專利名稱：面向人體內(nèi)腔細(xì)小管道的微型機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用微型機(jī)器人，特別涉及一種面向人體內(nèi)腔細(xì)小管道的微型機(jī)器人。
背景技術(shù)：
微創(chuàng)外科醫(yī)療技術(shù)是當(dāng)今國際上的一個(gè)研究熱點(diǎn)。微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)興起于20 世紀(jì)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(jī)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(duì)微創(chuàng)外科醫(yī)療手術(shù)的研究主要從兩方面進(jìn)行一是改進(jìn)傳統(tǒng)的醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)，將系統(tǒng)進(jìn)一步微型化；二是改進(jìn)醫(yī)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)進(jìn)入人體內(nèi)腔的驅(qū)動(dòng)方式。對(duì)于人體胃腸道而言，Wiee等人研制了仿蜥蜴行走的“內(nèi)窺爬行者”機(jī)器人(Kassim I，Phee L，Wan S，et al. Locomotion techniques for roboticcolonoscopy[J]. IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine. 2006(6) :49-56.)，EugeneCheung 等人研究出一種蠕動(dòng)內(nèi)窺鏡機(jī)器人(Eugene Cheung, Sukho Park, Byungkyu Kim, et al.A new endoscopic microcapsule robot using beetle inspired microfibrillar adhesives. Proceedings ofthe 2005 IEEE/ ASME International Conference on Advanced Intelligent MechatronicsMonterey, California, USA, 2005，July, 24-28.)，國內(nèi)浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)、大連理工大學(xué)等提出了各種胃腸道內(nèi)窺鏡機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)于血管機(jī)器人而言，瑞典科學(xué)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(xì)胞介質(zhì)中捕捉和移動(dòng)單個(gè)細(xì)胞的血管內(nèi)微型機(jī)器人(E. W. H. Jager, 0. Inganas, I. Lundstrom. Microrobots for Micrometer-Size Objects inAqueous Media !Potential Tools for Single-Cell Manipulation[J]. Science, 2000,288(5475) :2335-2338.),日本科學(xué)家提出了一種基于外磁場驅(qū)動(dòng)的外形尺寸為 0. 5mmX 8mm 的螺方寵式游動(dòng)機(jī)器人(Ishiyama K, Sendoh M, Yamazaki A, et al. Swimming of magnetic micro-machinesunder 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(xué)研制了基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的血管微型機(jī)器人(陳柏，蔣素榮，陳筍，等.基于精子運(yùn)動(dòng)機(jī)理的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)的介入診療系統(tǒng)及其實(shí)現(xiàn)方法[P].中國專利200910035487， 2010-04-07)，中國科學(xué)院設(shè)計(jì)了一種可在非磁性細(xì)小管路直行和轉(zhuǎn)向的仿趨磁細(xì)菌的微型機(jī)器人(楊岑玉，王錚，王金光，等.仿趨磁細(xì)菌的微型機(jī)器人研究[J].機(jī)器人，2009， 31 (2) :146-150.)。總之，國內(nèi)、外已經(jīng)研究了各種醫(yī)用微型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方法及裝置，但也存在一些缺陷一是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)與內(nèi)腔管壁接觸，容易對(duì)人體有機(jī)組織造成損傷；二是機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本高；三是機(jī)器人需要外磁場驅(qū)動(dòng)，不易操作。CN1225523號(hào)專利中公開了一種醫(yī)用微型機(jī)器人的體內(nèi)驅(qū)動(dòng)方法及其驅(qū)動(dòng)器。該驅(qū)動(dòng)器采用了一個(gè)帶螺旋槽的圓柱形微電機(jī)、一個(gè)帶螺旋槽的圓柱體和一個(gè)柔性聯(lián)軸器。 但上述結(jié)構(gòu)存在體積過大，微電機(jī)和圓柱體外徑必須相同，運(yùn)動(dòng)過程液體阻力過大，在機(jī)器人懸浮厚度較小的情況下微電機(jī)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(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種面向人體內(nèi)腔細(xì)小管道(如大動(dòng)脈、尿道等)的微型機(jī)器人。該機(jī)器人體積微小，結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動(dòng)力大，機(jī)器人外殼轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)，能夠在充滿液體的細(xì)小管道中懸浮運(yùn)行，并且實(shí)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(xì)小管道的微型機(jī)器人，所述機(jī)器人包括機(jī)體內(nèi)螺旋軸，所述機(jī)體內(nèi)螺旋軸是中空的，且在所述機(jī)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(jī)體內(nèi)螺旋軸固接；機(jī)體外螺旋殼，所述機(jī)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(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，其中所述永磁鐵和所述線圈組成微電機(jī)， 兩者之間采用滾動(dòng)軸承支撐。