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一种磁控主动运动活检胶囊机器人及其工作方法

2021-02-02 00:57:38

一种磁控主动运动活检胶囊机器人及其工作方法

　　技术领域

　　本发明涉及工业、医疗设备技术领域，主要适用于由于胃肠道疾病的活检技术，尤其是一种磁控主动运动活检胶囊机器人及其工作方法。

　　背景技术

　　当代生活节奏的加快和人类饮食习惯的改变，消化道疾病日益成为严重威胁我们身体健康的主要因素。传统内窥镜作为消化道临床检查的重要方法，但是可达性差，疼痛不适感会造成病人对医学治疗的恐惧，而且功能单一，运动依靠消化道的蠕动被动运动。活检作为临床的最后诊断对绝大多数送检病例都能做出明确的组织病理学诊断。整个活检过程需确保准确稳定，避免对患者造成伤害的同时保证取样部位的正确性。现有的活检机制如何在不增加能耗的前提下完成组织取样并且有效停止仍然是一项挑战的工作。

　　发明内容

　　本发明的目的在于提供一种磁控主动运动活检胶囊机器人及其工作方法，它能够解决现有技术的不足，锚定机构和活检机构通过磁开关控制，能够旋转和采样多次，磁开关是通过外部磁场控制的，这意味着消除了能量方面的限制，操作简单具有广阔的应用前景。

　　本发明的技术方案是：一种磁控主动运动活检胶囊机器人，它包括三轴亥姆霍兹线圈和胶囊机器人部分，所述胶囊机器人放置于三轴亥姆霍兹线圈的几何中心；所述三轴亥姆霍兹线圈发出驱动和控制信号，控制胶囊机器人部分的动作；

　　所述三轴亥姆霍兹线圈产生方向磁场或空间万向旋转磁场；三轴亥姆霍兹线圈接收直流信号时，三轴亥姆霍兹线圈产生方向磁场；三轴亥姆霍兹线圈接收交流信号时，三轴亥姆霍兹线圈产生空间万向旋转磁场；

　　所述胶囊机器人部分包括磁开关、可活动主体部分、不可活动主体部分、锚定机构、活检机构、胶囊型头部；所述磁开关安装于可活动主体部分与不可活动主体部分连接构成的机器人主体内部，所述磁开关为与机器人主体同轴的径向磁化的环形铷铁硼永磁铁,包括能够轴向运动而不能够径向旋转的磁铁，和能够径向旋转但是不能够轴向运动的磁铁；所述能够轴向运动而不能够径向旋转的磁铁安装在可活动主体部分内，与锚定机构连接；所述能够径向旋转但是不能够轴向运动磁铁安装在不可活动主体部分内，与活检机构连接；所述锚定机构与可活动主体部分及胶囊型头部连接；所述胶囊型头部的底部为通过可活动主体部分及能够轴向运动而不能够径向旋转的磁铁的内孔的轴，轴的另一端固定于活检机构的顶部。

　　所述径向旋转即为磁铁以机器人主体的中心轴为轴旋转，所述轴向运动即为磁铁沿机器人主体的中心轴方向运动。

　　所述可活动主体部分和不可活动主体部分的外表面设置螺旋凹槽，三轴亥姆霍兹线圈产生的旋转磁场的方向和螺旋凹槽的螺旋方向共同决定胶囊机器人的运动方向。

　　所述能够径向旋转但是不能够轴向运动磁铁安装在直径小于磁铁内环直径的不可活动主体部分的固定轴上，磁铁能够围绕固定轴旋转。

　　所述锚定机构由若干个伞状锚定结构与机器人主体同轴心周向排列组成；所述锚定结构包括保护壳和连杆，保护壳通过连杆分别与可活动主体部分及胶囊型头部连接；所述保护壳与机器人主体同轴心周向排列，保护壳在闭合状态下的外直径等于所诉胶囊机器人主体的外直径。

　　所述保护壳的内层设计有固定支架，通过轴连接将固定支架的孔和两个连杆的一端连接，其中一个连杆的另一端与胶囊型头部的固定架轴连接，另一个连杆的另一端与可活动主体部分的固定支架轴连接。

　　所述活检机构由密封舱、偏心曲柄滑块机构、齿条、齿轮和两个活检钳构成；偏心曲柄滑块机构与能够径向旋转但是不能够轴向运动磁铁连接；所述密封舱、齿条、齿轮、活检钳、偏心曲柄滑块机构内置于不可活动主体部分；所述齿轮通过轴安装在不可活动主体部分上，活检钳安装在齿轮上，齿轮与齿条啮合，齿条安装在偏心曲柄滑块机构上；所述密封舱是由活检钳闭合状态下组成的封闭空间。

