專利名稱：面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人及其運動方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用微型機器人，特別涉及一種面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人及其運動方法。
背景技術(shù)：
微創(chuàng)外科醫(yī)療技術(shù)是當今國際上的一個研究熱點。微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)興起于20 世紀80年代，介入手術(shù)為其重要分支。介入手術(shù)存在因人手操作不穩(wěn)定而影響手術(shù)質(zhì)量的現(xiàn)象。而機器人技術(shù)與介入技術(shù)相結(jié)合是解決上述問題的途徑之一。目前，對微創(chuàng)外科醫(yī)療手術(shù)的研究主要從兩方面進行一是改進傳統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，將系統(tǒng)進一步微型化；二是改進醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進入人體內(nèi)腔的驅(qū)動方式。對于人體胃腸道而言，Phee等人研制了仿蜥蜴行走的“內(nèi)窺爬行者”機器人(Kassim I，Phee L，Wan S，et al. Locomotion techniques for robotic colonoscopy[J]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 2006(6) =49-56.), Eugene Cheung 等人研究出一種蠕動內(nèi)窺鏡機器人(Eugene Cheung, Sukho Park, Byungkyu Kim, et al.A new endoscopic microcapsule robot using beetle inspired microfibrillar adhesives. Proceedings of the 2005 IEEE/ ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics Monterey, California, USA, 2005，July, 24-28.)，國內(nèi)浙江大學、上海交通大學、大連理工大學等提出了各種胃腸道內(nèi)窺鏡機器人的驅(qū)動機構(gòu)。對于血管機器人而言，瑞典科學家研制出了由多層聚合物和黃金制成的能在血液、尿液和細胞介質(zhì)中捕捉和移動單個細胞的血管內(nèi)微型機 ^IA (E. W. H. Jager, 0. Inganas, I. Lundstrom. Microrobots for Micrometer-Size Objects in Aqueous Media :Potential Tools for Single-Cell Manipulation[J]. Science, 2000,288(5475) :2335_2338.)，日本科學家提出了一種基于外磁場驅(qū)動的外形尺寸為 0. 5mmX 8mm 的螺方寵式游動機器人(Ishiyama K, Sendoh M, Yamazaki A, et al. Swimming of magnetic micro-machines under a very wide-range of Reynolds number conditions [J], IEEE Transactions on Magnetics, 2001, 37 (4) :2868_2870.)，南京航空航天大學研制了基于精子運動機理的血管微型機器人(陳柏，蔣素榮，陳筍，等.基于精子運動機理的機器人驅(qū)動的介入診療系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法[P].中國專利200910035487， 2010-04-07)，中國科學院設計了一種可在非磁性細小管路直行和轉(zhuǎn)向的仿趨磁細菌的微型機器人(楊岑玉，王錚，王金光，等.仿趨磁細菌的微型機器人研究[J].機器人，2009， 31 (2) 146-150.)?？傊瑖鴥?nèi)、外已經(jīng)研究了各種醫(yī)用微型機器人的驅(qū)動方法及裝置，但也存在一些缺陷一是機器人運動時與內(nèi)腔管壁接觸，容易對人體有機組織造成損傷；二是機器人結(jié)構(gòu)比較復雜，成本高；三是機器人需要外磁場驅(qū)動，不易操作。CN1225523號專利中公開了一種醫(yī)用微型機器人的體內(nèi)驅(qū)動方法及其驅(qū)動器。