包括：

在所述底板上以ls的间距嵌入磁体作为定位磁铁，并添加带有沟槽的盖板；

用于制作所述跟随领导者机器人的磁体被底板中的定位磁体吸引并固定在盖板的沟槽中；

将对应的弹簧逐一放入磁体间隙中，并使用金属粘合剂将磁体和弹簧粘合；

将制造好的导管与握持部连接安装。

本发明公开的一种跟随领导者机器人及其设计方法、制造方法和应用，旨在针对当前磁驱动内窥镜机器人设计的不足，通过跟随领导者机器人设计方法，可缩小磁驱动内窥镜机器人刚性部分的长度，从而实现机器人在无支撑下小曲率半径的大转角弯曲并进入期望分支，同时可扩展了无模型磁控制的使用场景，根据本发明设计方法制造出的跟随领导者机器人结构具有更大的内外径比，用来装载药物或者治疗设备，从而在相同外径尺寸下比传统磁驱动机器人拥有更大的医疗潜力。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理；

图1是本发明实施例的带有跟随领导者机器人的磁驱动柔性内窥镜机器人结构示意图；

图2是本发明实施例的跟随领导者机器人结构示意图；

图3是本发明实施例的跟随领导者机器人模具制作示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

基于本发明的实施例1

本实施例用于说明一种跟随领导者机器人的设计方法，如图1所示，跟随领导者机器人10包括由若干组互相连接的磁体11与弹簧12组成的导管，所述导管近端设有与磁体11连接的握持部30，用于使所述导管远端插入体内，以所述导管远端第一个磁体11的轴线与目标物对齐作为约束条件，获取各组弹簧12刚度。

如图1所示，为了在操纵尖端时实现小曲率半径，需要分布式磁体来为FTL(followthe leader，跟随领导者)机器人的每个部分提供连续的磁扭矩，类似于磁球链。用于连接分布式磁体的压缩弹簧的刚度是可预设计的，以适应无模型控制方法，实施例中磁体优选使用永磁体来制作FTL机器人。由于FTL机器人的尺寸设计得非常小，机器人从当前分支进入另一个分支的过程中近似为平面运动，实施例假设外部永磁体的磁场(Externalmagnetic field,EMF)在FTL机器人上产生均匀的磁场。

如图2所示，在FTL机器人转向过程中，将FTL机器人分为两部分，将靠近所述导管远端的至少一组弹簧12和磁体11作为对准部AP，用于对齐目标物，将靠近所述对准部AP的一组弹簧12和磁体11作为跟随领导部FP，用于提供稳定的转向能力；所述对准部AP的弹簧12与磁体11组数随所述导管向管腔中心推进逐一增加，靠近对准部AP的跟随领导部FP相应进行变更。

通过设计期望导管的曲率半径，计算出无需人体组织结构支撑的最优弹簧刚度。

如图1所示，对准部分(Alignment Part,AP)的部分用于对齐管腔中心，另一部分称为跟随领导部分(Follow-the-leader Part,FP)作为磁性锚点，磁性锚点的作用是在没有外部通道支持的情况下提供稳定的转向能力。在FTL机器人运动开始时，该机器人的尖端(前两个部分)将被设计为通过改变外部磁场B的方向来进行转向，以实现内窥镜图像中心与支气管管腔中心对齐。实施例中期望FTL机器人的尖端能够在相对于插入方向(ID)的180°极端方向上对齐管腔，并且尖端部分的弯曲角度符合要求α1＝α2＝90°(α1是第一段的圆心角，α2是第二段的圆心角，图2中无法标注，故标注了第4段的圆心角α4和第五段的圆心角α5)，每个部分到达FP成为磁性锚点时的曲率半径优选地均设置为rs＝2mm，该曲率半径也可以被设计得更小。在开始阶段，FTL机器人的第一部分磁-弹簧结构被指定为AP，而第二部分被标识为FP。当FTL机器人向管腔中心推进时，该机器人的第三段取代第二段并承担FP的作用，而FTL机器人的第一段和第二段合并形成新的AP，以此类推。本实施例中FTL机器人设计包括可操纵尖端和柔性的被动近端部分即握持部。实施例中握持部优选为与导管磁体连接的镍钛丝。镍钛丝的功能仅作为近端部分，使医师能够方便导管插入。

实施例期望在插入FTL机器人的过程中，AP的第一个磁体的中心轴可以对准d处(图中未示出)的目标点(具体实施例中从支气管模型的第一个分支的长度中测量出的长度大约为d＝8cm),其他实施例中参数d可以被修改。通过对准过程的无模型控制和实施例中提出的弯曲刚度设计方法，每个后续部分都可以完成FTL运动，这些部分可以到达FP的磁锚点以实现稳定转向。为了设计FP后续部分的弯曲刚度以实现FTL的方式运动，通过建立运动学模型来计算AP的形状和外部磁场的方向，以获得施加到所有磁体的扭矩，如图1所示。由于无模型方法可以实现与目标对齐的任务，因此只需把第一个磁体的轴线与目标物对齐作为约束来求解每一段的弹簧刚度。这种设计最终使FTL机器人能够跟随领导者、引导并朝着目标前进。

