CN1475332A - 仿蝌蚪与螺旋的血管机器人 - Google Patents

Abstract

一种仿蝌蚪与螺旋的血管机器人，其特征是：该机器人由头部1、机身2、尾部3、微电机4、尾部摆动机构5、头部转动机构6、头部沉浮控制器7、微摄影系统8、射频收发器9构成，头部1与机身2之间采用毡圈2a密封，摆杆54与机身2之间采用具有生物兼容性的高弹性膜3a连为－体，尾部3与摆杆54固定连接，机器人的动作由体外遥控器通过射频收发器9控制。同现有技术比较，本方案具有如下优点：1)本血管机器人在血管中泳动，不触及血管管壁，对血管无损伤；2)本血管机器人具有前进、后退、位置微调、上下左右转向、数据无线传输的功能，而且结构较为简单；3)体积小，动作灵活，操作方便。

Description

仿蝌蚪与螺旋的血管机器人

技术领域

本发明涉及一种微型机器人，特别涉及一种仿蝌蚪与螺旋的血管机器人。

背景技术

血管机器人是当前国际国内研究的热点之一，然而有报道的适合在血管中运行的机器人并不多。血管机器人的相关报道列举如下：

瑞典科学家Edwin W.H.Jager[1]已经开始制造微型医用机器人。这种机器人由多层聚合物和黄金制成，外形类似人的手臂，其肘部和腕部很灵活，有2到4个手指，实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段。这种微型医用机器人有望在血液、尿液和细胞介质中工作，捕捉和移动单个细胞，成为微型手术器械，该机器人适合对微观物质进行操作。然而，当需要机器人对血管、尿管作宏观操作，如清除血栓，刮除血管壁的脂肪和胆固醇的沉积物时，该医用机器人并不适合。

日本K.lshiyama等人[2][3]利用外部磁场研制出一种新型的无缆驱动且能在液体中泳动的推进机构，该机构是由螺旋型导线和贴附于其上的小磁铁组成，通过施加外部磁场使小磁铁在磁转矩的作用下产生旋转，该推进机构直径0.5mm，长约8mm，在沿螺旋线的传播波形的推进下产生泳动，其泳动速度随外部驱动频率增加而线性增加，并且增加的速率取决于螺旋线的形状。该机构将来可能被用作血管机器人驱动机构。但目前，相对于血管而言，这种机器人的长度还是过长。

美国哈佛大学纳米技术中心[4]研制成一种超微机器人，体积是普通跳蚤的1/10。其中用硅材料制成的涡轮机直径只有7μm。该机器人除了能注入血管疏通障碍、血栓外，还可以清除胆固醇、脂肪、毒物和人体垃圾，摘除癌细胞、清理病灶、消除斑痕等；在外科手术上，则可以利用其微型电机来缝合微细血管、接通切断的神经、进行眼球与视网膜手术等，可以深入到心、肺、肾等内脏器官进行检查和修补。

德国工程师莱纳尔·格茨恩[5]研制了一种直径仅有0.2毫米，外形如小毛虫的潜艇式微型机器人，该机器人可直接由针头注射进入人体血管、尿道、胆囊或肾脏，它依靠微型磁铁驱动器前进，由医生通过遥控器指挥，既可用于疾病诊断，也可用于如动脉硬化、胆结石等管腔阻塞类疾病治疗。还能听从医生指挥，将药物直接送达到需要医治的患病器官，而不损伤身体其他部位。当这种微型机器人工作完成后，医生便可以像抽血那样用针头将它抽出来。

发明内容

本发明提供一种仿蝌蚪与螺旋的血管机器人，针对癌症，该血管机器人可以进行定点投药，将药物直接作用于病灶；针对心脑血管病，血管机器人可以用来从主动脉管壁上刮去堆积的脂肪和胆固醇的沉积物，减少心血管疾病的发病率；可以进入人体血管，疏通患脑血栓病人被阻塞的血管，清除血栓。血管机器人潜入人体的血管和器官进行检查和治疗将使原来需要进行大型切开手术的病例实现微创伤甚至无创伤化，对人体的伤害减小到最低程度。因此，血管机器人的研制并投入使用，对人类生命质量的提高有着举足轻重的作用，它的应用将会导致医疗技术的新的革命。

