CN109580270B - 一种磁悬浮胶囊机器人试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁悬浮胶囊机器人试验装置，包括机架、驱动机器人、控制器、模拟肠道、肠道张紧机构、永久磁铁、第一肠道夹持器和第二肠道夹持器。驱动机器人上端固定于机架上，下端与安装板相连，安装板上设置有肠道张紧机构，肠道张紧机构与第一肠道夹持器相连，肠道张紧机构能够带动第一肠道夹持器滑动，肠道贯穿于肠道夹持器中且充满模拟肠液，永久磁铁带动胶囊机器人运动。通过控制器控制驱动机器人和永久磁铁，使胶囊机器人实现平移、旋转等多维运动，还能通过肠道张紧机构模拟肠道的蠕动和收缩，并能通过传感器获取胶囊机器人在运动过程中的相关数据参数，为胶囊机器人体内滞留和行走问题提供数据依据，可以通过实验减少对肠道的损伤。

Description

一种磁悬浮胶囊机器人试验装置

技术领域

本发明涉及医学试验装置的技术领域，特别是涉及一种磁悬浮胶囊机器人试验装置。

背景技术

微创和无创诊疗技术是人类医学发展的必然趋势和人类文明进步的永恒追求。胶囊机器人的发明为微创和无创诊疗技术提供了实际的应用技术，但无论是圆柱、腿式、外螺旋以及内螺旋的胶囊机器人，其在肠道内因肠道蠕动、肠液及肠壁的阻力、摩擦力等对胶囊机器人的运动的有直接的影响，如何控制胶囊机器人的运动、优化胶囊机器人的结构以及减小胶囊机器人对肠道的损伤，需要大量的实验来获得并验证。

现有方法中采用胶囊机器人与测量丝固接的方式，测量胶囊机器人的受力，或电刺激法使得肠肌收缩并向前挤压机器人移动，或采用磁拖动导航，即外部永磁体驱动胶囊内镜中的内部永磁体作移动、大角度旋转和停滞运动，或旋转磁场法是指利用多组线圈产生空间旋转磁场来驱动胶囊机器人作旋进运动等。这些方法中胶囊机器人处于被动运动状态，难以获取胶囊机器人实际受力状况。

而通过长丝固定胶囊机器人，通过移动肠道的方式来获得胶囊在弹性大、充满肠液的肠道内运行阻力，但未能模拟肠道蠕动状态。而且难以实现胶囊机器人的旋转和平移并存的运动情况，更无法得知胶囊机器人在肠道蠕动情形下的摩擦阻力的变化情况。

目前国内外研究的胶囊机器人在肠道的中的运动、摩擦等问题的理论分析和实验研究都是基于无磁场控制环境，并且主要是针对在肠道无蠕动条件下常规圆柱机器人的平移运动，并未考虑胶囊机器人旋转和平移并存时，机器人摩擦阻力的变化情况，也没有模拟肠道蠕动，无法获取胶囊机器人与肠道黏弹性变形相关的摩擦力，与肠道蠕动相关的摩擦力，与润滑状态相关的肠液黏性摩擦阻力等因素，胶囊机器人摩擦阻力实验研究中也未加入肠道蠕动装置。然而胶囊机器人的优化和可控是胃肠道微创和无创诊疗技术的最重要评价指标，现有试验设备均无法满足实验需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁悬浮胶囊机器人试验装置，以解决上述现有技术存在的问题，使磁悬浮胶囊机器人在模拟蠕动的肠道中得以模拟运行，且运行状态可控，运动过程中的摩擦力、阻力等相关数据可以获取。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种磁悬浮胶囊机器人试验装置，包括机架、驱动机器人、控制器、模拟肠道、肠道张紧机构、永久磁铁、第一肠道夹持器和第二肠道夹持器；所述模拟肠道用于填充模拟肠液；

所述机架为矩形框架，所述矩形框架设置有顶面和底面；所述驱动机器人的上端与所述顶面铰接，所述驱动机器人的下端与一安装板连接，所述驱动机器人能够驱动所述安装板平移和旋转；

