連續體型半自主式內窺鏡機器人的製作方法

2024-03-25 15:42:05

專利名稱：連續體型半自主式內窺鏡機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種內窺鏡機器人，屬於醫療內窺鏡技術領域。
背景技術：
目前軟管式結腸鏡只有其末端能夠主動彎曲，其他部分是依靠其與結腸內壁的接觸力而被動彎曲、不具有主動彎曲功能，因此在給病人進行腸道疾病檢查過程中存在著在腸道內堆積、結襻等缺點，從而給病人造成很大的痛苦。在鏡體與腸道壁的接觸力超過一定閾值時，甚至會造成腸道壁穿孔，使得腸道疾病檢查具有較大的風險。目前已有的內窺鏡機器人主要利用氣壓或形狀記憶合金驅動，實現在人體腸道內的運動。但是由於人體腸腔具有柔軟、粘滑以及存在眾多彎曲的特點，使得這些機器人在腸道內的移動速度很低，並且在彎道處還易出現摺疊現象而無法前進，實用性較差。

發明內容
本發明的目的是提供一種連續體型半自主式內窺鏡機器人，以解決現有軟管式結腸鏡只有其末端能夠主動彎曲，其他部分不具有主動彎曲功能，因此在給病人進行腸道疾病檢查過程中存在著在腸道內堆積、結襻等缺點，從而給病人造成痛苦以及現有內窺鏡機器人在腸道內的移動速度低，在彎道處易出現摺疊現象而無法前進，實用性較差的問題。
本發明為解決上述問題採取的技術方案是本發明的內窺鏡機器人包括控制箱、前進控制裝置、攝像頭圖像傳輸通道、電氣控制通道以及水、氣輸送通道和活檢鉗通道，所述控制箱的上端面上設有第一通孔、第二通孔和第三通孔，攝像頭圖像傳輸通道的一端和電氣控制通道的一端均裝在所述第一通孔內，水、氣輸送通道的一端裝在所述第二通孔內，活檢鉗通道的一端裝在所述第三通孔內；所述內窺鏡機器人還包括連續體型鏡體、彎曲控制驅動機構、電機控制器和系統控制器；所述彎曲控制驅動機構包括支架、十臺第一直流伺服電機和十個鋼絲拖動輪；所述控制箱內'固裝有支架、電機控制器和系統控制器，所述十臺第一直流伺服電機的上端固裝在支架上，每臺第一直流伺服電機的輸出軸上固裝有一個鋼絲拖動輪，控制箱固裝在前進控制裝置的螺母和四個滑塊上，所述連續體型鏡體由彎曲關節、三十個傳感器、鋼絲編織網和橡膠覆蓋膜組成；攝像頭圖像傳輸通道、電氣控制通道以及水、氣輸送通道和活檢鉗通道的另一端均設置在彎曲關節的內腔中，所述彎曲關節由五段彎曲單關節段組成，每段彎曲單關節段由多個關節萬向環、多個鉚釘、四個彈簧管、四根多股鋼絲和多個導向座組成；每個關節萬向環的一側端面上設有兩個第一連接耳，第一連接耳的外側面突出於關節萬向環的外環面，每個關節萬向環的另一側端面上設有兩個第二連接耳，第二連接耳的內側面突出於關節萬向環的內環面，兩個第一連接耳和兩個第二連接耳均相對於關節萬向環的中心軸線對稱設置，第一連接耳設置在兩個第二連接耳的中間，第一連接耳上開有第一鉚接孔，第二連接耳上開有第二鉚接孔，相鄰兩個關節萬向環的第一連接耳的第一鉚接孔與第二連接耳的第二鉚接孔通過鉚釘鉚接，鉚釘與第一連接耳的第一鉚接孔和第二連接耳的第二鉚接孔間隙配合，前一段彎曲單關節段上位於末端的關節萬向環作為與其相鄰的後一段彎曲單關節段上的起始端的關節萬向環，彎曲關節的外側壁上包裹有鋼絲編織網，鋼絲編織網的外表面上包裹有橡膠覆蓋膜，位於每段彎曲單關節段中部的橡膠覆蓋膜內的圓周上及位於每段彎曲單關節段末端的橡膠覆蓋膜內的圓周上各鑲嵌有三個壓力傳感器，三個壓力傳感器在圓周方向間隔120。均勻分布，每個關節萬向環的內環面上固接有沿其圓周方向均勻分布的四個導向座，每個導向座上設有導向通 L，每段彎曲單關節段上位於起始端的關節萬向環上的導向座的導向通孔與彈簧管的一端固接，彈簧管的另一端與支架固接，每段彎曲單關節段內設置有四根多股鋼絲，每兩根多股鋼絲的一端對稱固接在相應的鋼絲拖動輪的外圓周端面上，多股鋼絲的另一端穿過相應導向座的導向通孔和彈簧管露在彈簧管的外面，每個傳感器的輸出端與系統控制器的一個輸入端連接，系統控制器的輸出端與電機控制器的輸入端連接，電機控制器的一個輸出端與一臺第一直流伺服電機的輸入端連接。