該驅(qū)動器采用了一個帶螺旋槽的圓柱形微電機、一個帶螺旋槽的圓柱體和一個柔性聯(lián)軸器。 但上述結(jié)構(gòu)存在體積過大，微電機和圓柱體外徑必須相同，運動過程液體阻力過大，在機器人懸浮厚度較小的情況下微電機或圓柱體外殼螺旋槽轉(zhuǎn)速太高容易損傷內(nèi)腔管壁。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面向人體內(nèi)腔細小管道(如大動脈、尿道等)的微型機器人及其運動方法。該機器人體積微小，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動力大，機器人外殼轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，能夠在充滿液體的細小管道中懸浮運行，并且實現(xiàn)攝像和體外無線控制功能。本發(fā)明提供了一種面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人，所述機器人包括機體內(nèi)螺旋軸，所述機體內(nèi)螺旋軸是中空的，且在所述機體內(nèi)螺旋軸的內(nèi)表面上帶有第一螺旋槽；線圈，所述線圈與帶有第一螺旋槽的所述機體內(nèi)螺旋軸固接；機體外螺旋殼，所述機體外螺旋殼的外表面帶有第二螺旋槽，所述第二螺旋槽與所述第一螺旋槽旋向相反；以及永磁鐵，所述永磁鐵與帶有第二螺旋槽的所述機體外螺旋殼固接，微電池，所述微電池連通上述各部件以提供電能；無線通訊模塊和控制模塊，所述無線通訊模塊和所述控制模塊連通所述微電池，以體外無線控制所述機器人的運動，其中所述永磁鐵和所述線圈組成微電機， 兩者之間采用滾動軸承支撐。優(yōu)選地，所述機器人還可以包括成像模塊，所述成像模塊連通所述微電池，用于拍攝人體內(nèi)腔細小管道內(nèi)的情況。優(yōu)選地，所述第一螺旋槽是左螺旋槽而所述第二螺旋槽是右螺旋槽；或者所述第一螺旋槽是右螺旋槽而所述第二螺旋槽是左螺旋槽。優(yōu)選地，所述無線通訊模塊是射頻收發(fā)器。優(yōu)選地，所述控制模塊的控制電路。優(yōu)選地，所述成像模塊是微型攝像頭。優(yōu)選地，所述第一螺旋槽和所述第二螺旋槽的牙形為三角形、矩形、梯形或鋸齒形。本發(fā)明還提供了一種上述面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人的運動方法，當微電機通電時，因機體內(nèi)螺旋軸部分慣性較大，機體外螺旋殼首先旋轉(zhuǎn)，迫使內(nèi)腔黏液產(chǎn)生軸向運動，其反作用力推動機器人運動，同時，作用在所述機體外螺旋殼增大的內(nèi)腔黏液阻力將迫使所述機體內(nèi)螺旋軸反向旋轉(zhuǎn)，迫使軸內(nèi)黏液產(chǎn)生軸向運動，其反作用力也作用于機器人，從而利用在液體環(huán)境中的機器人機體內(nèi)外表面不同旋向的螺旋槽和內(nèi)外表面不同方向的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生方向一致的液體反作用力驅(qū)動機器人運動，并且通過改變微電機的旋轉(zhuǎn)方向，能夠改變機器人運動的方向。調(diào)整機體內(nèi)螺旋軸和機體外螺旋殼的質(zhì)量比，能夠改變機體內(nèi)螺旋軸和機體外螺旋殼的旋轉(zhuǎn)速度。由于機器人機體外螺旋殼與內(nèi)腔管壁之間液體的動壓效應，在機器人外殼和內(nèi)腔管壁之間形成一層動壓潤滑黏液膜。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點和有益效果1.本發(fā)明的機器人體積微小，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，適合在充滿液體的人體細小管道中懸浮運行，減少了對人體造成的損傷，同時可以進行體外無線攝像、圖像傳輸與控制， 提高了醫(yī)生檢查與診療效率。2.本發(fā)明的機器人機體內(nèi)外表面都帶有不同旋向的螺旋槽，克服了僅有外螺紋的單節(jié)螺旋機器人內(nèi)部微電機主體高速旋轉(zhuǎn)，而外殼轉(zhuǎn)速較慢或不轉(zhuǎn)的不足。3.本發(fā)明的機器人可調(diào)整機體內(nèi)螺旋軸部分和機體外螺旋殼部分的質(zhì)量比，提高內(nèi)軸的旋轉(zhuǎn)速度，降低外殼的旋轉(zhuǎn)速度，從而在不減小液體對機器人推動力的情況下，最大限度地減少機器人靠近內(nèi)腔管壁時外螺旋殼高速旋轉(zhuǎn)可能對內(nèi)腔管壁造成的損傷。4.本發(fā)明的機器人可改變機器人系統(tǒng)體積使得機器人系統(tǒng)平均密度小于內(nèi)腔管道黏液密度情況下，僅保留機器人機體內(nèi)軸螺旋槽，機體外殼采用光滑生物柔性材料，同樣可以驅(qū)動機器人運動。