FTL机器人10的机械结构由分布式弹簧12与磁体11关节组成，弹簧12具有可设计的弯曲和压缩刚度，可以预先设计期望导管的曲率半径，从而计算出最优的弹簧刚度。同时弹簧12内部不需要结构支撑，因此，基于弹簧结构的，刚度优化设计后的导管确保了具有较大的内外直径比(RIOD)来获得对药物设备的容纳能力和具有跟随领导者的运动特性从而保证内窥镜导航运动过程的稳定性。本发明实施例采用优化刚度的弹簧在物理上实现机器人在转弯进入从0°到180°的分支时的跟随领导者运动能力，从而实现对无模型磁控方法应用的扩展。

不论是导丝还是内窥镜在人体内导航运动，都需要使得尖端/末端对准某一方向或者目标物，为了实现FTL运动，需要通过预先设计每一个弹簧的弯曲刚度。实施例中FTL机器人的所有设计参数都可以修改以获得更小的转弯半径和外径尺寸。

靠近所述导管远端的第一段弹簧和第二段弹簧的刚度设计方法有如下步骤：

假设所述导管远端朝着与插入方向呈180°夹角方向的距离为d的目标物移动，令所述跟随领导部的初始曲率半径r，通过旋转外部磁场B将所述导管的前两个弹簧从直线转动角度对准目标物以及所述跟随领导部满足初始曲率半径r，其中直线转动角度优选为180°对准目标物；

外部磁场B与插入方向的夹角为θ，θ＞180°,外部磁场B与所述导管远端的第一个磁体轴线之间的夹角为β，β∈(0,90°)；

设置θ与β的取值，以及基于所述导管的前两个弹簧从直线转动角度优选为180°对准目标物以及所述跟随领导部满足初始曲率半径r时的弯曲角度状态，计算所述外部磁场施加在第一段弹簧和第二段弹簧上的力矩；

根据所述外部磁场施加在第一段弹簧和第二段弹簧上的力矩，利用力的平衡原理和胡克定律即可求解得到第一段弹簧和第二段弹簧的弯曲刚度。具体地，根据磁偶极子模型，可以计算出每一段弹簧的所受到的磁场作用下产生的弯矩M、转动角度(圆心角为α)，弹簧刚度k可以由胡克定律k＝M/α计算得到。

在一个具体实施例中，在设计前两段弹簧的刚度时，先考虑机器人可以朝着与插入方向夹角180°方向的一个距离为d的目标物移动，FP部分的曲率半径为2mm，通过旋转磁场B，可以将FTL机器人的前两个弹簧从直线转动为γ＝α1+α2＝180°(α1＝α2＝90°)转弯角度来对准180°的目标物(第一个磁铁轴线与ID的夹角)和2mm的FP状态下的曲率半径(同上所述，α1是第一段的圆心角，α2是第二段的圆心角，图2中无法标注，故标注了第4段的圆心角α4和第五段的圆心角α5)，这是初始的状态，需要注意的是，180度的状态可以被考虑的更大，这个初始的第一个磁体轴线与ID的夹角γ仅为设计参数，可以被设计得更大，如200°。要实现FTL机器人的180°转向角度，B磁场与插入方向ID的夹角θ必须大于180°。B与第一磁体轴线之间的夹角β被认为是B转向能力的特征。必须满足条件β∈(0,90°)才能使前两个弹簧沿相同的扭矩方向弯曲。如果β无限期地接近零，则第一个磁体由于B所经历的扭矩也将无限期地接近零。因此，第一弹簧的弯曲刚度将变得极小，导致其制造不切实际。如果β选择过大，则意味着为了获得所需的FTL机器人形状，磁场必须被更大程度地旋转以产生扭矩。这反过来又会增加弹簧的刚度并降低FTL机器人的可操作性。因此，本发明优选β＝20°，使得θ＝200°因为前两段的弯曲角度状态已知，且外磁场方向θ＝200°已知，可以计算出磁场施加在这两段弹簧上的力矩，根据力的平衡原理和胡克定律即可求解第一第二段弹簧的弯曲刚度。

