CN1346732A - 主动引导内窥检查机器人 - Google Patents

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CN1346732A CN 01132058 CN01132058A CN1346732A CN 1346732 A CN1346732 A CN 1346732A CN 01132058 CN01132058 CN 01132058 CN 01132058 A CN01132058 A CN 01132058A CN 1346732 A CN1346732 A CN 1346732A
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钱晋武
龚振邦
米智楠
沈林勇
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Shanghai University
University of Shanghai for Science and Technology
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Abstract

本发明揭示了一种主动引导内窥检查机器人。机器人的前部是压觉传感器,中部是以橡胶圆柱环为主体的转向机构,蠕动式柔性移动机构位于主动引导内窥检查机器人的尾部,以气体作动力源。中心孔贯通主动引导内窥检查机器人的首尾,中心孔内设有内窥装置。当机器人进入人体腔道后,前端的压觉传感器以检测到的机器人与人体腔道壁之间的作用力,引导中后部的转向机构和移动机构随人体腔道转向或移动。本发明的主动引导内窥检查机器人能够引导携带检查装置的转向机构和移动机构运动,有效地减小了病人的痛苦、降低了发生穿孔率等医疗事故、提高检查效率。同时,也降低了对操作人员技术熟练程度的要求。

Description

主动引导内窥检查机器人
               技术领域
本发明涉及一种微型机器人。特别是涉及一种主动引导内窥检查机器人。
               背景技术
目前，对柔软管道，特别是人体腔道检查，普遍使用内窥纤维镜。其是利用操作人员的外部推力介入到人体被检腔道中，带有一定柔性的装置在人体腔道组织上滑行时，对腔道壁面产生压力，有可能对人体内部软组织造成擦伤和拉伤。一旦超过一定的阈值，还可造成组织破损或穿孔。特别是人体的肠道结构比较复杂，存在多处弯道，即使是经过专业训练、有经验的医务人员把纤维镜插到结肠远端盲肠部的概率也仅为85％～90％，而且需要多个医师配合。由于无法在插入过程中了解体内的纤维镜的形状，有时还会发生缠绕的情况。
近年来，国内外学者相继对机器人化内窥检查技术展开了研究，并致力于开发适用于柔软管道的蠕动微型机器人。如上海交通大学进行的“全方向蠕动机器人驱动内窥镜系统的研究”(《中国生物医学工程学报》1998.3、《上海交通大学学报》2000，11)，其根据仿生学和电磁转换原理，研制成多节、多自由度、电磁型全方向蠕动机器人。其通过控制动圈中电流的大小、方向获得相应的电磁驱动力，并以此实现各单元体的伸缩运动。各单元体之间采用球铰连接，通过各单元体有规律的伸、缩，构成整个机体的蠕动运动趋势。但其仅局限于蠕动式移动机构的研究，仍然未能解决在人体腔道组织上滑行时，对腔道壁面所产生压力而带来的种种问题。而且，以电磁为动力源，很难解决体积与动力之间的矛盾。意大利的研究人员开发了一种用于检查结肠的携带内窥镜的机器人“A microrobotsystem for lower gastrointestinal inspection and intervention”(《Proceedings of the 1st Italian Conference.Sensors andMicrosystems》，1996)，介绍了一种用于结肠镜检查的微型机器人系统，该微型机器人是以半自主式的蠕动方式移动，通过形状记忆合金控制的气动执行器方式来实现。机器人由母体、微型手臂和人机接口组成。母体包括两个定位支撑模块和一个伸缩模块，每个工作循环有7个状态。但该微型机器人属于半自主式蠕动机器人，且研究的重点仍然停留在移动机构上，尚未涉及到转向机构和对人体腔道的压力问题。而“Endoscopic robots”(《Medical ImageComputing and Computer-Assisted Intervention-MICCAI 2000.Third International Conference.Proceedings》2000)介绍的自动内窥系统，尽管在对人体内部肠道以及支气管等部位进行检查的自动内窥系统引入了接触传感器、弯曲传感器和压力传感器等概念，但仍未涉及到传感器、转向机构和移动机构的集成。
                    发明内容
本发明就是为了解决现有内窥检查机器人中因未综合考虑机器人行走时对人体腔道造成压力而带来的种种问题和不足，提供一种集成传感器、转向机构和移动机构、可降低对人体腔道伤害的、柔软的主动引导内窥检查机器人。