所述安装板上设置有所述肠道张紧机构，所述肠道张紧机构与所述第一肠道夹持器相连，所述肠道张紧机构能够带动所述第一肠道夹持器滑动；所述第二肠道夹持器与所述安装板连接，所述模拟肠道穿设于所述第一肠道夹持器和所述第二肠道夹持器内；胶囊机器人的两端设置有磁悬轴，所述胶囊机器人的中部设置有旋转磁铁，所述胶囊机器人设置于所述第一肠道夹持器和所述第二肠道夹持器之间的所述模拟肠道内，所述胶囊机器人上设置有传感器；所述永久磁铁与所述磁悬轴和所述旋转磁铁分别相匹配，所述永久磁铁能够控制所述胶囊机器人平移和旋转；

所述控制器设置于所述底面上，所述控制器与所述胶囊机器人、所述传感器和驱动机器人电连接，所述控制器能够控制所述胶囊机器人的运动。

优选的，所述永久磁铁包括旋转永久磁铁和平移永久磁铁，所述旋转永久磁铁与一旋转电机连接，所述旋转电机的转轴与所述第二肠道夹持器的连接杆转动连接，所述旋转永久磁铁与所述胶囊机器人中部的旋转磁铁相匹配；所述平移永久磁铁为两对，每对所述平移永久磁铁通过一短轴相连且固定于所述所述第一肠道夹持器上，所述平移永久磁铁设置于所述第一肠道夹持器和所述第二肠道夹持器之间且与所述胶囊机器人两端的磁悬轴相匹配。

优选的，所述肠道张紧机构为曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括电机、曲轴、连杆和滑块，所述安装板上设置有所述电机，所述电机的轴与所述曲轴的一端连接，所述曲轴的另一端与所述连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与所述滑块连接，所述滑块与所述安装板上设置的滑块槽相匹配，所述滑块与所述第一肠道夹持器连接。

优选的，所述曲柄滑块机构替换为偏心滑块机构，所述偏心滑块机构包括依次连接的电机、偏心轮、连杆和滑块，所述滑块与所述安装板上设置的滑块槽相匹配，所述滑块与所述第一肠道夹持器连接。

优选的，所述滑块的移动速度为0.5-2.0cm/s。

优选的，所述第一肠道夹持器和第二肠道夹持器均包括相互连接的连接杆和夹持部，所述夹持部包括筒状外壁和弹性内壁，所述筒状外壁和所述弹性内壁的两端相对应的密封连接，所述筒状外壁上设置进气口和抽气口。

优选的，所述驱动机器人为六自由度并联机器人或六自由度串联机器人或多自由度直角坐标机器人。

优选的，所述磁悬轴的端部上设置有微型应变传感器，所述旋转磁铁的表面上设置有微型靶式传感器，所述微型应变传感器和所述微型靶式传感器与所述控制器相连。

优选的，所述模拟肠道的两端分别穿过一固定座且与一模拟肠液容器相连通，所述固定座上设置有单向阀，所述固定座和所述模拟肠液容器均设置于所述底面上。

优选的，所述模拟肠道一端连接有水泵，所述水泵与所述控制器电连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明通过使用驱动机器人和永久磁铁控制胶囊机器人实现平移、旋转等多维运动，还能够模拟肠道的蠕动和收缩，并能通过传感器获取胶囊机器人在运动过程中的相关数据参数，为胶囊机器人体内滞留和行走问题提供数据依据，可以通过实验减少对肠道的损伤。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明磁悬浮胶囊机器人试验装置的结构示意图一；

