弹性杆导向式胶囊內镜机器人驻停及位姿调整装置与方法

摘要

本发明公开了一种弹性杆导向式胶囊内镜机器人驻停及位姿调整装置与方法，涉及内窥镜微型胶囊机器人。它包括胶囊壳体、驱动电机、丝杠螺母机构、导向机构、可展机构。所述驱动电机带动丝杠转动，驱动螺母沿导向杆移动，使可展机构收、放，实现机器人驻停定位，或丝杠带动螺母，相对已展开、在肠道中定位的可展机构转动，带动胶囊功能仓绕轴线回转，实现其位姿的调整。所述胶囊壳体与覆盖在可展机构外的弹性蒙皮将整个胶囊内镜机器人围合成密封腔体。本发明的有益效果是：采用了欠驱动的方式使装置结构简单，解决了胶囊内镜机器人体积大，不易吞服和在肠道中蠕动困难的问题；通过定点驻停和位姿调整，实现对患者胃肠道进行全方位诊疗。

说明书

技术领域

本发明涉及医疗设备领域，尤其涉及弹性杆导向式胶囊內镜机器人驻停及位姿调整装置。

背景技术

    胶囊内窥镜是一种做成胶囊形状的内窥镜，它是用来检查人体胃肠道健康状况的医疗仪器。胶囊内窥镜机器人则以主、被动驱动控制方式，在人体胃肠道中运动，窥探人体肠胃和食道部位的健康状况，进而帮助医生对病人进行诊断甚或治疗。

    医疗内窥镜的发展按其实现方式的改变可分为两个阶段:线缆式内窥镜和无线胶囊型内窥镜。

    传统的线缆式内窥镜自问世以来经过不断的变化和改进，现己成为当今医疗检查的重要器具。但这种方法使用过程中会给病人带来一定的不适，并且在使用内窥镜导入和观察的过程中，所需的时间长而且容易对人体内部产生损害。另外，对医护人员的操作水平要求也较高。

    国内外，无线胶囊型内窥镜己经获得一定的研究成果，以色列Given Imaging 公司开发了M2ATM 胶囊机器人；美国RF系统实验室研制出的Sayka胶囊内窥镜；日本的RF System Lab.公司研制的不使用电池的胶囊内窥镜；我国重庆金山科技(集团)有限公司研制的“OMOM胶囊内窥镜”等。

    目前已投入到商业应用的胶囊机器人在人体内部运行的过程主要采用被动驱动的方法，即需要利用器官蠕动或器官内部流动的流体的带动下实现遍历人体各器官的任务。医生无法有效控制胶囊内镜至需观察部位，更无法控制胶囊内镜在疑似病灶处进行细致观察。

    一些专利文献中提出的一些主动驱动胶囊机器人结构，如专利文献号 US8, 322,469B2，公开的Bidirectional moving micro robot system（双向移动微型机器人系统），采用“爬行”的方式在肠道中进、退；专利文献号EP188323公开的Capsule type micro-robot moving system （胶囊型微型机器人系统），采用了“划桨”的方式前进；专利文献号CN200910273058.3中公开了一种磁导航式运动控制系统，通过内外部永磁体的相互作用拖动行走。上述这些主动控制装置，虽可实现对肠道状况反复观察，但很难准确驻停于肠道中某一位置，更谈不上周向位姿的调整，不便于帮助医生对病人进行诊断、治疗。

    综上所述，现阶段急需一种能够有效地在胃肠道内爬行，同时还能够在运动过程中驻停及位姿调整的装置，以实现在尽可能减少对人体造成创伤的前提下对患者胃肠道进行全方位诊疗。

发明内容

本发明提供一种结构简单并且能够以欠驱动的方式实现胶囊内镜机器人驻停及位姿调整的弹性杆导向式胶囊內镜机器人驻停及位姿调整装置。为实现上述目的，本发明胶囊內镜机器人驻停及位姿调整装置可采用如下技术方案：