靠近所述导管远端的第n段弹簧的刚度设计方法，n为不少于3的自然数，有如下步骤：

令第一段至第n-1段的磁体与弹簧为新的对准部，第n段弹簧为跟随领导部；

计算新的对准部对准与插入方向呈180°方向处目标物时前n-1段每一节弹簧圆心角α，和磁场相对于插入方向的夹角θ的值；

外部磁场B与插入方向的夹角为θ时，以第一段磁体轴线对准目标物为约束，求解获取新的对准部形状以及新的对准部受到的磁力矩；

磁力矩的合力M作用在第n段弹簧上，令第n段弹簧在跟随领导部保持α＝90°的弯曲角度，根据胡克定律k＝M/α即可计算出第n段弹簧的弯曲刚度k。

在一个具体实施例中，在计算第三段弹簧的弯曲刚度时，令第一第二段弹簧已经组成了AP，第三段弹簧位置固定在FP处，可以通过优化计算出AP部分对准180°方向处目标物的时候的外磁场θ的值，即外磁场方向为θ时，AP的形状以及AP部分受到的磁力矩。这些磁力矩的合力作用在第三段弹簧上，且希望第三段弹簧在FP处保持90°的弯曲角度，以此为条件根据胡克定律即可计算出第三段弹簧的弯曲刚度。FTL机器人继续推进，那么前一到三段的弹簧-磁铁结构将会组成新的AP，再次计算AP对准目标物体时的形状和外磁场方向，即可计算出施加在AP部分中的每一个弹簧关节的磁扭矩大小，这些扭矩的合力矩又会传递到第四段作为磁锚点FP(图2所示点M)的弹簧上，再次根据胡克定律以及期望的FP处的弯曲角度90°，即可计算出第四段弹簧要保持FP夹角为90°时应该具有的弯曲刚度大小。以此类推迭代计算即可计算出后续的弹簧弯曲刚度。从而保证了无论是多少段的AP长度，只要AP对准了目标物，后续的FP处的弹簧能够保持在相同的FP位置不动，成为磁锚点M功能，每一段关节在FP处位置保持不变的能力即为跟随领导者的能力，该能力有助于辅助实现FTL机器人稳定的转弯。

设计FTL机器人时，理论设计值是γ＝180°方向向上的稳定转弯和磁锚点FP位置(图2所示点M)处的跟随转向。但是实际上由于刚度的预先设计，在γ＝0°至γ＝180°方向进行转弯和前进均可以实现跟随领导者的转弯效果，无论沿着哪一个方向前进，FP部分的最大位置变化都小于0.5mm，因此可以认为该机器人在γ＝0°到180°方向上前进运动都可以实现跟随领导者的转向功能。

本实施例还公开了一种磁驱动柔性内窥镜机器人，如图1所示，包括本实施例制得的跟随领导者机器人，以及与跟随领导者机器人远端连接的智能影像设备20。

本实施例还公开了一种医用导丝，包括本实施例制得的跟随领导者机器人，该FTL结构中弹簧具有大的内外径比，因此也可以应用于医用导丝，实现药物输送，与医疗相关的诊断装置的内嵌搭载。

基于本发明的实施例2

本实施例基于实施例1，用于说明根据实施例1的跟随领导者机器人设计方法进行制造的方法，如图3所示，根据实施例1计算出的各段弹簧刚度获取与各段弹簧对应的磁体之间的距离ls；

设计导管模具，所述导管模具设置在底板100上，具体包括：

在所述底板100上以ls的间距嵌入磁体作为定位磁铁，并添加带有沟槽300的盖板；

用于制作所述跟随领导者机器人的磁体11被底板中的定位磁体吸引并固定在盖板的沟槽300中；

将对应的弹簧12逐一放入磁体11间隙中，并使用金属粘合剂将磁体11和弹簧12粘合；

将制造好的导管10与握持部30连接安装。

如图2所示的模具，在模具中以ls的间距嵌入了磁铁作为定位磁铁，并添加了盖板。用于制作FTL机器人的磁铁被底板中的定位磁铁吸引并固定在盖板的凹槽中。将选定的弹簧一一放入FTL机器人的磁体间隙中，并使用金属粘合剂将磁体和弹簧牢固地粘合在一起。由于在测量压缩刚度时，弹簧两侧的在弹簧与相邻磁体之间的交接处的线圈不作为有效线圈参与变形，因此他们的固连不会改变弹簧的压缩刚度和弯曲刚度。

本实施例还公开了一种磁驱动柔性内窥镜机器人，包括本实施例制得的跟随领导者机器人，以及与跟随领导者机器人远端连接的智能影像设备。

本实施例还公开了一种医用导丝，包括本实施例制得的跟随领导者机器人。

基于上述实施例1和实施例2，在具体应用过程中，制造好后的FTL机器人与摄像机和医用导丝如镍钛合金丝固连。使用时通过无模型控制方法控制内窥镜图像中心对准腔道(支气管，大肠，血管等)的中心(即此时满足了AP对准目标物的设计规律)，那么此时推进内窥镜，后续的弹簧关节将会成为FP的角色保证了内窥镜从一个腔道到另一个腔道的转向过程的稳定性。后续的预设计刚度弹簧会在AP部分对齐目标后成为新的磁锚点，充当FP的功能，从而实现稳定的跟随领导者的转向。

