專利名稱：基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的集驅(qū)動(dòng)與血管疏通功能為一體的介入診療
機(jī)器人及其運(yùn)動(dòng)方法，屬于介入診療裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
伴隨著人類當(dāng)前尋求有效手段，治療心腦血管疾病的迫切性，以大動(dòng)脈、大靜脈為應(yīng)用背景的介入血管疏通系統(tǒng)提上議事日程。血管內(nèi)主動(dòng)介入診療系統(tǒng)，其基本設(shè)計(jì)思路通常為設(shè)計(jì)血管內(nèi)介入機(jī)器人并攜帶診療模塊或裝置實(shí)現(xiàn)介入診療操作。由于血管尺寸的限制，真正能在血管中運(yùn)行的微型機(jī)器人相關(guān)報(bào)道及文獻(xiàn)較少瑞典科學(xué)家Edwin W.H.Jager研制出的由多層聚合物和黃金制成的能在血液、尿液和細(xì)胞介質(zhì)中捕捉和移動(dòng)單個(gè)細(xì)胞的血管內(nèi)微型機(jī)器人(Edwin W.H.Jager, Olle 1ngan&s,Ingemar L鶴dstr5m.Microrobots for Micrometer-Size Objects in Aqueous Media : Potential Tools for Single-CellManipulation.Science, 2000， 288: 2335-2338.);日本科學(xué)家提出的一種基于外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的外形尺寸為小0.5X8mm的螺旋式游動(dòng)機(jī)器人(K.Ishiyama， M.Sendoh， A.Yamazakiet al.Swimming of Magnetic Micro-Machines Under a Very Wide-Range of Reynolds NumberCondition8.2001 IEEE Transactions on Magnetics, 2001， 37(4): 2868-2870.)。 血管內(nèi)主動(dòng)介入診療系統(tǒng)的研究難點(diǎn)在于如何將驅(qū)動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)模塊與診療模塊實(shí)現(xiàn)有效集成及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使系統(tǒng)能在血管內(nèi)實(shí)施相關(guān)操作。為此，本發(fā)明將針對(duì)人體大血管環(huán)境特點(diǎn)，提出一種集驅(qū)動(dòng)與診療操作模塊為一體的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的血管疏通系統(tǒng)

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于基于精子的游動(dòng)推進(jìn)模式，提供一種適合于狹窄血管環(huán)境的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作控制靈活，有利于微型化的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)介入系統(tǒng)。特別是自旋前進(jìn)時(shí)，該機(jī)器人驅(qū)動(dòng)接入系統(tǒng)的尾部不僅能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在血管內(nèi)游動(dòng)，而且能從血管壁上刮去堆積的沉積物及栓塞物(脂肪和膽固醇等)，疏通被阻塞的血管。 原理精子在精液中游動(dòng)時(shí)，其尾部通常以兩種模式擺動(dòng)， 一種為與細(xì)長(zhǎng)體生物類似的波狀擺動(dòng)，另一種模式下，尾部呈螺旋狀并繞螺旋軸線旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的螺旋狀柔性尾部與環(huán)境介質(zhì)的相互作用將導(dǎo)致精子游動(dòng)所需的軸向力的產(chǎn)生。同時(shí)，精子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，也會(huì)在垂直于其身體軸線的方向上產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，即在徑向上精子也會(huì)受到環(huán)境介質(zhì)的作用力。本發(fā)明將通過(guò)控制尾部螺旋特性實(shí)現(xiàn)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)及動(dòng)作控制。 —種基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，其特征在于機(jī)器人依次由前艙單元、機(jī)體單元、推進(jìn)單元、電源模塊構(gòu)成；其中前艙單元包括整流罩、安裝于整流罩內(nèi)的視覺(jué)模塊；其中機(jī)體單元包括無(wú)線通訊模塊、主控制器、外殼、2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)及支架；其中2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸線均勻分布在同一圓柱面上；其中推進(jìn)單元由依次
4安裝于機(jī)體單元后方的尾部密封蓋、尾部固定法蘭)、尾部組成；該尾部為在介質(zhì)作用下能形成螺旋狀的柔性尾部或固定螺旋狀尾部；其中尾部包括2n個(gè)獨(dú)立尾，尾部固定法蘭包括2n個(gè)獨(dú)立法蘭，2n個(gè)獨(dú)立法蘭分別與機(jī)體單元的2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸相連，2n個(gè)獨(dú)立尾分別安裝于2n個(gè)獨(dú)立法蘭上；上述n為大于等于1的自然數(shù)。
