基於腹足動物運動機理的介入診療機器人及其運動方法

2023-06-09 13:21:46

專利名稱：基於腹足動物運動機理的介入診療機器人及其運動方法
技術領域：
本發明涉及一種醫用微型機器人，特別涉及一種基於腹足動物運動機理的仿 生介入診療機器人及其運動方法。
技術背景最初，介入診療機器人的研究是以消化道為應用背景，基於蛇和蚯蚓等軟體 動物的蠕動機理而提出的。如K. Ikuta基於蛇的運動原理，以形狀記憶合金為致 動器提出的蠕動式自主內窺鏡機器人；如I.Hayashi所在課題組，S. Kato所在課 題組、N.Saga所在課題組、LByungkyu所在課題組釆用不同的驅動器分別提出 了各自的仿蚯頓蠕動內窺鏡機器人設計方案。為了減輕機器人機身與管腔的硬接 觸給人體帶來的損傷，科學家們提出了以柔性機身代替剛性機身如 J.W.Burdick等人提出一種直徑可以隨腸道內徑變化的，並能適應腸道的柔軟、 纖弱和粘滑的仿尺蠖內窺鏡機器人;如P. Dario等人研製的氣動式蠕動微型機器 人。我國的上海交通大學、上海大學、大連理工大學以消化道為應用背景，分別 提出各自的蠕動式內窺鏡機器人設計方案。浙江大學周銀生等提出的螺旋式微型 機器人則巧妙的利用了流體動壓潤滑效應，避免了機器人運動過程中對胃腸等生 物管道壁的損傷。以大動脈、大靜脈為應用背景的血管內定點介入診療機器人的研究剛剛起 步。目前，主要朝以下兩個方向發展 一種是微納米機器人，主要在血管中進行 微觀操作，如瑞典科學家Edwin W.H. Jager研製出的由多層聚合物和黃金製成 的微機器人。其外形類似人的手臂，其肘部和腕部很靈活，有2到4個手指，能 在血液、尿液和細胞介質中捕捉和移動單個細胞的血管內微型機器人，見參考文 獻Edwin W. H. Jager, Olle Ingan3s, Ingemar Lundstr加.Microrobots for Micrometer—Size Objects in Aqueous Media : Potential Tools for Single-Cell Manipulation. Science, 2000, 288:2335-2338。 如中科院上海矽酸鹽研究所施劍林研製的"納米藥物分子運輸車"，直徑只有200納米，可以實現定點投藥， 見參考文獻Y-Zhu, J.Shi, W. Shen et al. St imul i-Respons ive Controlled Drug Release from a Hollow Mesoporous Silica Sphere/ Polyelectrolyte Multilayer Core—Shell Structure. Angewandte Chemie International Edition, 2005, 44 (32): 5083-5087。另外一個研究方向是研究在血管中進行宏觀 搡作的微小型機器人。目前日本科學家提出的一種基於外磁場驅動的螺旋式遊動 機器人，見參考文獻K. Ishiyama, M. Sendoh， A. Yamazaki et al. Swimming of Magnetic Micro-Machines Under a Very Wide-Range of Reynolds Number Conditions. 2001 IEEE Transactions on Magnetics, 2001,37(4): 2868—2870 和參考文獻M. Sendoh, L Ishiyama et al. Fabrication of Magnetic Actuator for Use in a Capsule Endoscope. 