專利名稱：利用sma特性驅(qū)動的腸道機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工程機器人技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種利用了 SMA的特性，在人體腸道 內(nèi)實現(xiàn)移動、完成檢測目的的腸道機器人。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的插入式內(nèi)窺鏡在插入操作過程中會給患者帶來不舒適感甚至創(chuàng)傷，也很難 進入腸道深部。隨著微創(chuàng)、無創(chuàng)成為消化道疾病診療的發(fā)展方向，腸道機器人的發(fā)明勢在必 行。目前已經(jīng)存在一些腸道機器人的發(fā)明構(gòu)想，從驅(qū)動的角度來說，包括有電磁驅(qū)動、壓電 驅(qū)動、微電機驅(qū)動、以生物為載體的生物體本身的運動等。如申請?zhí)枮?01010127993. 0的 中國發(fā)明專利“一種腸道診療機器人系統(tǒng)”中，就公開了一種采用黃鱔或者通過生物技術(shù)改 良后的黃鱔作為生物體，通過攝像裝置采集腸道內(nèi)的圖像，經(jīng)指定刺激電極對生物體進行 刺激以控制其前進、后退和停止，并且在腸道患處定點釋藥，實現(xiàn)進入腸道深部定點釋藥和 完成釋藥后主動退回到體外的系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以主動驅(qū)動的方式進入腸道定點釋藥、較 高的能量效率、以無創(chuàng)的體表刺激控制生物體運動的特點，但是由于該種方式是采用活的 生物體進入人體內(nèi)部來實現(xiàn)，一旦生物體失控，其造成的后果將非常嚴重，因此存在風險性 較高的弊端，同時其實施成本也較為昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，該腸道機器人結(jié) 構(gòu)簡單、驅(qū)動靈活、具有較高的運動精度。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的
該利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，包括運動部，所述運動部包括至少兩節(jié)蠕動段，依 次為第一蠕動段至第N蠕動段，N為大于1的整數(shù)；
每節(jié)蠕動段均包括兩個固定環(huán)架，兩個固定環(huán)架相對布置且固定環(huán)架之間通過SMA彈 性件相連接，所述SMA彈性件的彈性應(yīng)力方向沿兩個固定環(huán)架的中心點連接線朝向蠕動段 的兩端部；
在多節(jié)蠕動段之間，前一節(jié)蠕動段后部的固定環(huán)架與后一節(jié)蠕動段前部的固定環(huán)架相 連接，形成首尾相接的結(jié)構(gòu)，在兩者的連接處設(shè)置有沿圓周方向的絕緣環(huán)圈I，相鄰絕緣環(huán) 圈I之間設(shè)置有多根柔性絲撐，所述柔性絲撐的前、后端分別固定于相鄰的絕緣環(huán)圈I上且 沿兩個固定環(huán)架之間的環(huán)形面均勻分布，柔性絲撐的軸線與兩個固定環(huán)架的中心點連接線 相平行；
每節(jié)蠕動段均通過獨立的供電回路為該節(jié)蠕動段上的SMA彈性件供電，通電時，所述 SMA彈性件沿軸向內(nèi)收，分布于該蠕動段上的柔性絲撐形成向外部擴張的弓形結(jié)構(gòu)，以頂住 腸道實現(xiàn)固定。進一步，所述腸道機器人還包括導向部，所述導向部與運動部首尾相接，形成條狀 結(jié)構(gòu)；所述導向部包括前固定環(huán)架、后固定環(huán)架和彈性件，所述彈性件連接在前固定環(huán)架和后固定環(huán)架之間，所述彈性件的彈性應(yīng)力方向沿前、后固定環(huán)架的中心點連接線朝向?qū)?段的兩端部，所述導向部通過后固定環(huán)架與第一蠕動段前部的固定環(huán)架相連接，所述前固 定環(huán)架上設(shè)置有絕緣環(huán)圈II，所述絕緣環(huán)圈II與其相鄰的運動部上的絕緣環(huán)圈I之間設(shè)置 有多個SMA導向絲撐，所述SMA導向絲撐的前、后端分別固定于絕緣環(huán)圈II和與其相鄰的 絕緣環(huán)圈I上且沿絕緣環(huán)圈II和絕緣環(huán)圈I的圓周方向均勻分布，所述SMA導向絲撐的軸 線與運動部的中軸線相平行；