一种弹性杆导向式胶囊內镜机器人驻停及位姿调整装置，安装于胶囊机器人的头部，其特征在于：包括电机安装板、驱动电机、丝杆、导向杆、下盘螺母、上盘、n个短杆、n个长杆、弹性蒙皮；所述丝杆具有第一端和第二端，并且丝杆上靠近第一端为外螺纹段，采用左旋螺纹结构，靠近第二端为光杆段；所述下盘螺母内部为与所述丝杆配合的螺纹，外部周向均布了导向槽，下盘螺母与电机安装板相对的表面为下盘螺母底面，顺着丝杆由第一端向第二端看，下盘螺母导向槽与下盘螺母底面之间的过渡，左半部被加工成圆弧过渡面，右半部仍保持为尖角过渡； 其中电机安装板固定于胶囊机器人上，驱动电机固定于电机安装板上，且驱动电机的输出轴与胶囊机器人的中轴线重合，丝杆的第一端通过连接套与驱动电机的输出轴同轴固定连接；所述导向杆具有第一端和第二端,并且导向杆上靠近第一端为一小直径圆杆,小直径圆杆的末端加工有一小段外螺纹, 靠近第二端为较大直径圆杆, 是导向杆的导向段；导向杆小直径圆杆段与电机安装板上的导向杆安装孔间隙配合，将导向杆安装在电机安装板上，导向杆与丝杆平行；复位压簧套在丝杆的小直径圆杆上，处于电机安装板与导向杆的大直径圆杆间, 螺母则与导向杆小直径圆杆末端的外螺纹配合，锁住导向杆使之不因复位压簧的作用而脱开电机安装板，同时也可微调导向杆导向段伸出电机安装板外的长度，起限位作用；复位压簧始终处于受压状态，当导向杆的第二端端面受压时，可压缩复位压簧使导向杆第二端向电机安装板方向回缩，反之，当导向杆的第二端端面释压时，导向杆会在复位压簧的作用下完全伸出；下盘螺母安装在丝杆和导向杆上，且下盘螺母的内螺纹与丝杆的外螺纹段正好配合；上述导向杆起导向作用时，其轴线位于上述导向槽内；导向槽内加工有导向槽圆弧过渡面；所述导向槽圆弧过渡面结构为：将下盘螺母上与电机安装板正对的表面定义为下盘螺母底面，导向槽与下盘螺母底面之间一半为圆弧过渡面，一半仍保留为导向槽加工后的尖角过渡，并且顺着导向杆由第一端向第二端看向导向槽，尖角过渡到圆弧过渡按顺时针走向；所述丝杆的螺纹段长度是要求当下盘螺母旋至螺纹段极限位置，即接触至丝杆光杆段时，下盘螺母能脱开导向杆的第二端，导向杆不再起限位作用；上盘通过轴承安装于丝杆的第二端，n个长杆和短杆沿胶囊机器人的中轴线对称分布，其中长杆第一端与上盘铰接，短杆的第一端与下盘螺母铰接，短杆的第二端与长杆中间铰接；胶囊机器人周向设有环形槽，上述弹性蒙皮覆盖于长杆外侧，弹性蒙皮边缘通过安装于上述环形槽内的滑环与胶囊机器人连接。

所述的弹性杆导向式胶囊內镜机器人驻停及位姿调整装置的工作方式，其特征在于包括以下过程：

定义：以从丝杆向驱动电机的方向看，丝杆逆时针转动为正转、丝杆顺时针转动为反转；

胶囊机器人驻停：

当胶囊机器需要停留时，控制驱动电机输出轴正转，带动丝杆同向转动，由于下盘螺母受导向杆的限制，只能沿丝杆轴向第二端方向移动，带动铰接在螺母上短杆摆动、短杆带动长杆向外侧展开，从而撑开弹性蒙皮，弹性蒙皮作用在肠道内壁上实现驻停；

胶囊机器人驻停后的位姿调整：

控制驱动电机继续正转，使丝杆带动下盘螺母旋至丝杆丝扣末端，弹性蒙皮完全撑开，下盘螺母脱开导向杆的限制，下盘螺母不再轴向移动而随丝杆正转；其导向槽的圆弧过渡面作用在导向杆第二端的端面上，迫使导向杆压缩复位弹簧后回缩并从导向槽经导向槽圆弧过渡面滑出至下盘螺母底面，导向杆不再起限位防转作用；

此时，由于弹性蒙皮已撑开作用在四周壁面上与四周壁面相对静止，所以丝杆和下盘螺母也与四周壁面相对静止；当驱动电机继续工作时，由于接连套的作用反而造成驱动电机机身带动胶囊体反转，实现其周向位置的调整；