上述基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于(A)、尾部(31)特性(Al)、若尾部為柔性尾部，則在流體介質(zhì)作用下自動(dòng)形成螺旋狀尾部，螺旋形狀由尾部形狀、材料柔度、旋轉(zhuǎn)速度及環(huán)境介質(zhì)特性決定；(A2)、若尾部為固定螺旋狀尾部，其螺旋狀由加工形成，不受介質(zhì)影響；(B)、 2n個(gè)獨(dú)立的電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)對(duì)應(yīng)的獨(dú)立尾，使其形成軸向力和周向力；(C)、利用2n個(gè)獨(dú)立的電機(jī)(24)旋轉(zhuǎn)方向及速度的相互配合，形成不同的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)(Cl)前進(jìn)將均布于圓柱面上的2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分成兩組，相互間隔電機(jī)作為一組，每組內(nèi)電機(jī)均同向旋但不同組別電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式相反，使得與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連的獨(dú)立尾形成的徑向力相互平衡，而軸向力方向相同，故而疊加為總體軸向驅(qū)動(dòng)力；(c2)、轉(zhuǎn)向根據(jù)欲轉(zhuǎn)動(dòng)方向，利用機(jī)器人驅(qū)動(dòng)介入系統(tǒng)中軸線與欲轉(zhuǎn)動(dòng)的目標(biāo)方向線形成的平面將所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)分成兩組，每組驅(qū)動(dòng)電機(jī)均同向旋轉(zhuǎn)，且兩組驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間旋轉(zhuǎn)方式相反，使機(jī)器人獲得同方向的徑向力，故而轉(zhuǎn)向；(C3)、自旋前行所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)均同向旋轉(zhuǎn)，則軸向力使得機(jī)器人前行，徑向力使得機(jī)器人機(jī)身產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)矩而自旋；(c4)、固定螺旋狀尾部機(jī)器人的后退和自旋后退若尾部(31)為固定螺旋狀尾部，該機(jī)器人還能實(shí)現(xiàn)后退運(yùn)動(dòng)和自旋后退；實(shí)現(xiàn)方式與第(C1)步驟、第(C3)步驟相似。 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)l)本機(jī)器人驅(qū)動(dòng)介入系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)控制簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)方式靈活，有利于微型化，適合于充滿血流的血管環(huán)境；特別是自旋前進(jìn)時(shí)，該機(jī)器人驅(qū)動(dòng)接入系統(tǒng)的螺旋尾部不僅能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在血管內(nèi)游動(dòng)，而且能從血管壁上刮去堆積的沉積物及栓塞物(脂肪和膽固醇等)，疏通被阻塞的血管。2)本系統(tǒng)的螺旋尾部集驅(qū)動(dòng)及管道疏通動(dòng)作功能為一體，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步得到了簡(jiǎn)化；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中尋求質(zhì)量在周向及軸向的均勻分布將使得機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)的調(diào)整量及調(diào)整難度大大減弱；總體外形結(jié)構(gòu)的流線化處理有效地減小了介入系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流體阻力，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的高效率化。另外，針對(duì)癌癥，該機(jī)器人驅(qū)動(dòng)介入系統(tǒng)可以攜帶微型供藥裝置實(shí)施定點(diǎn)投藥，將藥物直接作用于病灶。 上述的在介質(zhì)作用下能形成螺旋狀的柔性尾部的每個(gè)獨(dú)立尾可以為氣囊式或人工肌肉式。 上述的固定螺旋狀尾部的每個(gè)獨(dú)立尾可以為螺旋絲狀或圓柱螺旋槽狀。 上述電源模塊可以位于前艙單元或機(jī)體單元內(nèi)。 該機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)為周向及軸向質(zhì)量均布式，工作性能更佳。 可以將上述2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分成n個(gè)為前部電機(jī)、n個(gè)為后部電機(jī)，前部電機(jī)和
后部電機(jī)采取均勻間隔分布方式。以利于實(shí)現(xiàn)在軸向上系統(tǒng)質(zhì)量的大致均布。 機(jī)器人整體外部形狀可以設(shè)計(jì)呈流線型，以利于前進(jìn)，并防止對(duì)血管造成不必
要的損傷。


圖1為介入診療機(jī)器人的外形圖。
圖2為介入診療機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3軸向前進(jìn)運(yùn)動(dòng)螺旋尾部示意圖。
圖4轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)螺旋尾部示意圖。
圖5自旋前行運(yùn)動(dòng)螺旋尾部示意圖。 圖中標(biāo)號(hào)名稱l.前艙單元，2.機(jī)體單元，3.推進(jìn)單元，ll.整流罩，12.視覺(jué)模塊，13.電源模塊，21.無(wú)線通訊模塊，22.主控制器，23.外殼，24.驅(qū)動(dòng)電機(jī)，25.電機(jī)支架，26.固定螺栓，31.尾部，32.尾部固定法蘭，33.密封蓋。
