专利名称：医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法
技术领域：
本发明涉及机械学科微机电系统(微系统)技术领域，具体是指一种医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法。
背景技术：
微机电系统(Micro Electronic Mechanical System，MEMS)研究是机械科学的前沿领域，它涉及电子工程、机械工程、材料科学、物理学、化学以及生物医学等多学科领域。微机器人是典型的微机电系统，具有十分广阔的应用前景，例如，应用于微创外科手术的微内窥镜等医用微型机器人。研制开发能进入人体腔内的医用管道微型机器人，是国际MEMS研究中的一个热点。
医用人体管道(主要指血管和胃肠道)微机器人要求能在粘滑、弯曲、易损软组织的特殊环境中工作，研制能满足要求的大步距、大驱动力的微驱动器是其主要的关键技术。国内、外已经研究的医用管道微机器人驱动方法包括以下几种(1)仿“蠕虫”蠕动原理的驱动方法。目前，用于实现“蠕动”驱动的主要驱动元件是SMA(形状记忆合金)，也有采用气动驱动的“蠕动”柔性微驱动器(FMA，Flexible Micro Actuator)，以及基于电磁力的微小型蠕动驱动器。(2)仿“爬虫”爬行原理的驱动方法。应用单矩形板压电振子型超声驱动实现微小型移动机器人平移运动，还有仿生型步进直线驱动器。(3)电磁双足跳跃式驱动方法。(4)模仿鱼类游泳驱动方式的泳动式。(5)利用螺旋运动产生的液体动压润滑及液体剪切力驱动的螺旋驱动方式。(6)肠胃自然蠕动驱动方式。这种微机器人由患者吞下，然后随肠胃自然蠕动不断前进，最后从肛门排出。
国外研制的一些医用管道微机器人，如上述的“胶襄式”肠胃内窥镜微机器人，已经进入临床试验，但是，国内还没有医用管道微机器人进入临床试验。患者使用“胶襄式”微机器人进行诊断或者治疗，时间很长(持续8小时以上)，而且医者无法对微机器人的运动进行主动控制。采用以上几种驱动方法(除(5)外)的主动控制式医用微机器人，驱动装置构造复杂，驱动元件昂贵，可靠性不足。更重要的是，“蠕动”驱动或“爬行”驱动的主动式医用人体管道微机器人都无法避免运动过程的摩擦作用对人体管道表面易损组织造成的损伤，因为其驱动原理就是靠“蠕动”或者“爬行”动作过程产生的摩擦力来驱动的。因此，尽管目前一些发达国家已经研制出各种“蠕动”驱动或“爬行”驱动的主动式医用微机器人，但由于无法解决人体腔内组织损伤问题，这些微机器人还无法推广临床使用。“电磁双足跳跃式驱动”、“泳动式驱动”等方法，由于结构复杂等原因，目前还无法研制出医用微机器人。“螺旋运动驱动”方法正在研究过程中，这种微机器人驱动器的长度超过所用微电机长度的两倍。总之，尽管国内、外已经研究了多种微机器人驱动方法及装置，但是，迄今为止仍然没有一种简单、可靠、造价低廉的医用微机器人驱动方法及装置可用于临床。换言之，医用微机器人驱动方法及驱动装置仍然是当前MEMS研究的热点和难点问题。
发明内容本发明的目的就是为了解决上述现有技术中存在的不足之处，提供一种医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法。该方法可以解决医者在使用医用管道微机器人时的可主动控制问题，以提高医者的疹断和治疗效率；最大限度地减少微机器人运动时对人体腔体组织造成损伤和避免给患者带来痛苦；简化医用微机器人驱动装置的结构，缩小几何尺寸，提高其操控灵活性和简易性，并且降低制造成本，以便医用微机器人能推广临床应用。
本发明所述一种医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法，其特征是，它通过弹性变形力与摩擦力组合作用的传动方式和结构，由驱动轮表面与人体腔体表面作用产生的液体剪切力和驱动轮表面结构的弹性变形力来驱动微机器人运动，同时利用以动、植物油为基础油的润滑剂，通过自主供油方式来润滑微机器人与人体腔体的运动表面。
为了更好地实现本发明，可以采用单片机无线遥控步进电机。
本发明采用自主供油方式润滑微机器人主体(主要承重体)与人体腔体表面，使运动摩擦阻力减至极小；驱动轮表面采用弹性材料与结构，由于驱动轮不承受主要重量，驱动轮表面不触及腔内较深层软组织，即驱动轮仅与人体腔内表面浅层体液层接触，驱动轮运动时，驱动轮表面与人体腔内体液层之间的剪切运动会产生牵引力，同时驱动轮表面的弹性结构件因弹性变形会产生较大的弹性变形力，由弹性变形力和牵引力组合作用来驱动微机器人运动，这样就不会对人体腔内软组织造成损伤；采用直流微电机带动弹性变形力和摩擦力组合作用的新型锥轮传动机构来传动驱动轮实现微机器人驱动。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果1.采用本发明方法驱动的医用微机器人，医者使用时可实现自动操控，提高诊断和医治的效率，缩短诊疗时间。