图2为本发明磁悬浮胶囊机器人试验装置的原理结构图；

图3为本发明磁悬浮胶囊机器人试验装置的结构示意图二；

图4为本发明磁悬浮胶囊机器人试验装置的结构示意图三；

图5为本发明磁悬浮胶囊机器人试验装置的局部结构放大图一；

图6为本发明中肠道张紧机构的结构示意图；

图7为本发明中曲柄连杆机构的结构示意图；

图8为本发明中第一肠道夹持器及第二肠道夹持器的结构示意图；

其中：1-机架，2-驱动机器人，3-肠道张紧机构，4-模拟肠道，5-胶囊机器人，6-第一肠道夹持器，7-第二肠道夹持器，8-控制器，9-顶面，10-底面，11-液压杆，12-安装板，13-电机，14-曲轴，15-连杆，16-滑块，17-固定座，18-模拟肠液容器，19-磁悬轴，20-旋转磁铁，21-平移永久磁铁，22-旋转永久磁铁，23-旋转电机，24-筒状外壁，25-弹性内壁，26-进气口，27-抽气口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种磁悬浮胶囊机器人试验装置，以解决现有技术存在的问题，使磁悬浮胶囊机器人在模拟蠕动的肠道中得以模拟运行，且运行状态可控，运动过程中的摩擦力、阻力等相关数据可以获取。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图8所示：本实施例提供了一种磁悬浮胶囊机器人试验装置，包括机架1、驱动机器人2、控制器8、模拟肠道4、肠道张紧机构3、永久磁铁、第一肠道夹持器6和第二肠道夹持器7。

机架1为矩形框架，矩形框架设置有顶面9和底面10；驱动机器人2的上端与顶面9铰接，驱动机器人2的下端与一安装板12连接，驱动机器人2能够驱动安装板12平移和旋转；驱动机器人2为六自由度并联机器人或六自由度串联机器人或多自由度直角坐标机器人，本实施例中使用的是六自由度并联机器人，液压杆11作为驱动部件，并与控制器8相连。

安装板12上设置有肠道张紧机构3，肠道张紧机构3与第一肠道夹持器6相连，肠道张紧机构3能够带动第一肠道夹持器6滑动。本实施例中的肠道张紧机构3为曲柄滑块机构，曲柄滑块机构包括电机13、曲轴14、连杆15和滑块16，安装板12上设置有电机13，电机13的轴与曲轴14的一端连接，曲轴14的另一端与连杆15的一端铰接，连杆15的另一端与滑块16连接，滑块16与安装板12上设置的滑块槽相匹配，滑块16与第一肠道夹持器6连接。

或者曲柄滑块机构替换为偏心滑块机构，偏心滑块机构包括依次连接的电机13、偏心轮、连杆15和滑块16，滑块16与安装板12上设置的滑块槽相匹配，滑块16与第一肠道夹持器6连接。其中，肠道蠕动是一种环形肌与纵形肌相互协调的连续性收缩，发生于小肠近端，并向肠的远端传播，速度为0.5-2.0cm/s。所以，滑块16的移动速度设置为0.5-2.0cm/s。其中，电机13带动偏心轮或曲轴14运动，通过连杆15带动滑块16进行滑移，进而带动第一肠道夹持器6移动，第一肠道夹持器6内套设的模拟肠道4被拉长。从工作原理可知，曲柄滑块机构也可以替换为液压机构、气压机构、电磁伸缩机构或螺旋机构等做能够直线往复运动的机构来实现滑块16的往复运动。

第二肠道夹持器7与安装板12连接，模拟肠道4穿设于第一肠道夹持器6和第二肠道夹持器7内；胶囊机器人5设置于第一肠道夹持器6和第二肠道夹持器7之间的模拟肠道4内，模拟肠道4的两端分别穿过一固定座17且与一模拟肠液容器18相连通，固定座17上设置有单向阀，只允许模拟肠液流入模拟肠道4内，固定座17和模拟肠液容器18均设置于底面10上。模拟肠道4用于填充模拟肠液，模拟肠道4一端连接有水泵，水泵设置于模拟肠液容器18内且水泵与控制器8电连接，本实施例中控制器8优选设置于模拟肠液容器18的上部。

胶囊机器人5的两端设置有磁悬轴19，胶囊机器人5的中部设置有旋转磁铁20，永久磁铁与磁悬轴19和旋转磁铁20分别相匹配，永久磁铁能够控制胶囊机器人5平移和旋转。胶囊机器人5上设置有传感器。其中，磁悬轴19的端部上设置有微型应变传感器，旋转磁铁20的表面上设置有微型靶式传感器，可以获取胶囊机器人5旋转时相对磁悬轴19的轴向压力，从而获得胶囊机器人5的运动阻力；微型应变传感器和微型靶式传感器与控制器8相连，可以获得胶囊旋转时相对于液体的旋转阻力矩。