優(yōu)選地，所述機(jī)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(xì)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(xì)小管道的微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方法，當(dāng)微電機(jī)通電時(shí)，因機(jī)體內(nèi)螺旋軸部分慣性較大，機(jī)體外螺旋殼首先旋轉(zhuǎn)，迫使內(nèi)腔黏液產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，其反作用力推動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，作用在所述機(jī)體外螺旋殼增大的內(nèi)腔黏液阻力將迫使所述機(jī)體內(nèi)螺旋軸反向旋轉(zhuǎn)，迫使軸內(nèi)黏液產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，其反作用力也作用于機(jī)器人，從而利用在液體環(huán)境中的機(jī)器人機(jī)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(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，并且通過改變微電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，能夠改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向。調(diào)整機(jī)體內(nèi)螺旋軸和機(jī)體外螺旋殼的質(zhì)量比，能夠改變機(jī)體內(nèi)螺旋軸和機(jī)體外螺旋殼的旋轉(zhuǎn)速度。由于機(jī)器人機(jī)體外螺旋殼與內(nèi)腔管壁之間液體的動(dòng)壓效應(yīng)，在機(jī)器人外殼和內(nèi)腔管壁之間形成一層動(dòng)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(diǎn)和有益效果1.本發(fā)明的機(jī)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(xì)小管道中懸浮運(yùn)行，減少了對(duì)人體造成的損傷，同時(shí)可以進(jìn)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(jī)器人機(jī)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(jī)器人內(nèi)部微電機(jī)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(jī)器人可調(diào)整機(jī)體內(nèi)螺旋軸部分和機(jī)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(duì)機(jī)器人推動(dòng)力的情況下，最大限度地減少機(jī)器人靠近內(nèi)腔管壁時(shí)外螺旋殼高速旋轉(zhuǎn)可能對(duì)內(nèi)腔管壁造成的損傷。4.本發(fā)明的機(jī)器人可改變機(jī)器人系統(tǒng)體積使得機(jī)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(jī)器人機(jī)體內(nèi)軸螺旋槽，機(jī)體外殼采用光滑生物柔性材料，同樣可以驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

圖1是本發(fā)明的面向人體內(nèi)腔細(xì)小管道的微型機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖。附圖標(biāo)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(jī)體內(nèi)螺旋軸，7-機(jī)體外螺旋殼，8-滾動(dòng)軸承。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。如圖1所示，在一個(gè)實(shí)施例中，面向人體內(nèi)腔細(xì)小管道的微型機(jī)器人包括機(jī)體內(nèi)螺旋軸6，該機(jī)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(jī)體內(nèi)螺旋軸6的線圈3 ；機(jī)體外螺旋殼7，該機(jī)體外螺旋殼7的外表面帶有右螺旋槽；固接于機(jī)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(jī)器人的動(dòng)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(jī)，兩者之間采用滾動(dòng)軸承8支撐。此外，機(jī)器人還可以包括連通微電池4以拍攝人體內(nèi)腔細(xì)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(jī)體的頭部。在本實(shí)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(dāng)然在其他實(shí)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(shí)施例中，機(jī)體內(nèi)螺旋軸6的左螺旋槽和機(jī)體外螺旋殼7的右螺旋槽的牙形是梯形的。當(dāng)然在其他實(shí)施例中，機(jī)體內(nèi)螺旋軸6的左螺旋槽和機(jī)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(dāng)微電機(jī)開始通電時(shí)，因機(jī)體內(nèi)螺旋軸上固定了微電池4等模塊，慣性較大，機(jī)體外螺旋殼高速旋轉(zhuǎn)，迫使內(nèi)腔黏液產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，其反作用力推動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，作用在機(jī)體外螺旋殼增大的內(nèi)腔黏液阻力將迫使機(jī)體內(nèi)螺旋軸反向旋轉(zhuǎn)，迫使軸內(nèi)黏液產(chǎn)生軸向運(yùn)動(dòng)，其反作用力也作用于機(jī)器人。