本發明的有益效果是 一、本發明的連續體型鏡體為多個關節萬向環串聯結構，在控制上分為五段，每段各由四根多股鋼絲和四根彈簧管配合驅動，均可實現兩個自由度的彎曲運動，整個連續體型半自主式內窺鏡機器人共可實現十個自由度的空間複合彎曲運動，以適應人體腸道的複雜彎曲狀況，避免在腸道內發生堆積、結襻現象，減輕在結腸內窺鏡檢査過程中病人的不適和痛苦。二、連續體型鏡體的橡膠覆蓋膜內鑲嵌有三十個壓力傳感器，用於全方位感知連續體型鏡體與腸道壁的接觸力，從而可以避免對腸道壁的損傷，提高內窺鏡 檢查的安全係數。三、本發明具有結構緊湊、彎曲靈活、移動速度可以調控的 優點，利用本發明可快速、有效的實現對腸道疾病的檢査，並可實現組織檢査 採樣等微創手術。


圖l是本發明的整體結構立體圖；圖2是前進控制裝置2的立體圖；圖3 是彎曲控制驅動機構11的立體圖；圖4是圖3的A處局部放大圖，圖5是五 段彎曲單關節段位於末段的彎曲單關節段的橫截面圖；圖6是連續體型鏡體 10的軸測圖(為表達清楚，鋼絲編織網20和橡膠覆蓋膜21進行了局部剖切 處理)；圖7是連續體型鏡體10的主視圖(為表達清楚，鋼絲編織網20和橡 膠覆蓋膜21未畫出)；圖8是關節萬向環22的立體圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1 圖8說明本實施方式，本實施方式的內窺鏡
機器人包括控制箱l、前進控制裝置2、攝像頭圖像傳輸通道3、電氣控制通 道4以及水、氣輸送通道5和活檢鉗通道6，所述控制箱1的上端面上設有第 一通孔7、第二通孔8和第三通孔9，攝像頭圖像傳輸通道3的一端和電氣控 制通道4的一端均裝在所述第一通孔7內，水、氣輸送通道5的一端裝在所述 第二通孔8內，活檢鉗通道6的一端裝在所述第三通孔9內；所述內窺鏡機器 人還包括連續體型鏡體10、彎曲控制驅動機構11、電機控制器12和系統控制 器13;所述彎曲控制驅動機構11包括支架14、十臺第一直流伺服電機15和 十個鋼絲拖動輪16;所述控制箱1內固裝有支架14、電機控制器12和系統控 制器13，所述十臺第一直流伺服電機15的上端固裝在支架14上，每臺第一 直流伺服電機15的輸出軸上固裝有一個鋼絲拖動輪16 (本實施方式中的鋼絲 拖動輪16與第一直流伺服電機15的輸出軸以過盈配合的方式實現固定連接)， 控制箱1固裝在前進控制裝置2的螺母17和四個滑塊18上(本實施方式中， 利用螺釘將滑塊18和螺母17與控制箱1固接在一起)，所述連續體型鏡體10 由彎曲關節、三十個傳感器19、鋼絲編織網20和橡膠覆蓋膜21組成；攝像 頭圖像傳輸通道3、電氣控制通道4以及水、氣輸送通道5和活檢鉗通道6的 另一端均設置在彎曲關節的內腔中，所述彎曲關節由五段彎曲單關節段組成， 每段彎曲單關節段由多個關節萬向環22、多個鉚釘23、四個彈簧管24、四根多股鋼絲25和多個導向座26組成；每個關節萬向環22的一側端面上設有兩 個第一連接耳27，第一連接耳27的外側面29突出於關節萬向環22的外環面 30，每個關節萬向環22的另一側端面上設有兩個第二連接耳28，第二連接耳 28的內側面31突出於關節萬向環22的內環面32，兩個第一連接耳27和兩個 第二連接耳28均相對於關節萬向環22的中心軸線對稱設置，第一連接耳27 設置在兩個第二連接耳28的中間，第一連接耳27上開有第一鉚接孔33，第 二連接耳28上開有第二鉚接孔42，相鄰兩個關節萬向環22的第一連接耳27 