综合上述实施例公开的一种跟随领导者机器人及其设计方法、制造方法和应用，旨在针对当前磁驱动内窥镜机器人设计的不足，通过跟随领导者机器人设计方法，可缩小磁驱动内窥镜机器人刚性部分的长度，从而实现机器人在无支撑下小曲率半径的大转角弯曲并进入期望分支，同时可扩展了无模型磁控制的使用场景，根据本发明设计方法制造出的跟随领导者机器人结构具有更大的内外径比，用来装载药物或者治疗设备，从而在相同外径尺寸下比传统磁驱动机器人拥有更大的医疗潜力。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种跟随领导者机器人设计方法，其特征在于，所述跟随领导者机器人包括由若干组互相连接的磁体与弹簧组成的导管，导管近端设有与磁体连接的握持部，用于使导管远端插入体内，以所述导管远端第一个磁体的轴线与目标物对齐作为约束条件，获取各组弹簧刚度。

2.根据权利要求1所述的跟随领导者机器人设计方法，其特征在于，将靠近所述导管远端的至少一组弹簧和磁体作为对准部，用于对齐目标物，将靠近所述对准部的一组弹簧和磁体作为跟随领导部，用于提供稳定的转向能力；所述对准部的弹簧与磁体组数随所述导管向管腔中心推进逐一增加，靠近所述对准部的所述跟随领导部相应进行变更。

3.根据权利要求1所述的跟随领导者机器人设计方法，其特征在于，所述握持部为镍钛丝。

4.根据权利要求1所述的跟随领导者机器人设计方法，其特征在于，通过设计期望导管的曲率半径，计算出无需人体组织结构支撑的最优弹簧刚度。

5.根据权利要求2所述的跟随领导者机器人设计方法，其特征在于，靠近所述导管远端的第一段弹簧和第二段弹簧的刚度设计方法有如下步骤：

假设所述导管远端朝着与插入方向呈180°夹角方向的距离为d的目标物移动，令所述跟随领导部的初始曲率半径r，通过旋转外部磁场B将所述导管的前两个弹簧从直线转动角度对准目标物以及所述跟随领导部满足初始曲率半径r；

外部磁场B与插入方向的夹角为θ，θ＞180°,外部磁场B与所述导管远端的第一个磁体轴线之间的夹角为β，β∈(0,90°)；

设置θ与β的取值，以及基于所述导管的前两个弹簧从直线转动角度对准目标物以及所述跟随领导部满足初始曲率半径r时的弯曲角度状态，计算所述外部磁场施加在第一段弹簧和第二段弹簧上的力矩；

根据所述外部磁场施加在第一段弹簧和第二段弹簧上的力矩，利用力的平衡原理和胡克定律即可求解得到第一段弹簧和第二段弹簧的弯曲刚度。

6.根据权利要求5所述的跟随领导者机器人设计方法，其特征在于，靠近所述导管远端的第n段弹簧的刚度设计方法，n为不少于3的自然数，有如下步骤：

令第一段至第n-1段的磁体与弹簧为新的对准部，第n段弹簧为跟随领导部；

计算新的对准部对准与插入方向呈180°方向处目标物时磁场相对于插入方向的夹角θ的值；

外部磁场B与插入方向的夹角为θ时，以第一段磁体轴线对准目标物为约束，获取新的对准部形状以及新的对准部受到的磁力矩；

磁力矩的合力作用在第n段弹簧上，令第n段弹簧在跟随领导部保持90°的弯曲角度，根据胡克定律即可计算出第n段弹簧的弯曲刚度。

7.一种跟随领导者机器人，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述方法制得。

8.一种磁驱动柔性内窥镜机器人，其特征在于，包括权利要求7所述的跟随领导者机器人以及与所述跟随领导者机器人远端连接的智能影像设备。

9.一种医用导丝，其特征在于，包括权利要求7所述的跟随领导者机器人。

10.权利要求7所述的跟随领导者机器人的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括以下步骤：

根据计算出的各段弹簧刚度获取与各段弹簧对应的磁体之间的距离ls；

设计导管模具，所述导管模具设置在底板上，具体包括：

在所述底板上以ls的间距嵌入磁体作为定位磁铁，并添加带有沟槽的盖板；

用于制作所述跟随领导者机器人的磁体被底板中的定位磁体吸引并固定在盖板的沟槽中；

将对应的弹簧逐一放入磁体间隙中，并使用金属粘合剂将磁体和弹簧粘合；

将制造好的导管与握持部连接安装。