　　所述偏心曲柄滑块机构通过磁铁盖子与能够径向旋转但是不能够轴向运动磁铁连接；所述磁铁盖子固定在能够径向旋转但是不能够轴向运动磁铁的上表面，偏心曲柄滑块机构安装在磁铁盖子上。

　　所述偏心曲柄滑块机构由曲柄、连杆、滑块组成；所述曲柄与磁铁盖子轴连接，曲柄与连杆轴连接，滑块与连杆连接；所述齿条固定在滑块上；所述滑块限制在不可活动主体部分的导路内做直线运动。

　　所述活检机构的顶部安装活检机构盖子，胶囊型头部的轴固定于活检机构盖子的凹槽内。

　　所述胶囊型头部的头端即胶囊机器人的头端为弧面的胶囊型；所述不可活动主体部分的尾部即胶囊机器人的尾部为平面型。

　　所述三轴亥姆霍兹线圈由空间内相互正交的三组半径等于各组线圈中心之间距离的圆形线圈组成。

　　所述磁控主动运动活检胶囊机器人的工作方法，包括以下步骤：

　　（1）向三轴亥姆霍兹线圈输入直流信号时，三轴亥姆霍兹线圈产生方向磁场；此方向磁场作用于磁铁的磁力矩大于磁开关的内部磁铁之间的相互作用力，能够径向旋转但是不能够轴向运动的磁铁相对于外磁场表现为相同的极性发生旋转；所述磁开关的内部磁铁之间的相对极性发生转变，相互作用力由吸引力转变为排斥力，能够轴向运动而不能够径向旋转的磁铁轴向运动，磁开关的内部磁铁由于磁极作用分开，磁开关激活；

　　（2）停止向三轴亥姆霍兹线圈输入直流信号时，此时不存在方向磁场，磁开关的内部磁铁之间的相互作用力由排斥力转变为吸引力，磁开关闭合；

　　（3）所述磁开关激活或闭合过程中，可轴向运动不能够径向旋转的磁铁表现出轴线运动，带动磁控主动运动多功能胶囊机器人可活动主体部分运动；进一步带动与所述磁控主动运动活检机器人的可活动主体部分轴连接在一起的锚定机构运动；进一步带动与所述胶囊型头部运动；

　　（4）所述磁开关激活或闭合的过程中，能够径向旋转但是不能够轴向运动的磁铁旋转带动带动偏心曲柄滑块机构转动；进一步偏心曲柄滑块机构将磁铁的旋转运动转变为偏心曲柄滑块机构滑块的直线运动；进一步带动所述齿条做直线运动；进一步带动一个齿轮顺时针或逆时针旋转，另一个齿轮逆时针或顺时针旋转；进一步带动所述活检钳打开或闭合；

　　（5）三轴亥姆霍兹线圈接收交流信号时，三轴亥姆霍兹线圈产生空间万向旋转磁场；胶囊机器人根据输入旋转磁场的方向与所述主动运动活检机器人可活动主体部分和不可活动主体部分螺旋凹槽方向继续向前或向后运动。

　　本发明的有益效果是： 1. 本发明能够通过外磁场主动控制胶囊机器人运动方向；2. 本发明能够通过外磁场主动控制胶囊机器人活检功能的激活与闭合； 3. 所述磁开关能够同时控制胶囊机器人的运动方向和锚定活检功能模块的激活与闭合；4.本发明利用偏心曲柄滑块机构将外磁场与磁控主动运动活检胶囊机器人内置磁铁耦合产生的磁力矩转变为活检切削力；5. 本发明所有的控制通过磁控制，不增加胶囊机器人额外能耗；6. 本发明操作方便，能够使检测与治疗手段更加灵活。

　　附图说明

　　图1为本发明所涉的整体控制方法示意图。

　　图2为本发明所涉的三轴亥姆霍兹线圈示意图。

　　图3为本发明所涉的磁控主动运动活检胶囊机器人未激活状态结构示意图。

　　图4为本发明所涉的磁控主动运动活检胶囊机器人可活动部分示意图。

　　图5为本发明所涉的磁控主动运动活检胶囊机器人头部部分示意图。

　　图6为本发明所涉的磁控主动运动活检胶囊机器人活检机构盖子示意图。

　　图7为本发明所涉的磁控主动运动活检胶囊机器人不可活动主体部分示意图。

　　图8为本发明所涉的磁控主动运动活检胶囊机器人激活状态结构示意图。

　　图9-1、图9-2为本发明所涉的锚定结构变形示意图。

　　图10-1、图10-2、图10-3、图10-4、图10-5为本发明所涉的活检机构变形示意图。

　　图11为本发明所涉的曲柄滑块机构示意图。

　　具体实施方式

　　实施例：为了进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹举例以下实施例，并配合附图详细说明如下：