本发明的进一步目的是提供一种可在360°范围内自由转向的主动引导内窥检查机器人。
本发明的技术方案是这样实现的：由传感器、转向机构和蠕动式柔性移动机构构成主动引导内窥检查机器人。机器人的前部是压觉传感器，中部是以橡胶圆柱环为主体的转向机构，蠕动式柔性移动机构位于主动引导内窥检查机器人的尾部，以气体作动力源。中心孔贯通主动引导内窥检查机器人的首尾，内窥装置设置在中心孔内。内窥装置可以采用纤维内窥镜，也可以采用CCD摄像头。当机器人进入人体腔道后，前端的压觉传感器以检测到的机器人与人体腔道壁之间的作用力，引导中后部的转向机构和移动机构随人体腔道转向或移动。由于采用了可随时检测机器人与人体腔道壁之间的作用力的压觉传感器，能够主动地引导携带检查装置的转向机构和移动机构运动，有效地减小了病人的痛苦、降低了发生穿孔率等医疗事故、提高检查效率。同时，也降低了对操作人员技术熟练程度的要求。
本发明的另一个技术方案可以这样实现的：由压觉传感器、转向机构和具有移动、转向能力的蠕动式柔性移动机构组成主动引导内窥检查机器人。位于橡胶圆柱环中心、贯通主动引导内窥检查机器人首尾的中心孔，可放置内窥纤维镜或CCD摄像头。压觉传感器位于内窥检查机器人的前端，构成一个呈等间隔分布的阵列式传感器。为提高柔软性、减小体积，传感器敏感元件可采用感压导电橡胶。当机器人进入人体腔道后，前端的阵列式传感器可检测多处机器人与人体腔道壁之间的作用力，并以此引导转向机构和移动机构随人体腔道转向。转向机构位于压觉传感器后面，其主体是橡胶圆柱环，环的同心圆上设有呈120°等间隔分布的3个通孔，通孔内安装有驱动元件。蠕动式柔性移动机构采用气动源，位于机器人后部。可由三个变形体组成，即两个吸附模块和一个伸缩模块，伸缩模块位于两个吸附模块的中间。伸缩模块采用按并联平台方式安装的三个微型气缸，以实现两个吸附模块之间的相对运动。通过三个气缸伸出或缩进的不同组合，完成移动或转向功能，且可实现360°范围内的转向。吸附模块可采用气囊式结构，通过充气和排气实现径向膨胀和收缩，实现软吸附。吸附模块的气囊上有一些突起部分，可增加摩擦力，防止滑动。吸附模块的气囊上等间隔布设3个力传感器，以保证吸附模块与腔道壁的安全吸附。
                  附图说明
附图为本发明的结构示意图。
                  具体实施方式
下面，对照附图详细说明本发明。
                  实施例一
一种适用于检查人体腔道的主动引导内窥检查机器人，由压觉传感器3、转向机构8和蠕动式柔性移动机构组成。中心孔12贯通主动引导内窥检查机器人的首尾，纤维内窥镜或CCD摄像头设置在中心孔12内。压觉传感器3位于机器人的前部，当主动引导内窥检查机器人进入人体腔道后，可随时检测机器人与人体腔道壁之间的作用力，并引导转向机构8和蠕动式柔性移动机构随人体腔道转向或移动。中部是以橡胶圆柱环5为主体的转向机构8，以气体作动力源的蠕动式柔性移动机构位于尾部。当主动引导内窥检查机器人在压觉传感器3的引导下，在人体腔道内移动时，纤维内窥镜或CCD摄像头及时摄取腔道内壁的图像，并将其传输至体外的显示设备，便于记录和会诊。
                    实施例二
由压觉传感器3、转向机构8和具有移动、转向能力的蠕动式柔性移动机构组成的主动引导内窥检查机器人，适用于盲肠部等远端肠道的检查。中心孔12贯通主动引导内窥检查机器人的首尾，内置内窥纤维镜或CCD摄像头。压觉传感器3由导向头1，传感器敏感元件2和锥形传感器座4构成，位于内窥检查机器人的前端。传感器敏感元件2均匀分布在锥形传感器座4上，形成一个呈等间隔分布的阵列式传感器。为提高柔软性、减小体积，传感器敏感元件2可采用感压导电橡胶。转向机构8位于压觉传感器3后面，其主体是橡胶圆柱环5，环的同心圆上设有呈120°等间隔分布的3个通孔，通孔内安装有驱动元件6。驱动元件6可采用形状记忆合金元件，而橡胶圆柱环5则可起绝缘和隔热作用。位于后部的蠕动式柔性移动机构采用气动源，其由两个吸附模块7、10和一个伸缩模块11组成。伸缩模块11由并联平台方式安装的三个微型气缸9构成，位于两个吸附模块7、10的中间，以实现两个吸附模块7、10之间的相对运动。当主动引导内窥检查机器人进入人体肠道后，前端的阵列式传感器及时反馈检测到的多处机器人与人体腔道壁之间的作用力，并以此引导转向机构8和蠕动式柔性移动机构随时调整三个微型气缸9伸出或缩进的组合，改变弯曲方向和弯曲角度，以根据人体肠道的情况实现转向、移动。当三个微型气缸3全部伸出或缩进时可实现移动功能；当一个或两个微型气缸伸出时，可实现360°范围的转向功能。从而使移动机构也同时具备转向能力，进一步提高了整个机器人的转向能力。吸附模块7、10可采用气囊式结构，通过充气和排气实现径向膨胀和收缩，实现软吸附。吸附模块7、10的气囊上还可设置一些突起部分，以增加摩擦力，防止滑动。为进一步提高吸附模块7、10与腔道壁的安全吸附，还可在吸附模块的气囊上等间隔布设3个力传感器。实验表明，该主动引导内窥检查机器人可适应肠道的弯曲结构，具有主动避障能力，可携带纤维内窥镜或CCD摄象头完成柔软肠道的检测工作，并将其传输至体外的显示设备，便于记录和会诊。