的第一鉚接孔33與第二連接耳28的第二鉚接孔42通過鉚釘23鉚接，鉚釘 23與第一連接耳27的第一鉚接孔33和第二連接耳28的第二鉚接孔42間隙 配合，前一段彎曲單關節段上位於末端的關節萬向環22作為與其相鄰的後一 段彎曲單關節段上的起始端的關節萬向環22，彎曲關節的外側壁上包裹有鋼 絲編織網20，鋼絲編織網20的外表面上包裹有橡膠覆蓋膜21，位於每段彎曲 單關節段中部的橡膠覆蓋膜21內的圓周上及位於每段彎曲單關節段末端的橡 膠覆蓋膜21內的圓周上各鑲嵌有三個壓力傳感器19，三個壓力傳感器19在 圓周方向間隔120。均勻分布，用於感知連續體型鏡體10與外界的接觸力，每 個關節萬向環22的內環面32上固接有沿其圓周方向均勻分布的四個導向座 26，每個導向座26上設有導向通孔34，每段彎曲單關節段上位於起始端的關 節萬向環22上的導向座26的導向通孔34與彈簧管24的一端固接，彈簧管 24的另一端與支架14固接，每段彎曲單關節段內設置有四根多股鋼絲25，每 兩根多股鋼絲25的一端對稱固接在相應的鋼絲拖動輪16的外圓周端面上，多 股鋼絲25的另一端穿過相應導向座26的導向通孔34和彈簧管24露在彈簧管 24的外面，每個傳感器19的輸出端與系統控制器13的一個輸入端連接，系 統控制器13的輸出端與電機控制器12的輸入端連接，電機控制器12的一個 輸出端與一臺第一直流伺服電機15的輸入端連接，系統控制器13的輸入端與 控制盒的輸出端連接。彎曲控制驅動機構11利用第一直流伺服電機15驅動多 股鋼絲25實現連續體型鏡體10的彎曲運動。在控制箱1內安裝彎曲控制驅動 機構11、電機控制器12和系統控制器13，用於實現對連續體型鏡體10的彎 曲控制和連續體型鏡體10與外界接觸力信號的處理。彎曲控制驅動機構11共 由十臺第一直流伺服電機15實現驅動，通過對這些第一直流伺服電機15的轉 動進行協調控制即可拖動多股鋼絲25運動，實現內窺鏡機器人共十個自由度的空間複合彎曲運動。
具體實施方式
二結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的前進控
制裝置2由底座35、兩根直線導軌36、四個滑塊18、絲槓37、螺母17、兩 個軸承38、聯軸器39和第二直流伺服電機40構成；所述兩根直線導軌36平 行設置並沿底座35的長度方向固裝在底座35上，每根直線導軌36上裝有兩 個與其滑動配合的滑塊18 (滑塊18可以在直線導軌36上靈活滑動)，底座35 上沿其長度方向的兩端各固裝有一個軸承38，所述絲槓37通過兩個軸承38 支撐，絲槓37上裝有與其螺紋連接的螺母17，絲槓37的輸入端通過聯軸器 39與第二直流伺服電機40的輸出軸傳動連接，絲槓37與兩根直線導軌36平 行且設置在兩根直線導軌36之間。如此設置，第二直流伺服電機40轉動時， 通過聯軸器39將動力傳遞給絲槓37，從而驅動控制箱1在直線導軌36上運 動。同時，第二直流伺服電機40上的編碼器將電機的轉動速度量和位置量反 饋至系統控制器13。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖l說明本實施方式，本實施方式的每段彎曲單關 節段的長度為120mm，所述連續體型鏡體10的外徑為13mm、長度為600mm。 可完全滿足醫療用內窺鏡要求。其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四結合圖1說明本實施方式，本實施方式的控制箱1的外 形尺寸為長X寬X高-300mmX200mmX200mm，可根據需要設計。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五結合圖l、圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式與