2003 IEEE Transactions on Magnetics, 2003, 39 (5): 3232-3234。外形尺寸為小O. 5x8mm,已能滿足大血管環境對機器人尺 寸結構的需要，如何克服血液流動對機器人的衝擊，保證血管中的定點介入診療 機器人系統在高速流動的液體衝擊下可靠的定位，又如何在逆向流動的液體中平 穩的運行成為血管內介入診療機器人研究的關鍵。 發明內容本發明的目的在於解決現有技術中的技術難點，提供一種具有良好的抗流體 衝擊能力和運動低損傷的介入診療機器人。原理1980年Mark Denny在Nature雜誌發表了他對腹足動物運動過程中 的分泌液特性及其對運動的作用的研究結果，很好的揭示了腹足動物的運動機理 及其良好的抗水流衝擊能力的形成原因。見參考文獻M.Denny. The Role of Gastropod Pedal Mucus in Locomotion. Nature, 1980， 285(5):160-161。研究發現腹足動物 在運動過程中會分泌出一種粘液，該粘液可以在液體和固體兩種狀態下變化。粘 液在固體狀態時在生物體與環境表面間形成的膠合作用保證了運動過程中足夠的前進驅動力以及靜止時良好的抗流體衝擊能力；粘液在液體狀態時在生物體與 環境表面間形成的流體潤滑效應有效的減小或避免了生物體與環境表面間的摩擦。良好的抗流體衝擊能力和運動的低損傷很好的符合了血管內介入診療機器人 的要求，因此，本發明提供一種基於腹足動物運動機理的血管內仿生介入診療機 器人。一種基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特徵在於機器人依次由 前艙單元、轉向單元、推進單元構成；其中前艙單元包括診療模塊和前艙磁控增 阻模塊；其中診療模塊包括艙體及封裝在艙體內的醫療器械或/和攝像裝置或/ 和藥品容器；其中前艙磁控增阻模塊安裝在診療模塊後端，由芯體、磁場發生線 圈、雙層橡膠膜、以及磁場控制功能材料組成，磁場發生線圈安裝在芯體上，裝 有磁場控制功能材料的雙層橡膠膜覆蓋在磁場發生線圈外表面，並高於艙體輪 廓；其中推進單元包括直線致動模塊和推進艙磁控增阻模塊；其中直線致動模塊 包括艙體及封裝在艙體內的直線致動器，直線致動器主軸在前端伸出；其中推進 艙磁控增阻模塊安裝在直線致動模塊後端，由芯體、磁場發生線圈、雙層橡膠 膜以及磁場控制功能材料組成，磁場發生線圈安裝在芯體上，裝有磁場控制功能 材料的雙層橡膠膜覆蓋在磁場發生線圈外表面，並高於艙體輪廓；其中轉向單元 兩端分別連接前艙單元和推進單元，並且它由至少二個形狀記憶合金彈簧、聯接 法蘭和密封波紋管組成；其中聯接法蘭中心開有螺紋孔，與推進單元的直線致動 器主軸輸出端配合，形狀記憶合金彈簧一端固定在前艙單元後端，另一端固定在 聯接法蘭前端，密封波紋管將形狀記憶合金彈簧、聯接法蘭和直線致動器密封起 來。一種基於腹足動物運動機理的介入診療機器人的運動方法，其特徵在於 U)、利用磁場控制功能材料在磁場作用下流變特性的變化效應，模擬腹足 動物運動過程中的分泌液的作用。(a) 、由芯體、磁場發生線圏、雙層橡膠膜、以及磁場控制功能材料組成的 前艙磁控增阻模塊模擬腹足動物的腹足前部的運動；(b) 、由芯體、磁場發生線圏、雙層橡膠膜以及磁場控制功能材料組成的推進艙磁控增阻模塊模擬腹足動物的腹足後部的運動；(B) 、由至少二個形狀記憶合金彈簧、聯接法蘭和密封波紋管組成的轉向單 元模擬腹足動物的轉向運動；利用直線致動器的直線伸縮運動模擬腹足動物運動 過程中肌肉的軸向波動。