每根SMA導向絲撐均通過獨立的供電回路進行供電，通過控制不同SMA導向絲撐電源 通斷，實現(xiàn)前進角度的改變；
進一步，所述導向部的整體為流線形的子彈狀，由前固定環(huán)架至端部之間為截面逐漸 減小的圓滑過渡段；
進一步，所述腸道機器人采用內(nèi)置電池供電的方式，該內(nèi)置電池可以為蓄電池或生物 電池，設(shè)置在運動部的內(nèi)部空間內(nèi)，所述柔性絲撐至少有部分可以作為導線使用，該部分可 作為導線使用的柔性絲撐與所在蠕動段上的SMA彈性件共同組成通電回路； 進一步，所述運動部包括三節(jié)首尾依次相接的蠕動段；
進一步，所述每節(jié)蠕動段上的柔性絲撐為四根，相鄰柔性絲撐之間間隔的圓心角為 90° ；
進一步，所述SMA絲撐上均包裹有一層硅橡膠涂層；
進一步，所述SMA彈性件為利用SMA絲制成的壓縮彈簧；所述SMA導向絲撐為細徑的 SMA絲制成的壓縮彈簧；
進一步，在該圓滑過渡段的端部設(shè)置有檢測裝置，所述腸道機器人的尾部設(shè)置有給藥 裝置；
當然，所述腸道機器人還可以通過無線供電方式為各節(jié)蠕動段供電，該無線供電方式 是由設(shè)置在外部的電源，通過無線微波的方式將能量傳遞至腸道機器人內(nèi)部的能量接收裝 置中，由能量接收裝置轉(zhuǎn)換為電能。本發(fā)明的有益效果是
1.腸道機器人采用SMA驅(qū)動的方式，該驅(qū)動方式利用SMA(ShapeMemory Alloy，形狀記 憶合金)在不同溫度下發(fā)生一定的形變的原理，達到讓機器人按指定要求運動的效果，通過 類似蚯蚓蠕動的仿生學運動，在人體腸道內(nèi)進行無損傷、無刺激的長距離檢測，利用SMA驅(qū) 動的腸道機器人相比電磁驅(qū)動、壓電驅(qū)動、微電機驅(qū)動的機器人結(jié)構(gòu)而言，其結(jié)構(gòu)更為簡單 緊湊；相比于以生物為載體的機器人而言，其運動精度更高，操作更為簡單，風險也更?。?br> 2.該腸道機器人內(nèi)部的柔性絲撐不僅可以起到支撐的作用，另外還可以作為導線使 用，從而減少了裝置的布線量，降低了制作的難度，減少了成本，使結(jié)構(gòu)更為簡潔；
3.通過在SMA絲撐的表面覆蓋一層硅橡膠涂層，能夠增加SMA絲撐與人體腸道內(nèi)膜的 相容性，大大降低了人體的不舒適感。4.本發(fā)明的腸道機器人還可以采用無線給電控制的方式，從而避免了因為內(nèi)部電 池用盡導致操作無法進行的情況。本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并 且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)人員而言將是顯而易見的，或者可 以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書和權(quán)利要求書來實現(xiàn)和獲得。


為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進 一步的詳細描述，其中
圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明沿A向示意圖； 圖3為蠕動段內(nèi)部的柔性絲撐導線連接示意圖； 圖4為本發(fā)明的各段電路連接示意圖； 圖5為第一蠕動段SMA彈性件的通電形變狀態(tài)示意圖； 圖6為本發(fā)明的腸道機器人運動狀態(tài)下的運動簡圖。
具體實施例方式以下將參照附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述。應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例 僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。如圖1和圖2所示，該腸道機器人主要包括了檢測裝置8和運動部，作為進一步的 改進，本實施例中還增加了與運動部相連接的導向部；