圖1是本發(fā)明的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標記列表1-成像模塊、無線通訊模塊與控制模塊，2-永磁鐵，3-線圈，4-微電池，5-內(nèi)腔管壁，6-機體內(nèi)螺旋軸，7-機體外螺旋殼，8-滾動軸承。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的具體實施例作進一步詳細的描述。如圖1所示，在一個實施例中，面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人包括機體內(nèi)螺旋軸6，該機體內(nèi)螺旋軸6是中空的，且在其內(nèi)表面上帶有左螺旋槽；固接于機體內(nèi)螺旋軸6的線圈3 ；機體外螺旋殼7，該機體外螺旋殼7的外表面帶有右螺旋槽；固接于機體外螺旋殼7的永磁鐵2 ；連通上述各部件的微電池4 ；以及連通微電池4以體外無線控制所述機器人的動作的無線通訊模塊和控制模塊1。永磁鐵2和線圈3組成微電機，兩者之間采用滾動軸承8支撐。此外，機器人還可以包括連通微電池4以拍攝人體內(nèi)腔細小管道內(nèi)情況的成像模塊。成像模塊、無線通訊模塊與控制模塊1可以沿圓周地布置在機體的頭部。在本實施例中，成像模塊、無線通訊模塊與控制模塊分別是微型攝像頭、射頻收發(fā)器、控制電路。 當然在其他實施例中，成像模塊、無線通訊模塊與控制模塊可以是能夠?qū)崿F(xiàn)成像、無線通訊和控制的其他物件。在本實施例中，機體內(nèi)螺旋軸6的左螺旋槽和機體外螺旋殼7的右螺旋槽的牙形是梯形的。當然在其他實施例中，機體內(nèi)螺旋軸6的左螺旋槽和機體外螺旋殼 7的右螺旋槽的牙形可以是三角形、矩形或鋸齒形。當微電機開始通電時，因機體內(nèi)螺旋軸上固定了微電池4等模塊，慣性較大，機體外螺旋殼高速旋轉(zhuǎn)，迫使內(nèi)腔黏液產(chǎn)生軸向運動，其反作用力推動機器人運動；同時，作用在機體外螺旋殼增大的內(nèi)腔黏液阻力將迫使機體內(nèi)螺旋軸反向旋轉(zhuǎn)，迫使軸內(nèi)黏液產(chǎn)生軸向運動，其反作用力也作用于機器人。因為機體外殼和內(nèi)軸的螺旋槽旋向和轉(zhuǎn)向都相反，所以內(nèi)腔黏液對它們的反作用力方向相同，從而實現(xiàn)無論是外殼還是內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)，均可使機器人有相同方向的推進力。由于內(nèi)腔黏液的動壓效應，將在機器人機體外螺旋殼7和內(nèi)腔管壁5之間形成一層動壓潤滑黏液膜，使得機器人處于懸浮狀態(tài)，從而達到無損傷驅(qū)動的目的。改變機器人機體外殼和內(nèi)軸的旋轉(zhuǎn)方向，可以改變機器人運動的方向。調(diào)整機體內(nèi)螺旋軸部分和機體外螺旋殼部分的質(zhì)量比，可以改變內(nèi)軸和外殼的旋轉(zhuǎn)速度大小。通過本申請的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人的成像模塊拍攝到的人體內(nèi)腔細小管道內(nèi)部的情況來診斷人體內(nèi)腔細小管道是否發(fā)生病變，也可以在該微型機器人上攜帶一些藥物進行定點投放以達到治療的目的。在一個仿真試驗中，根據(jù)人體主動脈實際的尺寸和血管內(nèi)液體環(huán)境，設定血液密度為1053. lkg/m3，血液動力黏度為0. 0045135Pa · s，主動脈直徑為11mm，長度為75mm ；機體外螺旋殼7的外表面上的右螺旋槽外徑為8mm，軸向長度為15mm，螺紋線數(shù)為6，導程 15mm，螺旋槽為矩形，槽面寬為1mm，槽底寬為1. 5mm，槽深為0. 8mm ；機體內(nèi)螺旋軸6的內(nèi)表面上的左螺旋槽內(nèi)徑為2. 8mm,軸向長度為15mm，螺紋線數(shù)為6，導程15mm，螺旋槽為矩形， 槽面寬為1mm，槽底寬為0. 8mm,槽深為0. 6mm ；機體外殼7的轉(zhuǎn)速為lOOOr/min (正轉(zhuǎn))，機體內(nèi)軸6的轉(zhuǎn)速為-200r/min(反轉(zhuǎn))，機器人以20mm/s的速度沿血管中心軸線作直線運動。 運用計算流體力學方法，數(shù)值計算了機器人在血管內(nèi)運行時血液的三維流場，從而得到血液對機器人的推進力和血管壁所受的最大壓力都與血液密度和血液黏度成正比，與血管直徑成反比；相對于機體內(nèi)軸，機體外殼轉(zhuǎn)速的增加更有利于機器人推進力的增大，但也增大了血管壁所受的最大壓力；在機體外殼轉(zhuǎn)速不是很大的情況下，血管壁所受的最大壓力都是在人體可承受的范圍內(nèi)。在另一個實施方式中，中空的機體內(nèi)螺旋軸6的內(nèi)表面上可以帶有右螺旋槽，機體外螺旋殼7的外表面上可以帶有左螺旋槽，同樣能夠達成上述效果。