具體實(shí)施例方式
—種基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)如圖l、圖2所示，依次由前艙單元l、機(jī)體單元2、推進(jìn)單元3、電源模塊13構(gòu)成。其中電源模塊是由電池支架、紐扣電池、電池監(jiān)控電路組成。其中前艙單元(l)包括整流罩11、安裝于整流罩內(nèi)的視覺(jué)模塊12 ;視覺(jué)模塊12是微攝像頭及圖像處理電路組成。其中機(jī)體單元2包括無(wú)線通訊模塊21、主控制器22、外殼23、電機(jī)、2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)24、支架25及固定螺栓26;其中2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)均勻分布在機(jī)器人周向上，并且，2n個(gè)電機(jī)分為兩組，分別位于垂直于機(jī)身軸線的兩個(gè)平面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)在軸向上系統(tǒng)質(zhì)量的大致均布。前艙單元與機(jī)體單元通過(guò)整流罩與外殼上的內(nèi)外螺紋實(shí)現(xiàn)聯(lián)接。 其中推進(jìn)單元3由依次安裝于機(jī)體單元后方的尾部密封蓋33、尾部固定法蘭32、尾部31組成；該尾部31為在介質(zhì)作用下能形成螺旋狀的柔性尾部或固定螺旋狀尾部；其中尾部31包括2n個(gè)獨(dú)立尾，尾部固定法蘭32包括2n個(gè)獨(dú)立法蘭，2n個(gè)獨(dú)立法蘭分別與機(jī)體單元的2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸相連，2n個(gè)獨(dú)立尾分別安裝于2n個(gè)獨(dú)立法蘭上；上述n為大于等于l的自然數(shù)。尾部密封蓋與機(jī)體外殼也采用螺紋聯(lián)接。為了保證密封性，在電機(jī)輸出軸與密封端蓋配合處涂上一定的黃油。
封裝說(shuō)明 機(jī)器人完成裝配后用一種具有生物兼容性的材料覆蓋系統(tǒng)所有可能與環(huán)境介質(zhì)
接觸的外表面。 擴(kuò)展功能 本機(jī)器人驅(qū)動(dòng)介入系統(tǒng)視功能需求不同，是可以被擴(kuò)充的可以視應(yīng)用需要增加多個(gè)推進(jìn)單元，也可以視診療動(dòng)作的不同增加附加診療模塊。
下面結(jié)合附圖，以四尾結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為例說(shuō)明其動(dòng)作原理
1、系統(tǒng)的軸向前進(jìn)運(yùn)動(dòng) 圖3為圖2螺旋尾部分的右視圖。如圖所示，均布于圓柱面上的四個(gè)螺旋尾中，1、 4兩尾逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，2、 3兩尾順時(shí)針同向旋轉(zhuǎn)時(shí)，尾部所受形成的徑向力相互平衡，而軸向力方向相同，故而疊加為總體軸向驅(qū)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沿系統(tǒng)軸向前進(jìn)。
2、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向 圖4為圖2螺旋尾部分的右視圖。如圖所示為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)介入系統(tǒng)需向圖示4左側(cè)轉(zhuǎn)向時(shí)，尾部旋轉(zhuǎn)及周圍介質(zhì)流向圖。四個(gè)尾部被向左的方向線及機(jī)器人軸線形成的
6平面將其分為兩組，即l、 2為一組，3、 4為一組。并且l、 2同作作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，3、 4 同作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。則周圍流場(chǎng)向右運(yùn)動(dòng)，故而機(jī)器人受到向左的轉(zhuǎn)向作用力進(jìn)而轉(zhuǎn)向。
當(dāng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)介入系統(tǒng)需要向右轉(zhuǎn)向，則控制尾部l、 2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，3、 4逆時(shí) 針旋轉(zhuǎn)即可。 3、系統(tǒng)的自旋前行即管道疏通動(dòng)作 圖5為圖2螺旋尾部分的右視圖。當(dāng)所有尾部如圖5所示，同方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，則 軸向力使得機(jī)器人前行，徑向力使得機(jī)器人整個(gè)機(jī)身產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)矩而自旋；系統(tǒng)在自旋 前進(jìn)時(shí)，其尾部能有效打碎血管壁上的沉積物及栓塞物。
權(quán)利要求
一種基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，其特征在于機(jī)器人依次由前艙單元(1)、機(jī)體單元(2)、推進(jìn)單元(3)、電源模塊(13)構(gòu)成；其中前艙單元(1)包括整流罩(11)、安裝于整流罩內(nèi)的視覺(jué)模塊(12)；其中機(jī)體單元(2)包括無(wú)線通訊模塊(21)、主控制器(22)、外殼(23)、2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)(24)及支架(25)；其中2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的軸線均勻分布在同一圓柱面上；其中推進(jìn)單元(3)由依次安裝于機(jī)體單元后方的尾部密封蓋(33)、尾部固定法蘭(32)、尾部(31)組成；該尾部(31)為在介質(zhì)作用下能形成螺旋狀的柔性尾部或固定螺旋狀尾部；其中尾部(31)包括2n個(gè)獨(dú)立尾，尾部固定法蘭(32)包括2n個(gè)獨(dú)立法蘭，2n個(gè)獨(dú)立法蘭分別與機(jī)體單元的2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸相連，2n個(gè)獨(dú)立尾分別安裝于2n個(gè)獨(dú)立法蘭上；上述n為大于等于1的自然數(shù)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，其特征 在于所述的在介質(zhì)作用下能形成螺旋狀的柔性尾部的每個(gè)獨(dú)立尾為氣囊式或人工肌肉 式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，其特征在 于所述的固定螺旋狀尾部的每個(gè)獨(dú)立尾為螺旋絲狀或圓柱螺旋槽狀。