　　一种磁控主动运动活检胶囊机器人，它包括三轴亥姆霍兹线圈和胶囊机器人部分，所述胶囊机器人放置于三轴亥姆霍兹线圈的几何中心；所述三轴亥姆霍兹线圈发出驱动和控制信号，控制胶囊机器人部分的动作；根据接收到的不同控制信号三轴亥姆霍兹线圈（见图2所示）能够产生方向磁场和空间万向旋转磁场，所述磁控主动运动活检胶囊机器人（见图3所示）在不同的控制信号下完成运动模式和活检模式的转变。

　　所涉的三轴亥姆霍兹线圈（见图2所示）由空间内相互正交的三组半径等于各组线圈中心之间距离的圆形线圈组成。

　　所述胶囊机器人部分（见图3所示）包括磁开关1，胶囊型头部3，锚定机构4，活检机构5，可活动主体部分（见图4所示），不可活动主体部分（见图7所示），活检机构盖子（见图6所示）。胶囊型头部3设计为胶囊型，尾部2设计为平面型。胶囊机器人（见图3所示）放置于三轴亥姆霍兹线圈（见图2所示）几何中心。

　　所述可活动主体部分（见图4所示）和不可活动主体部分（见图7所示）构成胶囊机器人主体部分，胶囊机器人主体部分的外部设计为从其头部观察为逆时针方向的螺旋凹槽6。

　　磁开关1与胶囊机器人主体部分同轴，内置于胶囊机器人主体部分（见图3所示）。

　　如图3、图8所示，所述磁开关1由两块环形径向磁化的环形铷铁硼永磁铁组成；其中，磁铁16能够径向旋转但是不能够轴向运动，磁铁17能够轴向运动而不能够径向旋转，所述磁开关1与所述磁控主动运动活检胶囊机器人同轴，磁开关1能够同时控制所述主动运动活检胶囊机器人的运动方向和活检功能模块的激活与闭合。

　　所述胶囊机器人（见图3所示）的不可活动主体部分固定轴14小于所述磁铁16的内环直径，所述磁铁16固定在胶囊机器人的不可活动主体部分（见图7所示）并围绕不可活动主体部分固定轴14旋转，所述磁铁17内置于胶囊机器人的可活动主体部分（见图4所示）。

　　所述胶囊机器人锚定机构的变形示意图（见图9-1、图9-2所示）和活检机构的变形示意图（见图10-1、图10-2、图10-3、图10-4、图10-5所示）。

　　所述伞状锚定结构（见图9-1、图9-2所示）包括保护壳18和连杆19、连杆20。

　　所述锚定机构4由四个伞状锚定结构（见图9-1、图9-2所示）与胶囊机器人主体部分同轴心周向排列，周向排列的四个伞状锚定结构未激活状态下保护壳18的外直径与胶囊机器人主体部分同轴，所述锚定结构保护壳18未激活状态下的外直径与胶囊机器人主体部分外直径相等（见图3所示）。所述四个伞状锚定结构保护壳闭合状态下与所述胶囊机器人主体外直径保持一致，作用是肠道环境复杂，所述胶囊机器人运动过程中对肠道的保护。

　　如图9-1、图9-2所示，所述保护壳18的内部设计有固定支架21，固定支架21上设计有孔，通过轴连接将保护壳18和连杆19,连杆20的一端连接，连杆19的未固定端与所述磁控主动运动活检胶囊机器人胶囊型头部设计的固定支架10连接，连杆20的未固定端与所述可活动主体部分固定支架7连接，所有的连接都是轴连接。

　　如图4所示，所述可活动主体部分固定支架7共计4个，均匀周向分布在其内孔8外径与保护壳18的固定支架21对应；如图5所示，胶囊机器人的胶囊型头部设计的固定支架10共计4个，均匀周向分布在其内表面与保护壳18的固定支架21对应。

　　所述胶囊型头部的轴9通过所述可活动主体部分的内孔8，固定于活检机构盖子（见图6所示）的凹槽11。

　　所述活检机构盖子卡扣12固定于不可活动主体部分（见图7所示）内壁。

　　所述磁开关1在没有三轴亥姆霍兹线圈（见图2所示）方向磁场干扰下，磁铁16和磁铁17由于磁极的相互作用吸引在一起，处于闭合状态，磁开关1等效为一个更大的磁铁。

　　所述胶囊机器人（见图3所示）在内置的磁开关1和三轴亥姆霍兹线圈（见图2所示）产生的空间万向旋转磁场耦合作用下发生旋转，所述胶囊机器人（见图3所示）密封在充满液体的管道中，水流会对所述胶囊机器人（见图3所示）的螺旋凹槽6产生压力从而转化为轴向压力，进一步驱动所述胶囊机器人（见图3所示）在管道内向前或向后运动，三轴亥姆霍兹线圈（见图2所示）产生的旋转磁场的方向和螺旋凹槽6的螺旋方向共同决定胶囊机器人的运动方向。