胶囊机器人驻停或完成姿态调整后的弹性蒙皮收回：

控制驱动电机输出轴反转，由于弹性蒙皮已撑开作用在四周壁面上与四周壁面相对静止，所以丝杆和下盘螺母也与四周壁面相对静止；当驱动电机工作时，由于接连套的作用反而造成驱动电机机身带动胶囊体正转，导向杆也正转，当导向杆第二端端面滑至下盘螺母的导向槽位置时，由于复位弹簧的作用，使导向杆外伸而卡在下盘螺母的导向槽中，导向杆受到下盘螺母的限制使胶囊体不再转动，此后，驱动电机输出轴反转将带动丝杆反转，使得下盘螺母由导向杆导向，沿丝杆轴向第一端方向移动，带动短杆摆动、短杆带动长杆向内侧回收；下盘螺母对短杆的拉动加上肠道内壁弹性回复力的共同作用，使弹性蒙皮逐步回收而最终从四周壁面脱离，弹性蒙皮收回包裹于胶囊体侧，胶囊机器人可继续行进。

与背景技术相比，本发明胶囊内镜机器人驻停及位姿调整装置结构紧凑、体积小，便于患者吞服，能够做到在驻停过程中对消化道壁微损伤乃至无损伤，能够实现定点诊疗，对患者进行全方位观察，并且结构简单，工作安全可靠。

本发明为弹性杆导向式胶囊内镜机器人驻停及位姿调整装置与方法。胶囊内镜机器人先通过口服等方式进入人体消化道，并随肠胃的蠕动接近病变区域；此后，胶囊内镜机器人切换为主动运动模式，通过外部电磁场驱动自主运动到目标点；当机器人在某个位置出现“卡死”现象时，通过体内点刺激消化道壁，干预消化道蠕动，实现机器人的主被动协同控制；到达目标点后，通过本发明装置，控制驱动电机使可展机构撑开，实现胶囊内镜机器人在肠胃环境内驻停；调整给药舱或采样探针位置，实现体内定点诊疗操作；操作完成后，收起可展机构；胶囊内镜机器人随人体的代谢或主动驱动，安全排出体外。

附图说明

图1是本发明弹性杆导向式胶囊內镜机器人驻停及位姿调整装置的立体图；

图2是图1所示弹性杆导向式胶囊內镜机器人驻停及位姿调整装置的剖视图；

图3是图1中所示的可展机构的立体图；

图4显示了可展机构在展开（或回收）过程中某一状态的示意图，并显示了该状态下导向机构局部放大图；

图5显示了可展机构完全展开、相对肠道内壁固定，进行胶囊体位姿调整时的示意图，并显示了该状态下导向机构局部放大图；

图6显示了可展机构从完全展开到回收时，下盘螺母开始由导向杆导向时的示意图，并显示了该状态下导向机构局部放大图；

图7显示了可展机构上盘附近结构的放大图；

图中的附图标号为：胶囊体1，驱动部分2，丝杆螺母机构3，导向机构4，可展机构5，胶囊壳体11，环形槽111，弹性蒙皮12，滑环13，电机安装板21，驱动电机22，连接套23，丝杆31，下盘螺母32，导向槽321，下盘螺母底面322，导向槽圆弧过渡面323，导向杆41，复位弹簧42，螺母43，短杆51，长杆52，上盘53，束盘丝54。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1至图2所示，一种用于胶囊内镜机器人驻停及位姿调整装置，包括胶囊体1，驱动部分2，丝杠螺母机构3、导向机构4、可展机构5，可展机构外覆盖有弹性蒙皮12，弹性蒙皮12通过安装在胶囊壳体外侧环形槽111中的滑环13与胶囊壳体11连接，以保证整个装置构成一密封体，通过滑环，蒙皮可绕胶囊壳体回转。

如图2所示，所述驱动部分2包括电机安装板21、驱动电机22、连接套23；所述丝杠螺母机构3包括丝杠31及下盘螺母32；驱动电机22通过电机安装板21固定于胶囊壳体11上，且驱动电机22的输出轴与胶囊机器人的中轴线重合；驱动电机22的输出轴通过连接套23与丝杆31的第一端同轴固定连接；导向杆41安装在电机安装板21上，其轴线与丝杆31平行，并可压缩套装在其小直径圆杆段上的复位弹簧43而相对于电机安装板21做小范围伸缩；下盘螺母32安装在丝杆上，其内螺纹与丝杆的外螺纹段正好配合，当导向杆起导向作用时，导向杆轴线位于上述导向槽内，使下盘螺母变随丝杆的转动为沿导向杆的直线移动，以实现可展机构及弹性蒙皮的展开及回收，实现胶囊机器人的驻停及驻停后的重启动；而当导向杆滑出导向槽时，下盘螺母相对于导向杆转动而实现胶囊体位姿的调整；