(C) 、機器人的前進運動 前艙磁控增阻模塊中磁場發生線圈斷電；推進艙磁控增阻模塊中的磁場發生線圈通電，則芯體與雙層橡膠膜內的磁場 控制功能材料形成封閉磁路，磁場控制功能材料固化，雙層橡膠膜外側與管腔壁 嚙合，增大了摩擦力；直線致動器主軸向外伸張，使機器人前艙單元向前移動，推進單元保持不動；直線致動器主軸伸張量最大後，前艙磁控增阻模塊中磁場發生線圈通電，同 理使磁場控制功能材料固化，雙層橡膠膜外惻與管腔壁嚙合，增大了摩擦力；推進艙磁控增阻模塊中的磁場發生線圏斷電，則固化的磁場控制功能材料液 化，雙層橡膠膜外惻與管腔壁不再嚙合，減小了摩擦力；直線致動器主軸收縮，推進單元向前移動，前艙單元保持不動，直到直線致 動器主軸收縮到最短位置機器人完成一個蠕動周期；控制直線致動器及磁場發生線圈重複上述過程，則機器人進入下一個蠕動周期。(D) 、機器人的轉向轉向單元的形狀記憶合金彈簧，在機器人直線蠕動時，起到前艙單元與推進 單元之間的柔性連接作用，當需要轉向時，控制某個或者某兩個形狀記憶合金彈 簧，由於電熱效應，形狀記憶合金彈簧會變形，從而使前艙單元相對推進單元偏 轉一定角度，轉向完成後斷開電源，形狀記憶合金彈簧恢復原形，從而實現轉向 功能。(E) 、機器人的速度控制與後退控制單位時間內輸入脈衝數，可改變直線致動器的伸縮速度，從而改變蠕動速度；改變前艙磁控增阻模塊，推進艙磁控增阻模塊中磁場發生線圈導通與斷開 次序，使機器人兩端摩擦力變化與前進時候相反，則機器人後退。針對癌症，該介入診療機器人可以進行定點投藥，將藥物直接作用於病灶； 針對心腦血管病，介入診療機器人可以用來從主動脈管壁上刮去堆積的脂肪和膽 固醇的沉積物，減少心血管疾病的發病率；可以進入人體血管，疏通患腦血栓病 人被阻塞的血管，清除血栓。介入診療機器人潛入人體的血管和器官進行檢查和 治療將使原來需要進行大型切開手術的病例實現微創傷甚至無創傷化。同現有技 術比較，本發明具有如下優點1)本介入診療機器人外部包裹有雙層橡膠膜， 內部充滿液態磁場控制功能材料，因此與管壁的接觸是軟接觸，用於體內介入診 療對人體管腔無損傷；2)本介入診療機器人利用了在磁場作用下液態磁場控制 功能材料的流變特性變化實現摩擦力的控制一一控制電磁線圈的導通可以迅速 將液態磁場控制功能材料固化，使其與凹凸不平的管壁形成嚙合，從而提高機器 人的驅動效率；撤銷磁場，則固化的磁場控制功能材料將液化。


圖1為介入診療機器人的外形圖。圖2為介入診療機器人的結構示意圖。圖中標號名稱1.前艙單元，2.轉向單元，3.推進單元，ll.前端蓋，12、32. 艙體，13.診療模塊，14.前艙磁控增阻模塊，15、 35.連接裝置，21.球鉸， 22.形狀記憶合金彈簧，23.聯接法蘭，24.密封波紋管，31.直線致動模塊，33. 直線致動器，34.推進艙磁控增阻模塊，13a.醫療器械，13b.攝像裝置，13c. 藥品容器，14a、 34a.芯體，14b、 34b.磁場發生線圈，14c、 34c.雙層橡膠膜， 14d、 34d.磁場控制功能材料。
具體實施方式
一種基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，結構如圖l、圖2所示，依 次由前艙單元l、轉向單元2、推進單元3構成。其中前艙單元1由前端蓋11、艙體12、診療模塊13、前艙磁控增阻模塊14、連接裝置15組成；其中診療模塊13封裝於艙體12內部，診療模塊13由醫療器 械13a、攝像裝置13b及藥品容器13c組成；其中前艙磁控增阻模塊l4通過連 接裝置15固定在艙體12後端，由芯體14a、磁場發生線圏"b、雙層橡膠膜14c、 以及磁場控制功能材料14d組成，磁場發生線圈14b安裝在芯體14a上，裝有磁 場控制功能材料"d的雙層橡膠膜14c覆蓋在磁場發生線圈14b外表面，並高於 艙體12輪廓。