Claims (7)

1.一种由动力源、传感器、转向机构和移动机构构成的主动引导内窥检查机器人，其特征在于：所述的传感器是压觉传感器(3)位于前部，位于中部的是以橡胶圆柱环(5)为主体的转向机构(8)，蠕动式柔性移动机构位于主动引导内窥检查机器人的尾部，以气体作动力源，中心孔(12)贯通主动引导内窥检查机器人的首尾，内窥装置设置在中心孔(12)内。
2.根据权利要求1所述的主动引导内窥检查机器人，其特征在于所述的蠕动式柔性移动机构由三个变形体组成，两个吸附模块(7，10)和一个伸缩模块(11)，伸缩模块(11)位于两个吸附模块(7，10)的中间。
3.根据权利要求2所述的主动引导内窥检查机器人，其特征在于所述的伸缩模块上设有三个微型气缸(9)，按并联平台方式分布，吸附模块(7，10)上设有气囊式结构。
4.根据权利要求1、2所述的主动引导内窥检查机器人，其特征在于所述的压觉传感器(3)由导向头(1)，传感器敏感元件(2)和锥形传感器座(4)构成，传感器敏感元件(2)均匀分布在锥形传感器座(4)上，形成阵列式结构。
5.根据权利要求4所述的主动引导内窥检查机器人，其特征在于所述的传感器敏感元件(2)为感压导电橡胶。
6.根据权利要求1、2所述的主动引导内窥检查机器人，其特征在于所述橡胶圆柱环(5)上设有3个通孔，通孔呈120°等间隔分布且处于同心圆上，通孔内安装有驱动元件(6)。
7.根据权利要求6所述的主动引导内窥检查机器人，其特征在于所述的驱动元件(6)是形状记忆合金弹簧。
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