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，其特征在 于上述電源模塊(13)位于前艙單元(1)或機(jī)體單元(2)內(nèi)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，其特征在 于該機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)為周向及軸向質(zhì)量均布式。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，其特征在 于上述2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，n個(gè)為前部電機(jī)、另n個(gè)為后部電機(jī)，前部電機(jī)和后部電機(jī) 采取均勻間隔分布方式。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)，其特征在 于機(jī)器人整體外部形狀呈流線型。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn) 方法，其特征在于(A) 、尾部(31)特性:(Al)、若尾部(31)為柔性尾部，則在流體介質(zhì)作用下自動(dòng)形成螺旋狀尾部，螺旋形 狀由尾部形狀、材料柔度、旋轉(zhuǎn)速度及環(huán)境介質(zhì)特性決定；(A2)、若尾部(31)為固定螺旋狀尾部，其螺旋狀由加工形成，不受介質(zhì)影響；(B) 、 2n個(gè)獨(dú)立的電機(jī)(24)分別驅(qū)動(dòng)每個(gè)對(duì)應(yīng)的獨(dú)立尾，使其形成軸向力和周向力；(C) 、利用2n個(gè)獨(dú)立的電機(jī)(24)旋轉(zhuǎn)方向及速度的相互配合，形成不同的模式來(lái)實(shí)現(xiàn) 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)(cl)前進(jìn)將均布于圓柱面上的2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)分成兩組，相互間隔電機(jī)作為一組，每組內(nèi)電機(jī) 均同向旋但不同組別電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式相反，使得與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相連的獨(dú)立尾形成的徑向力相 互平衡，而軸向力方向相同，故而疊加為總體軸向驅(qū)動(dòng)力；(c2)、轉(zhuǎn)向根據(jù)欲轉(zhuǎn)動(dòng)方向，利用機(jī)器人驅(qū)動(dòng)介入系統(tǒng)中軸線與目標(biāo)方向線形成的平面將所有 驅(qū)動(dòng)電機(jī)分成兩組，每組驅(qū)動(dòng)電機(jī)均同向旋轉(zhuǎn)，且兩組驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間旋轉(zhuǎn)方式相反，使 機(jī)器人獲得同方向的徑向力，故而轉(zhuǎn)向；(c3)、自旋前行所有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(24)均同向旋轉(zhuǎn)，則軸向力使得機(jī)器人前行，徑向力使得機(jī)器人機(jī)身 產(chǎn)生周向轉(zhuǎn)矩而自旋；(c4)、固定螺旋狀尾部機(jī)器人的后退和自旋后退若尾部(31)為固定螺旋狀尾部，該機(jī)器人還能實(shí)現(xiàn)后退運(yùn)動(dòng)和自旋后退；實(shí)現(xiàn)方式 與第(C1)歩驟、第(C3)步驟相似。
全文摘要
一種基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法，屬于微型機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。該機(jī)器人機(jī)體單元(2)包括2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；推進(jìn)單元(3)由依次安裝于機(jī)體單元后方的尾部密封蓋(33)、尾部固定法蘭(32)、尾部(31)組成；該尾部(31)為在介質(zhì)作用下能形成螺旋狀的柔性尾部或固定螺旋狀尾部；其中尾部(31)包括2n個(gè)獨(dú)立尾，尾部固定法蘭(32)包括2n個(gè)獨(dú)立法蘭， 2n個(gè)獨(dú)立法蘭分別與機(jī)體單元的2n個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸相連，2n個(gè)獨(dú)立尾分別安裝于2n個(gè)獨(dú)立法蘭上；該機(jī)器人適合于狹窄血管環(huán)境的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作控制靈活，有利于微型化的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)介入系統(tǒng)。
文檔編號(hào)A61M31/00GK101690656SQ20091003548
公開日2010年4月7日 申請(qǐng)日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者吳洪濤, 蔣素榮, 陳柏, 陳筍 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)