因?yàn)闄C(jī)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(duì)它們的反作用力方向相同，從而實(shí)現(xiàn)無論是外殼還是內(nèi)軸旋轉(zhuǎn)，均可使機(jī)器人有相同方向的推進(jìn)力。由于內(nèi)腔黏液的動(dòng)壓效應(yīng)，將在機(jī)器人機(jī)體外螺旋殼7和內(nèi)腔管壁5之間形成一層動(dòng)壓潤滑黏液膜，使得機(jī)器人處于懸浮狀態(tài)，從而達(dá)到無損傷驅(qū)動(dòng)的目的。改變機(jī)器人機(jī)體外殼和內(nèi)軸的旋轉(zhuǎn)方向，可以改變機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向。調(diào)整機(jī)體內(nèi)螺旋軸部分和機(jī)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(qǐng)的面向人體內(nèi)腔細(xì)小管道的微型機(jī)器人的成像模塊拍攝到的人體內(nèi)腔細(xì)小管道內(nèi)部的情況來診斷人體內(nèi)腔細(xì)小管道是否發(fā)生病變，也可以在該微型機(jī)器人上攜帶一些藥物進(jìn)行定點(diǎn)投放以達(dá)到治療的目的。在一個(gè)仿真試驗(yàn)中，根據(jù)人體主動(dòng)脈實(shí)際的尺寸和血管內(nèi)液體環(huán)境，設(shè)定血液密度為1053. lkg/m3，血液動(dòng)力黏度為0. 0045135Pa · s，主動(dòng)脈直徑為11mm，長度為75mm ；機(jī)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(dǎo)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(jī)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(dǎo)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(jī)體外殼7的轉(zhuǎn)速為lOOOr/min (正轉(zhuǎn))，機(jī)體內(nèi)軸6的轉(zhuǎn)速為-200r/min(反轉(zhuǎn))，機(jī)器人以20mm/s的速度沿血管中心軸線作直線運(yùn)動(dòng)。 運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)方法，數(shù)值計(jì)算了機(jī)器人在血管內(nèi)運(yùn)行時(shí)血液的三維流場，從而得到血液對(duì)機(jī)器人的推進(jìn)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(duì)于機(jī)體內(nèi)軸，機(jī)體外殼轉(zhuǎn)速的增加更有利于機(jī)器人推進(jìn)力的增大，但也增大了血管壁所受的最大壓力；在機(jī)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(gè)實(shí)施方式中，中空的機(jī)體內(nèi)螺旋軸6的內(nèi)表面上可以帶有右螺旋槽，機(jī)體外螺旋殼7的外表面上可以帶有左螺旋槽，同樣能夠達(dá)成上述效果。
權(quán)利要求1.一種面向人體內(nèi)腔細(xì)小管道的微型機(jī)器人，其特征在于，所述機(jī)器人包括 機(jī)體內(nèi)螺旋軸(6)，所述機(jī)體內(nèi)螺旋軸(6)是中空的，且在所述機(jī)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(jī)體內(nèi)螺旋軸(6)固接； 機(jī)體外螺旋殼(7)，所述機(jī)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O)，所述永磁鐵( 與帶有第二螺旋槽的所述機(jī)體外螺旋殼(7)固接， 微電池G)，所述微電池⑷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G)，以體外無線控制所述機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，其中所述永磁鐵( 和所述線圈C3)組成微電機(jī)，兩者之間采用滾動(dòng)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(xì)小管道的微型機(jī)器人，其特征在于，所述機(jī)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G)，用于拍攝人體內(nèi)腔細(xì)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(xì)小管道的微型機(jī)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(xì)小管道的微型機(jī)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(xì)小管道的微型機(jī)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(xì)小管道的微型機(jī)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(xì)小管道的微型機(jī)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。
專利摘要一種面向人體內(nèi)腔細(xì)小管道的微型機(jī)器人，其特征在于，所述機(jī)器人包括機(jī)體內(nèi)螺旋軸(6)，所述機(jī)體內(nèi)螺旋軸(6)是中空的，且在所述機(jī)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(jī)體內(nèi)螺旋軸(6)固接；機(jī)體外螺旋殼(7)，所述機(jī)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(jī)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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，其中所述永磁鐵(2)和所述線圈(3)組成微電機(jī)，兩者之間采用滾動(dòng)軸承(8)支撐。
文檔編號(hào)A61B1/04GK202136314SQ20112025906
公開日2012年2月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:長沙學(xué)院