其中，永久磁铁包括旋转永久磁铁22和平移永久磁铁21，旋转永久磁铁22与一旋转电机23连接，旋转电机23的转轴与第二肠道夹持器7的连接杆转动连接，旋转永久磁铁22与胶囊机器人5中部的旋转磁铁20相匹配；平移永久磁铁21为两对，每对平移永久磁铁21通过一短轴相连且固定于第一肠道夹持器6上，平移永久磁铁21设置于第一肠道夹持器6和第二肠道夹持器7之间且与胶囊机器人5两端的磁悬轴19相匹配。

第一肠道夹持器6和第二肠道夹持器7均包括相互连接的连接杆和夹持部，夹持部包括筒状外壁24和弹性内壁25，筒状外壁24和弹性内壁25的两端相对应的密封连接，筒状外壁24上设置进气口26和抽气口27。通过进气装置与进气口26连接，鼓气使气压增大，进而使弹性内壁25与模拟肠道4接触并进行挤压，使模拟肠道4截面变小，当气压通过抽气口27泄掉时，模拟肠道4截面恢复，模拟出肠道收缩的过程。

控制器8设置于底面10上，控制器8与胶囊机器人5、传感器和驱动机器人2电连接，可以是有线连接，也可以是无线连接，控制器8能够控制胶囊机器人5的运动。

本实施例的具体运动过程如下：

先将胶囊机器人5放置模拟肠道4中并穿入第一肠道夹持器6和第二肠道夹持器7，使胶囊机器人5位于两者之间，然后将模拟肠的两端分别穿过一固定座17且与模拟肠液容器18相连通，其中模拟肠道4一端连接有水泵。模拟肠道4安装好后，控制器8控制水泵向肠道内注入模拟肠液，注满后控制器8控制水泵根据模拟肠液的流量，补充泵入模拟肠液。

控制器8控制六自由度并联机器人运动，使安装板12按照设定程序定向运动，从而带动安装在安装板12上的第二肠道夹持器7运动，进而使旋转永久磁铁22和旋转电机23随动。驱动机器人2通过安装板12移动第一肠道夹持器6、第二肠道夹持器7，在平移永久磁铁21牵引下，胶囊机器人5移动至模拟肠道4的指定位置，这时第一肠道夹持器6、第二肠道夹持器7处于相对最近位置；之后，通过进气口26向第二肠道夹持器7中的夹持部充气，弹性内壁25与模拟肠道4接触并对其进行挤压，使模拟肠道4截面变小，由于固定座17上设置有单向阀，挤压会使模拟肠液单向流动，进而模拟出肠道环形肌收缩的动作。然后第一肠道夹持器6中的夹持部充气并挤压模拟肠道4，进一步驱动模拟肠液单向流动，同时因受挤压的弹性内壁25与模拟肠道4的外壁间存在摩擦力，当第一肠道夹持器6受曲柄滑块机构的驱动移动时，控制器8控制电机13转动，电机13通过曲柄滑块机构或者偏心滑块机构带动滑块16运动，进而带动第一肠道夹持器6及内嵌的模拟肠道4相对于第二肠道夹持器7作往复运动，而平移永久磁铁21则跟随第一肠道夹持器6带动胶囊机器人5移动，促使模拟肠道4被拉长。模拟肠道4被拉长后，第二肠道夹持器7和第一肠道夹持器6先后通过抽气口27进行抽气泄压，模拟肠道4的截面和被拉伸的长度得以恢复，模拟肠液通过水泵根据模拟肠液的流量变化需要，及时补充模拟肠液的流量，模拟肠道的收缩过程，同时，曲柄滑块机构复位，完成一次模拟肠道的蠕动动作。驱动机器人2将安装板12移动到下一位置，重复上述过程，可实现模拟肠道4上环形肌的连续性收缩和传播，从而完成模拟肠道4的蠕动，实现模拟肠道4纵形肌的连续性收缩、传播和胶囊机器人5的运动状态模拟。

控制器8通过胶囊机器人5的端部上设置的微型应变传感器，可以获取胶囊机器人5旋转时相对磁悬轴19的轴向压力，从而获得胶囊机器人5的运动阻力；通过胶囊机器人5的表面上设置的微型靶式传感器，可以获得胶囊旋转时相对于液体的旋转阻力矩，进而测得胶囊机器人5在蠕动和收缩的模拟肠道4环境下的运动参数，便于对胶囊机器人5的研究和改进，为胶囊机器人5体内滞留和行走问题提供数据依据，可以通过实验减少对肠道的损伤。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种磁悬浮胶囊机器人试验装置，其特征在于：包括机架、驱动机器人、控制器、模拟肠道、肠道张紧机构、永久磁铁、第一肠道夹持器和第二肠道夹持器；所述模拟肠道用于填充模拟肠液；