其中推進單元3由直線致動模塊31、推進艙磁控增阻模塊34和連接裝置35 組成；其中直線致動模塊31包括艙體32及封裝在艙體32內的直線致動器33， 直線致動器33主軸在前端伸出；其中推進艙磁控增阻模塊34由連接裝置35與 艙體32相連，由芯體34a、磁場發生線圈34b、雙層橡膠膜34c以及磁場控制功 能材料34d組成，磁場發生線圈34b安裝在芯體34a上，裝有磁場控制功能材料 34d的雙層橡膠膜34c覆蓋在磁場發生線圈34b外表面，並高於艙體32輪廓。 其中，轉向單元2由球鉸21、圓周上對稱布置的三個形狀記憶合金彈簧22、聯 接法蘭23和密封波紋管24組成；其中，球鉸21—端連接在芯體14a上，另一 端固定在聯接法蘭上；聯接法蘭23中心開有螺紋孔，與直線致動器33主軸輸出 端配合，將直線致動模塊31與聯接法蘭23連接；形狀記憶合金彈簧22—端固 定在芯體14a的後端，另一端固定在聯接法蘭23前端，密封波紋管24將球鉸 21、形狀記憶合金彈簧22、聯接法蘭23和直線致動器33密封起來；轉向單元2 通過連接裝置將前艙單元1和推進單元3聯結為 一體,整個機器人除醫療器械外， 均與外圍環境隔絕，保證了系統的安全性和可靠性。其中，磁場發生線圈14b、 34b,形狀記憶合金彈簧22以及直線致動器33 通過外部電纜供能、控制與通訊。封裝說明機器人完成裝配後用一種具有生物兼容性的材料分別覆蓋前艙單元1、密封 波紋管24和推進單元3的外表面。 擴展功能本機器人系統視功能需求不同，是可以被擴充的可以視應用需要增加多個 推進單元；增加封裝有蓄電池的動力模塊和具有無線通訊功能的控制模塊，則可以實現機器人的遙控及自主運動。下面結合附圖具體說明該機器人運動方式1、 機器人的前進運動控制直線致動器主軸33使其向外伸張，同時控制前艙磁控增阻模塊14中磁 場發生線圈14b斷電，推進艙磁控增阻模塊34中的磁場發生線圈34b通電，則 磁場控制功能材料14d保持液態不變，芯體34a與雙層橡膠膜34c內的磁場控制 功能材料34d形成封閉磁路，磁場控制功能材料34d固化，雙層橡膠膜34c外側 與管腔壁嚙合，推進單元3與環境管道間摩擦力很大，因而隨著直線致動器33 的伸張，機器人前艙單元l前移一段距離，推進單元3保持不動；控制直線致動 器33的主軸，使其伸張量達到最大後收縮，同時控制磁場發生線圈l化通電而 磁場發生線圈34b斷電，則磁場控制功能材料14d固化，雙層橡膠膜14c外側與 管腔壁嚙合，前艙單元1與管腔壁間摩擦力很大，而固化的磁場控制功能材料 34d液化，雙層橡膠膜34c外側與管腔壁不再嚙合，隨著直線致動器33的收縮， 前艙單元l保持不動，而推進單元3前進一段距離，這樣機器人即完成一個周期 內的蠕動運動。重複上述過程，則機器人將進入下一個蠕動周期。2、 機器人的轉向轉向單元2的形狀記憶合金彈簧22，在機器人直線蠕動時，起到前艙單元l 與推進單元3之間的柔性連接作用，當需要轉向時，控制某個或者某兩個形狀記 憶合金彈簧22，由於電熱效應，形狀記憶合金彈簧22會變形，從而使前艙單元 1相對推進單元3偏轉一定角度，轉向完成後斷開電源，形狀記憶合金彈簧22 恢復原形，從而實現轉向功能。3、 機器人的速度控制與後退控制單位時間內輸入脈衝數，可改變直線致動器33的伸縮速度，從而改變 蠕動速度；改變前艙磁控增阻模塊14,推進艙磁控增阻模塊34中磁場發生線圈14b、 34b導通與斷開次序，使機器人兩端摩擦力變化與前進時候相反，則機器 人後退。