具體實施方式
一的不同點是本實施方式的彎曲控制驅動機構11還包括彈簧
管緊固條41，所述彈簧管24通過設置在其上的彈簧管緊固條41與支架14固 接。彈簧管緊固條41的數量與十臺第一直流伺服電機15設定的排數相匹配。 工作過程是工作時，操作者根據攝像頭反饋的腸腔內部圖像，操作控 制盒彎曲按鈕與前進按鈕，選擇合理的彎曲方向控制末端彎曲單關節段彎曲並 控制連續體型鏡體前進。系統控制器記錄每一時刻前端彎曲單關節段的彎曲量 和連續體型鏡體的前進量，並根據該彎曲量和前進量實時規劃出前端彎曲單關 節段運動的三維彎曲路徑，同時利用傳感器所反饋的與腸道壁的接觸壓力值實 時修正三維彎曲路徑。系統控制器根據修正後三維彎曲路徑和當前連續體型鏡 體各彎曲單關節段的位置實時控制後端各單關節段彎曲，從而實現在彎曲狀況複雜的腸道內主動彎曲，以減少鏡體在腸道內的堆積與結襻以及鏡體與腸道壁 的接觸壓力，從而提高內窺鏡檢査的安全性並減輕病人的不適和痛苦。同時， 可以利用水、氣傳送通道向腸腔內注入氣體擴充腸腔以對腸道壁褶皺進行詳細 檢査，並可利用活檢鉗進行組織採樣以及實施微創手術。
權利要求
1、一種連續體型半自主式內窺鏡機器人，所述內窺鏡機器人包括控制箱(1)、前進控制裝置(2)、攝像頭圖像傳輸通道(3)、電氣控制通道(4)以及水、氣輸送通道(5)和活檢鉗通道(6)，所述控制箱(1)的上端面上設有第一通孔(7)、第二通孔(8)和第三通孔(9)，攝像頭圖像傳輸通道(3)的一端和電氣控制通道(4)的一端均裝在所述第一通孔(7)內，水、氣輸送通道(5)的一端裝在所述第二通孔(8)內，活檢鉗通道(6)的一端裝在所述第三通孔(9)內；其特徵在於所述內窺鏡機器人還包括連續體型鏡體(10)、彎曲控制驅動機構(11)、電機控制器(12)和系統控制器(13)；所述彎曲控制驅動機構(11)包括支架(14)、十臺第一直流伺服電機(15)和十個鋼絲拖動輪(16)；所述控制箱(1)內固裝有支架(14)、電機控制器(12)和系統控制器(13)，所述十臺第一直流伺服電機(15)的上端固裝在支架(14)上，每臺第一直流伺服電機(15)的輸出軸上固裝有一個鋼絲拖動輪(16)，控制箱(1)固裝在前進控制裝置(2)的螺母(17)和四個滑塊(18)上，所述連續體型鏡體(10)由彎曲關節、三十個傳感器(19)、鋼絲編織網(20)和橡膠覆蓋膜(21)組成；攝像頭圖像傳輸通道(3)、電氣控制通道(4)以及水、氣輸送通道(5)和活檢鉗通道(6)的另一端均設置在彎曲關節的內腔中，所述彎曲關節由五段彎曲單關節段組成，每段彎曲單關節段由多個關節萬向環(22)、多個鉚釘(23)、四個彈簧管(24)、四根多股鋼絲(25)和多個導向座(26)組成；每個關節萬向環(22)的一側端面上設有兩個第一連接耳(27)，第一連接耳(27)的外側面(29)突出於關節萬向環(22)的外環面(30)，每個關節萬向環(22)的另一側端面上設有兩個第二連接耳(28)，第二連接耳(28)的內側面(31)突出於關節萬向環(22)的內環面(32)，兩個第一連接耳(27)和兩個第二連接耳(28)均相對於關節萬向環(22)的中心軸線對稱設置，第一連接耳(27)設置在兩個第二連接耳(28)的中間，第一連接耳(27)上開有第一鉚接孔(33)，第二連接耳(28)上開有第二鉚接孔(42)，相鄰兩個關節萬向環(22)的第一連接耳(27)的第一鉚接孔(33)與第二連接耳(28)的第二鉚接孔(42)通過鉚釘(23)鉚接，鉚釘(23)與第一連接耳(27)的第一鉚接孔(33)和第二連接耳(28)的第二鉚接孔(42)間隙配合，前一段彎