　　所述胶囊机器人（见图3所示）顺时针旋转时，流体对螺旋凹槽6产生的轴向压力向后，此时所述胶囊机器人（见图3所示）向前运动，同理，当所述胶囊机器人（见图3所示）逆时针旋转时，流体对螺旋凹槽6产生的轴向压力是向前的，所述胶囊机器人（见图3所示）向后运动。

　　所述活检机构5（见图10-1、图10-2、图10-3、图10-4、图10-5所示）由密封舱22、齿条23、齿条24、齿轮25、齿轮26、活检钳27、活检钳28和偏心曲柄滑块机构（见图11所示）组成；磁铁盖子29固定在磁铁16的上表面，所述密封舱22、齿条23、齿条24、齿轮25、齿轮26、活检钳27、活检钳28、偏心曲柄滑块机构和磁铁盖子29内置于所述不可活动主体部分，所述密封舱22是由活检钳27、活检钳28闭合状态下组成的封闭空间。

　　所述偏心曲柄滑块机构（见图11所示）由曲柄31，连杆32，滑块33部分组成。曲柄31与磁铁盖子29的柱形凸台30轴连接，曲柄31与连杆32轴连接，滑块33安装在连杆32上。所述齿条23，齿条24齿根重合固定，与所述偏心曲柄滑块机构（见图11所示）的滑块33中心线重合，齿条23，齿条24固定在滑块33上。不可活动主体部分的导路34限制滑块33只能做直线运动。

　　所述不可活动主体部分（见图7所示）设计有小孔13和小孔15，小孔13和小孔15对称分布在所述偏心曲柄滑块机构的滑块33中心线两侧，两个小孔的距离等于齿轮25、齿轮26分度圆的直径，所述齿轮25、齿轮26与、不可活动主体部分的小孔13和小孔15轴连接。

　　所述齿条23、齿条24与齿轮25、齿轮26齿数相等，压力角相等。所述齿条23、齿条24分别与齿轮25、齿轮26啮合。所述活检钳27、活检钳28分别与齿轮25、齿轮26轴连接。

　　上述磁控主动运动活检胶囊机器人的工作方法（见图1所示）：

　　所述三轴亥姆霍兹线圈（见图2所示）收到直流信号，此时外磁场为方向磁场，并且此方向磁场作用于磁铁的磁力矩大于磁开关1的磁铁16和磁铁17内部之间的相互作用力，磁铁16相对于外磁场表现为相同的极性发生旋转。所述磁铁16和磁铁17之间的相对极性发生转变，相互作用力由吸引力转变为排斥力。所述磁铁16和磁铁17由于磁极作用分开，磁开关1激活；锚定活检功能激活。

　　所述磁开关1的磁铁16径向旋转，磁铁17轴向运动。

　　所述磁开关1的磁铁16旋转带动磁铁盖子29旋转，从而带动偏心曲柄滑块机构顺时针转动。进一步偏心曲柄滑块机构（见11所示）将磁铁16的旋转运动转变为偏心曲柄滑块机构滑块33的直线运动。进一步带动所述齿条23、齿条24做直线运动。所述齿条23、齿条24运动方向远离所述活检胶囊机器人轴心，齿轮25顺时针旋转，齿轮26逆时针旋转，进一步活检钳27、活检钳28打开（见图10-2、图10-3所示）。

　　所述磁铁17只能够轴向运动，因此所述开关1激活磁铁17在轴线方向会表现出直线运动。进一步带动胶囊机器人主体可活动部分（见图4所示）发生轴向运动。进一步带动连杆20逆时针旋转。进一步带动连杆19顺时针旋转。进一步所述主动运动活检胶囊机器人活检机构5锚定机构4激活（见图8所示）。

　　进一步如果控制器不再向三轴亥姆霍兹线圈（见图2所示）输入直流信号，此时不存在外方向磁场，磁铁16和磁铁17磁极间的作用力由排斥力转变为吸引力，磁铁16受到磁极的作用径向旋转，磁铁17发生轴向运动。进一步磁开关1闭合（见图3所示）。

　　如图10-4、图10-5所示，所述磁开关1的磁铁16旋转带动磁铁盖子29旋转，从而带动偏心曲柄滑块机构逆时针转动。进一步齿条23、齿条24向靠近机器人轴心方向运动，齿轮25逆时针旋转，齿轮26顺时针旋转。进一步活检钳27、活检钳28闭合，所述主动运动胶囊机器人活检钳27、活检钳28闭合的过程中完成组织采样。