權利要求
1、一種基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特徵在於機器人依次由前艙單元(1)、轉向單元(2)、推進單元(3)構成。其中前艙單元(1)包括診療模塊(13)和前艙磁控增阻模塊(14)；其中診療模塊(13)包括艙體(12)及封裝在艙體(12)內的醫療器械(13a)或/和攝像裝置(13b)或/和藥品容器(13c)；其中前艙磁控增阻模塊(14)安裝在診療模塊(13)後端，由芯體(14a)、磁場發生線圈(14b)、雙層橡膠膜(14c)、以及磁場控制功能材料(14d)組成，磁場發生線圈(14b)安裝在芯體(14a)上，裝有磁場控制功能材料(14d)的雙層橡膠膜(14c)覆蓋在磁場發生線圈(14b)外表面，並高於艙體(12)輪廓。其中推進單元(3)包括直線致動模塊(31)和推進艙磁控增阻模塊(34)；其中直線致動模塊(31)包括艙體(32)及封裝在艙體(32)內的直線致動器(33)，直線致動器(33)主軸在前端伸出；其中推進艙磁控增阻模塊(34)安裝在直線致動模塊(31)後端，由芯體(34a)、磁場發生線圈(34b)、雙層橡膠膜(34c)以及磁場控制功能材料(34d)組成，磁場發生線圈(34b)安裝在芯體(34a)上，裝有磁場控制功能材料(34d)的雙層橡膠膜(34c)覆蓋在磁場發生線圈(34b)外表面，並高於艙體(32)輪廓。其中轉向單元(2)兩端分別連接前艙單元(1)和推進單元(3)，並且它由至少二個形狀記憶合金彈簧(22)、聯接法蘭(23)和密封波紋管(24)組成；其中聯接法蘭(23)中心開有螺紋孔，與推進單元(3)的直線致動器(33)主軸輸出端配合，形狀記憶合金彈簧(22)一端固定在前艙單元(1)後端，另一端固定在聯接法蘭(23)前端，密封波紋管(24)將形狀記憶合金彈簧(22)、聯接法蘭(23)和直線致動器(33)密封起來。
2、 根據權利要求1所述的基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特 徵在於所述的磁場控制功能材料(14d、 34d)為磁粉。
3、 根據權利要求1所述的基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特 徵在於所述的磁場控制功能材料(14d、 34d)為磁流變液。
4、 根據權利要求1所述的基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特 徵在於所述的轉向單元(2)還包括球鉸(21),球鉸(21)—端連接在前艙磁控增 阻模塊(14)的芯體(14a)上，另 一端固定在聯接法蘭(23)上。
5、 根據權利要求1所述的基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特 徵在於所述的形狀記憶合金彈簧(22)呈圓周上對稱布置。
6、 根據權利要求1所述的基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特 徵在於前艙單元(1)的艙體(12)外部為圓柱形或流線型。
7、 根據權利要求1所述的基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特 徵在於該機器人通過外部電纜供能、控制與通訊。
8、 根據權利要求1所述的基於腹足動物運動機理的介入診療機器人，其特 徵在於該機器人封裝有帶蓄電池的動力模塊和具有無線通訊功能的控制模塊， 實現機器人的遙控及自主運動。