所述机架为矩形框架，所述矩形框架设置有顶面和底面；所述驱动机器人的上端与所述顶面铰接，所述驱动机器人的下端与一安装板连接，所述驱动机器人能够驱动所述安装板平移和旋转；

所述安装板上设置有所述肠道张紧机构，所述肠道张紧机构与所述第一肠道夹持器相连，所述肠道张紧机构能够带动所述第一肠道夹持器滑动；所述第二肠道夹持器与所述安装板连接，所述模拟肠道穿设于所述第一肠道夹持器和所述第二肠道夹持器内；胶囊机器人的两端设置有磁悬轴，所述胶囊机器人的中部设置有旋转磁铁，所述胶囊机器人设置于所述第一肠道夹持器和所述第二肠道夹持器之间的所述模拟肠道内，所述胶囊机器人上设置有传感器；所述永久磁铁与所述磁悬轴和所述旋转磁铁分别相匹配，所述永久磁铁能够控制所述胶囊机器人平移和旋转；

所述永久磁铁包括旋转永久磁铁和平移永久磁铁，所述旋转永久磁铁与一旋转电机连接，所述旋转电机的转轴与所述第二肠道夹持器的连接杆转动连接，所述旋转永久磁铁与所述胶囊机器人中部的旋转磁铁相匹配；所述平移永久磁铁为两对，每对所述平移永久磁铁通过一短轴相连且固定于所述第一肠道夹持器上，所述平移永久磁铁设置于所述第一肠道夹持器和所述第二肠道夹持器之间且与所述胶囊机器人两端的磁悬轴相匹配；所述第一肠道夹持器和第二肠道夹持器均包括相互连接的连接杆和夹持部，所述夹持部包括筒状外壁和弹性内壁，所述筒状外壁和所述弹性内壁的两端相对应的密封连接，所述筒状外壁上设置进气口和抽气口；所述磁悬轴的端部上设置有微型应变传感器，所述旋转磁铁的表面上设置有微型靶式传感器，所述微型应变传感器和所述微型靶式传感器与所述控制器相连；

所述控制器设置于所述底面上，所述控制器与所述胶囊机器人、所述传感器和驱动机器人电连接，所述控制器能够控制所述胶囊机器人的运动。

2.根据权利要求1所述的磁悬浮胶囊机器人试验装置，其特征在于：所述肠道张紧机构为曲柄滑块机构，所述曲柄滑块机构包括电机、曲轴、连杆和滑块，所述安装板上设置有所述电机，所述电机的轴与所述曲轴的一端连接，所述曲轴的另一端与所述连杆的一端铰接，所述连杆的另一端与所述滑块连接，所述滑块与所述安装板上设置的滑块槽相匹配，所述滑块与所述第一肠道夹持器连接。

3.根据权利要求2所述的磁悬浮胶囊机器人试验装置，其特征在于：所述曲柄滑块机构替换为偏心滑块机构，所述偏心滑块机构包括依次连接的电机、偏心轮、连杆和滑块，所述滑块与所述安装板上设置的滑块槽相匹配，所述滑块与所述第一肠道夹持器连接。

4.根据权利要求3所述的磁悬浮胶囊机器人试验装置，其特征在于：所述滑块的移动速度为0.5-2.0cm/s。

5.根据权利要求1所述的磁悬浮胶囊机器人试验装置，其特征在于：所述驱动机器人为六自由度并联机器人或六自由度串联机器人或多自由度直角坐标机器人。

6.根据权利要求1所述的磁悬浮胶囊机器人试验装置，其特征在于：所述模拟肠道的两端分别穿过一固定座且与一模拟肠液容器相连通，所述固定座上设置有单向阀，所述固定座和所述模拟肠液容器均设置于所述底面上。

7.根据权利要求1所述的磁悬浮胶囊机器人试验装置，其特征在于：所述模拟肠道一端连接有水泵，所述水泵与所述控制器电连接。