一种仿蝌蚪与螺旋的血管机器人，其特征在于：该机器人由头部1、机身2、尾部3、微电机4、尾部摆动机构5、头部转动机构6、头部沉浮控制器7、微摄影系统8、射频收发器9构成，其中头部1是一个外周面上设有螺旋槽、内部镂空的壳体，机身2其内部镂空，前部内侧开有一个用于布置密封毡圈2a的环形槽，底部开有一个轴向通孔，该机身用左右对称的两块材料加工制成，安装时两者合二而一粘贴成一体；头部1和机身2之间用毡圈2a密封，微电机4外形为长方体，布置在机身2内，尾部3由柔性材料制成，其形状仿蝌蚪尾巴，该尾部与从机身2通孔内伸出的摆杆54固定连接，并采用高弹性密封膜3a将摆杆54与机身2密封；尾部摆动机构5由蜗杆51、蜗轮52、凸轮53、摆杆54、底板55、铰链56、永久磁铁57、电磁线圈58组成，蜗杆51安装在微电机4主轴上，蜗轮52和凸轮53共轴布置，蜗轮52的转轴安装在底板55上，该底板粘贴在机身2上，摆杆54安装在铰链56上，铰链56固定在微电机4的壳体上，摆杆54的一端与尾部3固定连接，其另一端搁置在凸轮53上，永久磁铁57固定在摆杆54上，电磁线圈58位于永久磁铁57的外侧，且固定在微电机4的壳体上；头部转动机构6是微电机4的主轴通过电磁操纵的摩擦离合器6a带动头部1作正向或反向转动；头部沉浮控制器7由电磁线圈71和72及小球73组成，布置在微电机4壳体的轴向凹槽内，小球73位于电磁线圈71和72之间，且可沿凹槽滚动；微摄影系统8布置在头部1的前端部，射频收发器9安装在头部1的内周面上；上述微电机4、电磁线圈58，71，72、摩擦离合器6a、微摄影系统8、射频收发器9由装在机身2内的电池供电；机器人安装完成后，在其头部、机身、尾部外表面分别用具有生物兼容性的材料覆盖；该机器人是由外部遥控器控制动作的。

·机器人的前进运动

控制电磁操纵的摩擦离合器6a使离合器分离，机器人的螺旋头部1不转动。同时使摆杆控制线圈58通电，永久磁铁57受电磁线圈58的斥力而使摆杆54始终与凸轮53保持接触。外形为长方体的微电机4通电后转动，在经过蜗轮蜗杆机构51和52的减速后带动凸轮转动，凸轮的转动带动摆杆54周期性的摆动，最终与摆杆相连的柔性尾部3周期性的摆动。机器人在环境液体产生的推进力作用下前进。

·机器人的后退运动及位置微调整

控制电磁操纵的摩擦离合器6a使离合器恢复连接，同时使摆杆54的控制电磁线圈58断电，摆杆54脱离凸轮53，机器人尾部3停止摆动。微电机4通电旋转带动螺旋头部1旋转。环境液体对机器人有向后的轴向推力，机器人后退；若改变微电机4转向，机器人有向前的微运动，方便了机器人位置的精确控制，实现了机器人的位置微调整。

·机器人的转向运动

机器人尾部在摆动机构5的驱动下摆动，机器人向前游动；控制微电机4使其停止转动，机器人由于惯性继续向前游动，尾部3处于平直状态。突然启动微电机4使其快速正转，机器人向右转向。如果突然启动微电机使其快速反转，则机器人向左转向。控制微电机4的突然转动速度可以控制机器人转角大小。如果机器人要实现在垂直方向的转向，即所述的上浮和下潜前进，可以控制头部沉浮控制器7中的质量平衡小球73的位置来控制机器人的偏重，从而随着柔性尾部3的摆动，机器人实现上浮或者下潜前进。

·机器人的速度控制

机器人在通过柔性尾部摆动前进时，控制微电机4的转动速度可以控制尾部3的摆动速度从而控制机器人的前进速度。机器人通过螺旋头部1的转动后退时，改变微电机4转速可以改变机器人后退的速度。

·机器人的信号传输

在机器人内安装了一个射频收发器9，机器人运动过程中，微摄像系统8获得的图像数据由射频收发器9无线传输给外部的存储器，同时，根据实时图像数据，外部遥控器可以对机器人进行实时控制。微电机4的通断及转速和转向控制、离合器的分离和连接、摆杆与凸轮的接触与分离、头部沉浮控制器中平衡小球的位置控制的相关指令由外部遥控器发出，并由射频收发器9接受并分配到相关装置。

·密封说明

机器人完成装配后，用一种具有生物兼容性的材料分别覆盖机器人柔性头部1、圆柱形机身2和柔性尾部3；摆杆54与圆柱形机身2之间用高弹性密封膜3a密封；螺旋头部1和圆柱形机身2之间的毡圈密封，既保证了头部的绕定轴转动，又解决了两者之间的密封问题。

同现有技术比较，本发明具有如下优点：1)本血管机器人在血管中泳动，不触及血管管壁，对血管无损伤；2)本血管机器人具有前进、后退、位置微调、上下左右转向、数据无线传输的功能，而且结构较为简单；3)体积小，动作灵活，操作方便。