如图2、图3及图7所示，所述可展机构包括丝杆31、下盘螺母32、短杆51、长杆52、上盘53、束盘丝54。下盘螺母32与短杆51间、短杆51与长杆52间、长杆52与上盘53间均以转动副铰接，束盘丝54将n个长杆52束至上盘53四周，起回转销的作用；上盘53安装在丝杆轴光杆端，可绕丝杆轴转动；当上盘53与下盘螺母32接近或远离时，长杆52张开或收回；

本发明装置主要完成胶囊机器人在确定位置的驻停及位姿调整两个功能，包括以下三个过程：

定义：从丝杆31向驱动电机22的方向看，丝杆逆时针转动为正转、丝杆顺时针转动为反转；

胶囊机器人驻停：

如图1及图4所示，当胶囊机器人以主、被动的方式运动到目标点，需要停留以进行采样或治疗操作时，控制驱动电机21输出轴正转，带动丝杆31同向转动，由于下盘螺母32受固定于电机安装板22上的导向杆41的限制，迫使下盘螺母32只能沿丝杆轴向丝杆第二端方向移动，带动铰接在螺母上的短杆51摆动、短杆51带动长杆52绕上盘53转动，此时上盘53与下盘螺母32相互接近，长杆52向外侧展开，从而撑开弹性蒙皮12，弹性蒙皮12作用在肠道内壁上实现驻停； 

胶囊机器人驻停后的位姿调整：

如图5所示，当胶囊机器人驻停后，如若采样或治疗操作有位置偏差时，需进行胶囊体周向位置的调整。位姿调整过程为：控制驱动电机22继续正转，使丝杆31带动下盘螺母32旋至丝杆丝扣末端，弹性蒙皮12完全撑开，下盘螺母32脱开导向杆41的制约不再轴向移动而随丝杆31正转；此时导向杆41第二端端面与下盘螺母底面322相对滑动，导向杆41不起限位防转作用；

此时，由于弹性蒙皮12已撑开作用在四周壁面上与四周壁面相对静止，所以丝杆31和下盘螺母32也与四周壁面相对静止；当驱动电机22继续工作时，由于接连套23的作用反而造成驱动电机22机身带动胶囊体1反转，实现其周向位置的调整，调整角度通过控制电机22的转角实现；

胶囊机器人驻停或完成姿态调整后的弹性蒙皮回收：

如图6所示，在胶囊机器人驻停于作业位置，完成诊疗操作后，进行弹性蒙皮的回收；其控制过程为：控制驱动电机22输出轴反转，由于弹性蒙皮12已撑开作用在四周壁面上与四周壁面相对静止，所以丝杆31和下盘螺母32也与四周壁面相对静止；当驱动电机22工作时，由于接连套23的作用使得驱动电机22输出轴相对静止而电机机身带动胶囊体1正转，固定在胶囊壳体11上的导向杆41也正转，当导向杆41第二端端面滑至下盘螺母32上的导向槽321位置时，由于复位弹簧43的作用，使导向杆41外伸而卡在导向槽321中，导向杆41受到下盘螺母32的限制而使胶囊体1不再转动，此后，驱动电机22输出轴反转将带动丝杆31反转，使得下盘螺母32由导向杆导向，沿丝杆轴向第一端方向移动，带动短杆51摆动、短杆51带动长杆52向内侧回收；下盘螺母32对短杆51的拉动加上肠道内壁弹性回复力的共同作用，使弹性蒙皮12逐步回收而最终从四周壁面脱离，弹性蒙皮12收回包裹于胶囊体侧；胶囊机器人在主、被动方式的控制下可继续行进。

本发明提供的胶囊内镜机器人驻停及位姿调整装置具有以下优点:

1） 结构紧凑、容易被患者吞服、对人体无损;

    胶囊内镜机器人驻停及位姿调整装置采用可展机构，且机器人驻停及位姿调整两个功能共用一组机构，使用一个电机驱动，实现了欠驱动控制方式；其内部有足够空间安装磁性体、无线通讯模块、微电池等，使整个胶囊内镜机器人结构紧凑、体积小，容易被患者吞服，可展机构采用弹性结构，使得机器人在体内运动或驻停时均不会给肠道的有机组织造成伤害，达到对病人无损的目的。

2） 能够实现定点诊疗，对患者进行全方位观察

    胶囊内镜机器人采用主、被动运动模式可遍历患者胃肠道，通过装置驻停可以定位机器人在胃肠道内的位置，而位姿调整功能更方便了对患者胃肠道进行全方位的诊疗、观察。

3） 装置工作可靠

 驱动电机采用直径2mm的超声电机，驱动力矩大，在强磁场环境下运行可靠。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。