運動部包括了三節(jié)蠕動段，依次為第一蠕動段至第三蠕動段，當然，該蠕動段的數(shù)目可 以根據(jù)實際需要進行調(diào)整，一般而言，該數(shù)目應(yīng)該控制在2 10的范圍內(nèi)。每節(jié)蠕動段均包括兩個固定環(huán)架2，兩個固定環(huán)架2相對布置且固定環(huán)架2之間通 過SMA彈性件4相連接，SMA彈性件的彈性應(yīng)力方向沿兩個固定環(huán)架的中心點連接線朝向 蠕動段的兩端部；本實施例中，SMA彈性件4為利用SMA絲制成的壓縮彈簧。在多節(jié)蠕動段之間，前一節(jié)蠕動段后部的固定環(huán)架與后一節(jié)蠕動段前部的固定環(huán) 架相連接，形成首尾相接的結(jié)構(gòu)，在兩者的連接處設(shè)置有沿圓周方向的絕緣環(huán)圈I 11，相鄰 絕緣環(huán)圈I 11之間設(shè)置有多根柔性絲撐(相鄰絕緣環(huán)圈I 11上的柔性絲撐也可以認為是 屬于該節(jié)蠕動段上的柔性絲撐)，柔性絲撐3的前、后端分別固定于相鄰的絕緣環(huán)圈I 11上 且沿兩個固定環(huán)架2的圓周方向均勻分布，柔性絲撐3的軸線與兩個固定環(huán)架2的中心點 連接線相平行，本實施例中，每節(jié)蠕動段上的柔性絲撐3為四根，相鄰柔性絲撐3之間間隔 的圓心角為90° ；絕緣環(huán)圈I 11的作用在于確保相鄰蠕動段之間不會發(fā)生串電現(xiàn)象。另外，作為進一步的改進，柔性絲撐3上均包裹有一層硅橡膠涂層，能夠增加絲撐 與人體腸道內(nèi)膜的相容性，大大降低了人體的不舒適感。每節(jié)蠕動段均通過獨立的供電回路為該節(jié)蠕動段上的SMA彈性件4供電，通電時， 所述SMA彈性件4沿軸向內(nèi)收，分布于該蠕動段上的柔性絲撐3形成向外部擴張的弓形結(jié) 構(gòu)，以頂住腸道實現(xiàn)固定。作為進一步的改進，本發(fā)明的腸道機器人還包括導向部，導向部與運動部首尾相 接，形成條狀結(jié)構(gòu)；導向部包括前固定環(huán)架5、后固定環(huán)架6和彈性件7，彈性件7連接在前 固定環(huán)架5和后固定環(huán)架6之間，彈性件7的彈性應(yīng)力方向沿前、后固定環(huán)架的中心點連接 線朝向?qū)蚨蔚膬啥瞬浚瑢虿客ㄟ^后固定環(huán)架6與第一蠕動段前部的固定環(huán)架2相連接， 前固定環(huán)架5上設(shè)置有絕緣環(huán)圈II 12，絕緣環(huán)圈II 12與其相鄰的運動部上的絕緣環(huán)圈I11之間設(shè)置有多個SMA導向絲撐10，SMA導向絲撐10的前、后端分別固定于絕緣環(huán)圈II 12和與其相鄰的絕緣環(huán)圈I 11上且沿絕緣環(huán)圈II 12和絕緣環(huán)圈I 11的圓周方向均勻分 布，所述SMA導向絲撐10的軸線與運動部的中軸線相平行。每根SMA導向絲撐10均通過獨立的供電回路進行供電，通過控制不同SMA導向絲 撐10電源通斷，實現(xiàn)前進角度的改變。導向部的整體為流線形的子彈狀，由前固定環(huán)架至端部之間為截面逐漸減小的圓 滑過渡段，這一設(shè)計大大減少了裝置前進的阻力，能夠使裝置在人體內(nèi)的前進更為順暢，對 人體腸道的刺激更小。作為進一步的改進，在該圓滑過渡段的端部可以設(shè)置有檢測裝置或 者給藥裝置，當然也可以在端部設(shè)置檢測裝置，在機器人的尾部設(shè)置給藥裝置，以滿足醫(yī)用 檢測和治療的需要。本實施例中，腸道機器人采用內(nèi)置電池供電的方式，該內(nèi)置電池可以為蓄電池或 生物電池，設(shè)置在運動部的內(nèi)部空間內(nèi)，如圖3所示，柔性絲撐3有部分為導電體，該部分柔 性絲撐3通過導線連接可與所在蠕動段上的SMA彈性件4共同組成通電回路，而另一部分 不能導電的柔性絲撐只是起到單純的支撐作用，用于保證受力平衡。如圖4所示，每一 SMA彈性件4均可視為獨立的電阻(即圖中的Rl、R2、R3 )，而彈性 件7可視為獨立的電阻R14，四個SMA導向絲撐10可視為獨立的電阻R10、R11、R12和R13。 作為其中的一種實施方式，在第一蠕動段上，有三根柔性絲撐可以作為導電體使用，分別記 為R4、R5和R6，在第二蠕動段上，有兩根柔性絲撐可以作為導電體使用，分別記為R7和R8， 在第三蠕動段上，有一根柔性絲撐可以作為導電體使用，記為R9，其中，R3和R4通過導線串 聯(lián)在一起組成第一蠕動段的通電回路Al，R5、R2、R8和R4通過導線串聯(lián)在一起組成第二蠕 動段的通電回路A2，R6、R7、RU R9、R8和R4通過導線串聯(lián)在一起組成第三蠕動段的通電 回路A3。另外，作為其中的一種實施方式，在導向段上，R10、R11、R12和R13分別與R14串 聯(lián)，組成四個不同的通電回路，通過控制四個不同通電回路的通、斷電，實現(xiàn)角度偏轉(zhuǎn)，完成 導向。