附图说明

图1为仿蝌蚪与螺旋的血管机器人的外形图。

图2为仿蝌蚪与螺旋的血管机器人结构示意图。

具体实施方式

一种仿蝌蚪与螺旋的血管机器人，结构如图1、图2所示，头部1用柔性材料制成，其外侧面上设有螺旋槽，机身2用左右对称的两块材料分别加工制成，安装时两者合二而一粘贴成一体，尾部3用柔性材料制成，其形状按蝌蚪尾巴仿制，头部1与机身2之间用毡圈2a密封，且可作相对转动，尾部3与摆杆54一端固定连接，摆杆54与机身2之间用高弹性密封膜3a密封，微电机4、尾部摆动机构5、头部沉浮控制器7及电池布置在机身2内，摩擦离合器6a、微摄影系统8、射频收发器9布置在头部1内，微电机4、电磁线圈58和71及73、微摄影系统8、射频收发器9由安装在机身内的电池供电，上述部件电源的通断由体外遥控器通过射频收发器9进行控制，头部、机身、尾部的外表面分别用具有生物兼容性的材料覆盖。机器人直径为2mm，头部1和机身2总长度为5mm，尾部3其长度为7mm，机器人整机的比重与人体血液的比重相接近。

参考文献[1]Edwin W.H.Jager，Olle lngans，lngemar Lundstrm.Microrobots for

          micrometer-size objects in aqueous media：potential tools for

          single-cell manipulation.Science，2000，288，pp.2335-2338.

        [2]K.lshiyama，M.sendoh，K.l.Arai.Magnetic micromachines for medical

        applications.Journal of magnetism and magnetic materials，2002，pp.41-46.

        [3]K.lshiyama，M.sendoh，A.yamazaki，M.lnoue，K.lchi.Swimming of

          magnetic micro-machines under a very wide-range of Reynolds number

          conditions.2001 IEEE transactions on magnetics，2001，37(4)，

          pp.2868-2870.

        [4]彭子明，李丽.纳米医学与医疗器械.世界医疗器械，2001年5月

        [5]刘林森，神通广大的微型机器人.大众科技报，1999年12月16日第40期

Claims (3)

1.一种仿蝌蚪与螺旋的血管机器人，其特征在于：该机器人由头部(1)、机身(2)、尾部(3)、微电机(4)、尾部摆动机构(5)、头部转动机构(6)、头部沉浮控制器(7)、微摄影系统(8)、射频收发器(9)构成，其中头部(1)是一个外周面上设有螺施槽、内部镂空的壳体，机身(2)其内部镂空，前部内侧开有一个用于布置密封毡圈2a的环形槽，底部开有一个轴向通孔，该机身用左右对称的两块材料分别加工制成，安装时两者合二而一粘贴成一体；头部(1)和机身(2)之间用毡圈(2a)密封，微电机(4)外形为长方体，布置在机身(2)内，尾部(3)由柔性材料制成，其形状仿蝌蚪尾巴，该尾部与从机身(2)通孔内伸出的摆杆(54)固定连接，并采用高弹性密封膜(3a)将摆杆(54)与机身(2)密封；尾部摆动机构(5)由蜗杆(51)、蜗轮(52)、凸轮(53)、摆杆(54)、底板(55)、铰链(56)、永久磁铁(57)、电磁线圈(58)组成，蜗杆(51)安装在微电机(4)主轴上，蜗轮(52)和凸轮(53)共轴布置，蜗轮(52)的转轴安装在底板(55)上，该底板粘贴在机身(2)上，摆杆(54)安装在铰链(56)上，铰链(56)固定在微电机(4)的壳体上，摆杆(54)的一端与尾部(3)固定连接，其另一端搁置在凸轮(53)上，永久磁铁(57)固定在摆杆(54)上，电磁线圈(58)位于永久磁铁(57)的外侧，且固定在微电机(4)的壳体上；头部转动机构(6)是微电机(4)的主轴通过电磁操纵的摩擦离合器(6a)带动头部(1)作正向或反向转动；头部沉浮控制器(7)由电磁线圈(71和72)及小球(73)组成，布置在微电机(4)壳体的轴向凹槽内，小球(73)位于电磁线圈(71和72)之间，且可沿凹槽滚动；微摄影系统(8)布置在头部(1)的前端部，射频收发器(9)安装在头部(1)的内周面上；上述微电机(4)、电磁线圈(58，71，72)、摩擦离合器(6a)、微摄影系统(8)、射频收发器(9)由装在机身(2)内的电池供电。

2.根据权利要求1所述的仿蝌蚪与螺旋的血管机器人，其特征在于：机器人安装完成后，在其头部、机身、尾部的外表面分别用具有生物兼容性的材料覆盖。

3.根据权利要求1所述的仿蝌蚪与螺旋的血管机器人，其特征在于：该机器人是由外部遥控器控制动作的。

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