權(quán)利要求
1.一種面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人，其特征在于，所述機器人包括機體內(nèi)螺旋軸(6)，所述機體內(nèi)螺旋軸(6)是中空的，且在所述機體內(nèi)螺旋軸(6)的內(nèi)表面上帶有第一螺旋槽；線圈(3)，所述線圈(3)與帶有第一螺旋槽的所述機體內(nèi)螺旋軸(6)固接；機體外螺旋殼(7)，所述機體外螺旋殼(7)的外表面帶有第二螺旋槽，所述第二螺旋槽與所述第一螺旋槽旋向相反；以及永磁鐵(2)，所述永磁鐵(2)與帶有第二螺旋槽的所述機體外螺旋殼(7)固接，微電池(4)，所述微電池(4)連通上述各部件以提供電能；無線通訊模塊和控制模塊(1)，所述無線通訊模塊和所述控制模塊(1)連通所述微電池(4)，以體外無線控制所述機器人的運動，其中所述永磁鐵(2)和所述線圈(3)組成微電機，兩者之間采用滾動軸承(8)支撐。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人，其特征在于，所述機器人還可以包括成像模塊(1)，所述成像模塊(1)連通所述微電池(4)，用于拍攝人體內(nèi)腔細小管道內(nèi)的情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人，其特征在于，所述第一螺旋槽是左螺旋槽而所述第二螺旋槽是右螺旋槽；或者所述第一螺旋槽是右螺旋槽而所述第二螺旋槽是左螺旋槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人，其特征在于，所述無線通訊模塊是射頻收發(fā)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人，其特征在于，所述控制模塊的控制電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人，其特征在于，所述成像模塊是微型攝像頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人，其特征在于，所述第一螺旋槽和所述第二螺旋槽的牙形為三角形、矩形、梯形或鋸齒形。
8.—種如權(quán)利要求1所述的面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人的運動方法，其特征在于，當微電機通電時，因機體內(nèi)螺旋軸部分慣性較大，機體外螺旋殼首先旋轉(zhuǎn)，迫使內(nèi)腔黏液產(chǎn)生軸向運動，其反作用力推動機器人運動，同時，作用在所述機體外螺旋殼增大的內(nèi)腔黏液阻力將迫使所述機體內(nèi)螺旋軸反向旋轉(zhuǎn)，迫使軸內(nèi)黏液產(chǎn)生軸向運動，其反作用力也作用于機器人，從而利用在液體環(huán)境中的機器人機體內(nèi)外表面不同旋向的螺旋槽和內(nèi)外表面不同方向的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生方向一致的液體反作用力驅(qū)動機器人運動，并且通過改變微電機的旋轉(zhuǎn)方向，能夠改變機器人運動的方向。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的運動方法，其特征在于，調(diào)整所述機體內(nèi)螺旋軸和所述機體外螺旋殼的質(zhì)量比，能夠改變所述機體內(nèi)螺旋軸和所述機體外螺旋殼的旋轉(zhuǎn)速度。
全文摘要
一種面向人體內(nèi)腔細小管道的微型機器人及其運動方法，屬于醫(yī)用微型機器人的技術(shù)領域。該方法利用電機永磁鐵和線圈旋轉(zhuǎn)方向的相反性，以及固接于線圈和永磁鐵的機器人機體內(nèi)外表面不同旋向的螺旋槽，當機器人在液體環(huán)境中高速旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的液體對機器人機體內(nèi)外表面推進力是一致的，又由于內(nèi)腔管壁與機器人機體外殼之間液體的動壓效應，實現(xiàn)該機器人在人體充滿黏液的內(nèi)腔細小管道懸浮式快速運行，達到無損傷驅(qū)動的目的。同時，依據(jù)機器人體內(nèi)封裝的成像、通訊和控制模塊，實現(xiàn)對機器人的體外無線控制。該機器人體積微小，操控方便，可用于人體內(nèi)腔細小管道(如大動脈、尿道等)的檢查與診療。
文檔編號A61B1/00GK102349827SQ20111020482
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者劉煜, 唐勇, 龐佑霞, 梁亮, 胡冠昱, 陳柏 申請人:長沙學院