整個裝置的電壓控制是通過電源控制芯片控制微型開關(guān)的通斷完成，該微型開關(guān) 設(shè)置在不同通電回路與內(nèi)置電池的電源輸出端之間。當然，該電源控制芯片還可以進行電 池電量監(jiān)測、故障報警等工作。該電源控制芯片通過無線或有線的方式從外部接收控制指 令，當接收到控制某蠕動段前進的指令后，該蠕動段上的SMA彈性件將接通電源，從而發(fā)生 軸向收縮，柔性絲撐3將形成向外部擴張的弓形結(jié)構(gòu)，以頂住腸道，起到支撐作用，將機器 人整體卡在腸道內(nèi)，如圖5就表示出了第一蠕動段上的SMA彈性件通電發(fā)生形變的狀態(tài)。而通過給不同蠕動段上的SMA彈性件通電，腸道機器人將按一定的規(guī)律向前運 動，如圖6所示，該圖為機器人從左至右運動的運動簡圖，其中S為一個運動周期機器人運 動的位移。第I階段是初始階段，各段均無變化；第II階段中，第一蠕動段通電，整體向右 縮進一段距離1/3 S;第III階段中，第二蠕動段通電，整體向右縮進一段距離2/3 S;第IV 階段中，第三蠕動段通電，整體向右縮進一段距離S;第V階段中，第一蠕動段失電，回復原 狀，裝置整體等于向右前進一段距離1/3 S ；第VI階段中，第二蠕動段失電，回復原狀，裝置 整體等于向右前進一段距離2/3 S;第VII階段中，第三蠕動段失電，回復原狀，裝置整體等 于向右前進了一段距離S。通過交替通、斷，裝置實現(xiàn)向前運動。導向部的轉(zhuǎn)向原理也是一樣的，通過給不同的SMA導向絲撐給電，將使導向部的偏轉(zhuǎn)角度發(fā)生變化，從而改變方向。本發(fā)明的腸道機器人還可以通過無線供電方式為各節(jié)蠕動段供電，該無線供電方 式是由設(shè)置在外部的電源，通過無線微波的方式將能量傳遞至腸道機器人內(nèi)部的能量接收 裝置中，由能量接收裝置轉(zhuǎn)換為電能。該方式可以獨立使用，也可以與前述的獨立電源有線 供電的方式(如內(nèi)置電池)配合使用，避免因為內(nèi)部電池能量用盡而導致的操作無法進行的 情況。最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當理解，可以對本發(fā)明的技 術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明 的權(quán)利要求范圍當中。
權(quán)利要求
1.利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述腸道機器人包括運動部，所述運 動部包括至少兩節(jié)蠕動段，依次為第一蠕動段至第N蠕動段，N為大于1的整數(shù)；每節(jié)蠕動段均包括兩個固定環(huán)架(2)，兩個固定環(huán)架(2)相對布置且固定環(huán)架(2)之間 通過SMA彈性件(4)相連接，所述SMA彈性件(4)的彈性應(yīng)力方向沿兩個固定環(huán)架的中心點 連接線朝向蠕動段的兩端部；在多節(jié)蠕動段之間，前一節(jié)蠕動段后部的固定環(huán)架與后一節(jié)蠕動段前部的固定環(huán)架相 連接，形成首尾相接的結(jié)構(gòu)，在兩者的連接處設(shè)置有沿圓周方向的絕緣環(huán)圈I (11)，相鄰絕 緣環(huán)圈I (11)之間設(shè)置有多根柔性絲撐，所述柔性絲撐(3)的前、后端分別固定于相鄰的 絕緣環(huán)圈I (11)上且沿兩個固定環(huán)架(2)之間的環(huán)形面均勻分布，柔性絲撐(3)的軸線與 兩個固定環(huán)架(2)的中心點連接線相平行；每節(jié)蠕動段均通過獨立的供電回路為該節(jié)蠕動段上的SMA彈性件(4)供電，通電時，所 述SMA彈性件(4)沿軸向內(nèi)收，分布于該蠕動段上的柔性絲撐(3)形成向外部擴張的弓形結(jié) 構(gòu)，以頂住腸道實現(xiàn)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述腸道機 器人還包括導向部，所述導向部與運動部首尾相接，形成條狀結(jié)構(gòu)；所述導向部包括前固定 環(huán)架(5)、后固定環(huán)架(6)和彈性件(7)，所述彈性件(7)連接在前固定環(huán)架(5)和后固定環(huán) 架(6)之間，所述彈性件(7)的彈性應(yīng)力方向沿前、后固定環(huán)架的中心點連接線朝向?qū)蚨?