曲單關節段上位於末端的關節萬向環(22)作為與其相鄰的後一段彎曲單關節段上的起始端的關節萬向環(22)，彎曲關節的外側壁上包裹有鋼絲編織網(20)，鋼絲編織網(20)的外表面上包裹有橡膠覆蓋膜(21)，位於每段彎曲單關節段中部的橡膠覆蓋膜(21)內的圓周上及位於每段彎曲單關節段末端的橡膠覆蓋膜(21)內的圓周上各鑲嵌有三個壓力傳感器(19)，三個壓力傳感器(19)在圓周方向間隔120°均勻分布，每個關節萬向環(22)的內環面(32)上固接有沿其圓周方向均勻分布的四個導向座(26)，每個導向座(26)上設有導向通孔(34)，每段彎曲單關節段上位於起始端的關節萬向環(22)上的導向座(26)的導向通孔(34)與彈簧管(24)的一端固接，彈簧管(24)的另一端與支架(14)固接，每段彎曲單關節段內設置有四根多股鋼絲(25)，每兩根多股鋼絲(25)的一端對稱固接在相應的鋼絲拖動輪(16)的外圓周端面上，多股鋼絲(25)的另一端穿過相應導向座(26)的導向通孔(34)和彈簧管(24)露在彈簧管(24)的外面，每個傳感器(19)的輸出端與系統控制器(13)的一個輸入端連接，系統控制器(13)的輸出端與電機控制器(12)的輸入端連接，電機控制器(12)的一個輸出端與一臺第一直流伺服電機(15)的輸入端連接。
2、 根據權利要求1所述的連續體型半自主式內窺鏡機器人，其特徵在於 所述前進控制裝置(2)由底座(35)、兩根直線導軌(36)、四個滑塊(18)、 絲槓(37)、螺母(17)、兩個軸承(38)、聯軸器(39)和第二直流伺服電機(40)構成；所述兩根直線導軌(36)平行設置並沿底座(35)的長度方向 固裝在底座(35)上，每根直線導軌(36)上裝有兩個與其滑動配合的滑塊(18),底座(35)上沿其長度方向的兩端各固裝有一個軸承(38)，所述絲 槓(37)通過兩個軸承(38)支撐，絲槓(37)上裝有與其螺紋連接的螺母(17)，絲槓(37)的輸入端通過聯軸器(39)與第二直流伺服電機(40)的 輸出軸傳動連接，絲槓(37)與兩根直線導軌(36)平行且設置在兩根直線 導軌(36)之間。
3、 根據權利要求1或2所述的連續體型半自主式內窺鏡機器人，其特徵 在於所述每段彎曲單關節段的長度為120mm，所述連續體型鏡體(10)的 外徑為13mm、長度為600mm。
4、 根據權利要求1所述的連續體型半自主式內窺鏡機器人，其特徵在於所述控制箱(1)的外形尺寸為長X寬X高^300mmX200mmX200mm。
5、根據權利要求1所述的連續體型半自主式內窺鏡機器人，其特徵在於 彎曲控制驅動機構(11)還包括彈簧管緊固條(41)，所述彈簧管(24)通過設置在其上的彈簧管緊固條(41)與支架(14)固接。
全文摘要
連續體型半自主式內窺鏡機器人，它涉及一種內窺鏡機器人。針對軟管式結腸鏡只有其末端能夠主動彎曲及現有內窺鏡機器人在腸道內移動速度低、在彎道處易出現摺疊效應而無法前進的問題。固裝在控制箱內的第一直流伺服電機上固裝有鋼絲拖動輪，控制箱固裝在前進控制裝置上，彎曲關節由五段彎曲單關節段組成，每段彎曲單關節段上的相鄰兩個關節萬向環鉚接，彎曲關節上包裹有鋼絲編織網和橡膠覆蓋膜，每段彎曲單關節段的橡膠覆蓋膜內鑲嵌有壓力傳感器，每段彎曲單關節段內設置有四根多股鋼絲，每兩根多股鋼絲的一端對稱固接在相應的鋼絲拖動輪的外圓周端面上。本發明可實現十個自由度的空間複合彎曲運動，並具有全方位感知鏡體與腸道壁接觸壓力的功能。
文檔編號A61B1/008GK101653353SQ20091007275
公開日2010年2月24日 申請日期2009年8月28日 優先權日2009年8月28日
發明者孫立寧, 李偉達, 李滿天, 王鵬飛, 胡海燕 申請人:哈爾濱工業大學