9、 一種基於腹足動物運動機理的介入診療機器人的運動方法，其特徵在於 U)、利用磁場控制功能材料在磁場作用下流變特性的變化效應，模擬腹足動物運動過程中的分泌液的作用U)、由芯體("a)、磁場發生線圏("b)、雙層橡膠膜(14c)、以及磁場控 制功能材料(14d)組成的前艙磁控增阻模塊(14)模擬腹足動物的腹足前部的運 動；(b)、由芯體(3化)、磁場發生線圈(3僕)、雙層橡膠膜(3牝)以及磁場控制 功能材料(34d)組成的推進艙磁控增阻模塊(34)模擬腹足動物的腹足後部的運 動；(B)、由至少二個形狀記憶合金彈簧(22)、聯接法蘭(23)和密封波紋管(24) 組成的轉向單元(2)模擬腹足動物的轉向運動；利用直線致動器(33)的直線伸縮 運動模擬腹足動物運動過程中肌肉的軸向波動(c)、機器人的前進運動前艙磁控增阻模塊(14)中磁場發生線圈(14b)斷電；推進艙磁控增阻模塊(34)中的磁場發生線圈(34b)通電，則芯體(34a)與雙層 橡膠膜(34c)內的磁場控制功能材料(34d)形成封閉磁路，磁場控制功能材料(34d) 固化，雙層橡膠膜(34c)外側與管腔壁嚙合，增大了摩擦力；直線致動器(33)主軸向外伸張，使機器人前艙單元(1)向前移動，而推進 單元(3)保持不動；直線致動器(33)主軸伸張量最大後，前艙磁控增阻模塊(14)中磁場發生線圈 (14b)通電，同理使磁場控制功能材料(14d)固化，雙層橡膠膜(14c)外側與管腔 壁嚙合，增大了摩擦力；推進艙磁控增阻模塊(34)中的磁場發生線圈(34b)斷電，則固化的磁場控制 功能材料(3化)液化，雙層橡膠膜(34c)外側與管腔壁不再咕合，減小了摩擦力；直線致動器(33)主軸收縮，推進單元(3)向前移動，前艙單元(l)保持不動， 直到直線致動器主軸收縮到最短位置，機器人完成一個蠕動周期；控制直線致動器(33)及磁場發生線圈("b、 3僕)重複上述過程，則機器 人進入下一個蠕動周期；(D) 、機器人的轉向轉向單元(2)的形狀記憶合金彈簧(22),在機器人直線蠕動時，起到前艙單元 (1)與推進單元(3)之間的柔性連接作用，當需要轉向時，控制某個或者某兩個形 狀記憶合金彈簧(22),由於電熱效應，形狀記憶合金彈簧(22)會變形，從而使前 艙單元(1)相對推進單元(3)偏轉一定角度，轉向完成後斷開電源，形狀記憶合金 彈簧(22)恢復原形，從而實現轉向功能；(E) 、機器人的速度控制與後退控制單位時間內輸入脈衝數，可改變直線致動器(33)的伸縮速度，從而改變 蠕動速度；改變前艙磁控增阻模塊(M)及推進艙磁控增阻模塊(34)中磁場發生線 圈(14b)、 (^b)導通與斷開次序，使機器人兩端摩擦力變化與前進時候相反，則 機器人後退。
全文摘要
一種基於腹足動物運動機理的介入診療機器人及其運動方法，屬於醫用微型機器人技術領域。它利用磁場控制功能材料在磁場作用下流變特性的變化效應，模擬腹足動物運動過程中的分泌液的作用。由芯體、磁場發生線圈、雙層橡膠膜、以及磁場控制功能材料組成的磁控增阻模塊模擬腹足動物的腹足前部和後部的運動；由形狀記憶合金彈簧、聯接法蘭和密封波紋管組成的轉向單元模擬腹足動物的轉向運動；利用直線致動器的直線伸縮運動模擬腹足動物運動過程中肌肉的軸向波動。該機器人能實現前進、轉向、後退運動，具有良好的抗流體衝擊能力和運動的低損傷的特點。
文檔編號A61B1/00GK101214137SQ200810019100
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優先權日2008年1月11日
發明者蔣素榮, 趙大旭, 柏 陳, 筍 陳 申請人:南京航空航天大學