的兩端部，所述導向部通過后固定環(huán)架(6)與第一蠕動段前部的固定環(huán)架(2)相連接，所述 前固定環(huán)架(5)上設(shè)置有絕緣環(huán)圈II (12)，所述絕緣環(huán)圈II (12)與其相鄰的運動部上的 絕緣環(huán)圈I (11)之間設(shè)置有多個SMA導向絲撐(10)，所述SMA導向絲撐(10)的前、后端分 別固定于絕緣環(huán)圈II (12)和與其相鄰的絕緣環(huán)圈I (11)上且沿絕緣環(huán)圈II (12)和絕 緣環(huán)圈I (11)的圓周方向均勻分布，所述SMA導向絲撐(10)的軸線與運動部的中軸線相 平行。每根SMA導向絲撐(10 )均通過獨立的供電回路進行供電，通過控制不同SMA導向絲撐 (10)電源通斷，實現(xiàn)前進角度的改變。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述導向部 的整體為流線形的子彈狀，由前固定環(huán)架至端部之間為截面逐漸減小的圓滑過渡段。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述 腸道機器人采用內(nèi)置電池供電的方式，該內(nèi)置電池可以為蓄電池或生物電池，設(shè)置在運動 部的內(nèi)部空間內(nèi)，所述柔性絲撐(3)至少有部分可以導電，該部分可以導電的柔性絲撐(3) 通過導線連接與所在蠕動段上的SMA彈性件(4)共同組成通電回路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述運動部 包括三節(jié)首尾依次相接的蠕動段。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述每節(jié)蠕 動段上的柔性絲撐(3)為四根，相鄰柔性絲撐(3)之間間隔的圓心角為90°。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述SMA絲 撐(3)上均包裹有一層硅橡膠涂層。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述SMA彈 性件(4)為利用SMA絲制成的壓縮彈簧，所述SMA導向絲撐(10)為細徑的利用SMA絲制成的壓縮彈簧。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于在該圓滑過 渡段的端部設(shè)置有檢測裝置(8)，所述腸道機器人的尾部設(shè)置有給藥裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，其特征在于所述腸道 機器人還可以通過無線供電方式為各節(jié)蠕動段供電，該無線供電方式是由設(shè)置在外部的電 源，通過無線微波的方式將能量傳遞至腸道機器人內(nèi)部的能量接收裝置中，由能量接收裝 置轉(zhuǎn)換為電能，該方式可以獨立使用，也可以與前述的獨立電源有線供電的方式配合使用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用SMA特性驅(qū)動的腸道機器人，包括運動部，運動部包括至少兩節(jié)蠕動段，每節(jié)蠕動段均包括兩個固定環(huán)架，兩個固定環(huán)架相對布置且固定環(huán)架之間通過SMA彈性件相連接，在多節(jié)蠕動段之間，前一節(jié)蠕動段后部的固定環(huán)架與后一節(jié)蠕動段前部的固定環(huán)架相連接，形成首尾相接的結(jié)構(gòu)，在兩者的連接處設(shè)置有沿圓周方向的絕緣環(huán)圈I，相鄰絕緣環(huán)圈I之間設(shè)置有多根柔性絲撐，本發(fā)明的腸道機器人采用SMA驅(qū)動的方式，達到讓機器人按指定要求運動的效果，在人體腸道內(nèi)進行無損傷、無刺激的長距離檢測，相比電磁驅(qū)動、壓電驅(qū)動、微電機驅(qū)動的機器人結(jié)構(gòu)而言，其結(jié)構(gòu)更為簡單緊湊；相比于以生物為載體的機器人而言，其運動精度更高，操作更簡單，風險更小。
文檔編號A61B5/07GK102068258SQ20101060854
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者侯文生, 廖彥劍, 楊軍, 羅洪艷, 鄭小林, 高翾 申請人:重慶大學