2.本发明方法采用特殊润滑剂润滑微机器人主体(主承重体)与人体腔体运动表面，使其运动摩擦阻力减到极小(小于0.07)，驱动轮表面不触及腔体组织深层，靠体液剪切作用产生的牵引力和驱动轮表面弹性件产生的弹性变形力驱动，避免了微机器人运动过程对人体腔体组织造成损伤和给患者带来痛苦。
3.基于本发明方法，可以采用弹性变形力和摩擦力组合作用的新型锥轮传动，使得微驱动器结构简化、尺寸大大减小。传统的轮式机器人驱动装置结构复杂、尺寸太大。例如，美国MIT研制的Squirt轮式驱动智能机器人，它由一个微电机通过一个16∶1的行星齿轮机构和一个22∶1的蜗杆机构驱动一个后轮，另一个后轮通过一单向离合器传动，前面由一个从动轮支撑。Squirt机器人包括微处理器、传感器、控制电路在内，全部尺寸为1立方英寸。相对而言，基于本发明方法而采用的新型锥轮传动机构结构简单，总体尺寸小得多，制造成本也大为降低。
4.与SMA等方式实现的“蠕动”驱动方法及其它驱动方法相比，基于本发明方法研制的微驱动器总体结构较简单，制造成本低得多，从而可以大大减少医用微机器人的总体成本。
图1是本发明的原理图；图2是本发明实施例中新型锥轮传动表面结构示意图；图3是本发明实施例中驱动轮表面结构示意图；图4是本发明实施例中微机器人自动供油表层结构示意图；图5是本发明实施例中驱动轮工作原理示意图6是本发明实施例中步进电机AVR单片机控制系统工作原理图；图7是本发明实施例中控制系统按键处理模块程序流程方框图；图8是本实施例中控制系统中断处理模块程序流程方框图；图9是本实施例中控制系统延时处理模块程序流程方框图；图10是本实施中控制系统步进电机驱动模块程序流程方框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细的说明。
采用本发明方法，可以研制适于人体管道微机器人使用的微驱动器，这种微驱动器可适用于多种用途的医用微机器人，例如，带内窥镜系统的胃肠道内窥微机器人、肠胃道定点给药或取样微机器人等。下面以自润滑新型轮式驱动胃肠道内窥微机器人模型研制为例。
如图1所示，在人体腔壁1内有体液层2，微机器人由微内窥镜系统(微执行器)3和微驱动器4两部分用橡胶弹性杆粘结而成。微驱动器4由驱动轮5、新型锥轮6和微电机7相互连接组成。微电机7通过锥轮6带动驱动轮5运动。微电机7可以采用进口的外径为1cm的直流步进电机。为了方便实验，可以采用自行车内胎制作模拟柔软管道(人体肠胃道)，管道表面施加配制的体液，仿造人体腔壁表层体液。
如图2所示，新型锥轮6为锥形结构，其锥面通过强力胶粘结表面有弹性短杆8的结构，带表面弹性短杆8的结构采用市售的尼龙搭扣带钩短杆一面的结构材料。
如图3所示，驱动轮5采用尼龙制作，其外表面通过强力胶粘结有带球头弹性短杆9。
如图4所示，微驱动器4和内窥镜系统(微执行器)3的主体基表面层10均采用1mm厚尼龙材料制作，其外侧依次叠加有采用棉纱布浸渍食用蓖麻油(或猪油)制作的浸渍润滑剂结构层11(厚1.5mm)以及用0.2mm带孔橡胶层制作的摩擦表面层12，从而实现自润滑结构层。
如图6所示，由PT2272遥控器给出步进电机运行方式的各种信号，包括加速、减速、正转、反转等，通过遥控接收电路把信号转化为数字信号存入单片机CPU中，然后通过运行控制系统软件来实现步进电机的各种运行方式。
如图7所示，控制系统软件的按键处理模块，主要用于实现按钮信号的输入和处理功能。当遥控部分没有键按下时，程序执行循环，按预设值驱动电机，并反复扫描PA口。当按下按键时，PA口数值变化，读入PA值，并与预设值比较。测得正转键按下，设d＝1，调用步进电机驱动模块。测得反转键按下，设d＝0，调用步进电机驱动模块。
如图8所示，控制系统软件的中断处理模块，应用单片机的外部中断0和1。主要是通过中断来改变控制脉冲发射的参数。通过端口设置开外部中断0、1，并设定为下降沿触发。当INT0、INT1口满足条件，即转执行中断子程序。
如图9所示，控制系统软件中的延时模块，主要用于调节电机转速和作为程序的缓冲。
如图10所示，控制系统软件中的步进电机驱动模块。步进电机在系统启动后始终运动，其运动状态随着各参数的改变而改变。各运动参数作为全局变量保存，以便在循环中调用，并且按程序要求输出指定波形，驱动步进电机。控制步进电机的输出波形的值储存在数组motortb中，变量np作为数组指针，指定通过PC口输出。变量X、Y由主函数输入，分别控制步进电机的升降速和正反转。
本实施例所研制的微机器人模型在模拟的柔软管道内进行模拟试验，结果表明，微机器人在无线电遥控下可以自如地实现前进、后退运动。其原理就是由机器人主体自润滑结构层供应的润滑剂润滑机器人主体(主体承重体，即微驱动器4主体和微执行器3主体)与人体管壁运动表面，使运动摩擦阻力减至极小；如图5所示，驱动轮5的带球头弹性短杆9光滑头部接触腔壁表面，驱动轮5表面只触及体液层2，驱动轮5转动时产生的驱动力由两部分组成(1)驱动轮5表面及其带球头弹性短杆9与体液相对运动时粘性液体剪切作用产生的牵引力；(2)带球头弹性短杆9发生弯曲变形时产生的弹性作用力。相比较于微机器人的运动摩擦阻力而言，驱动轮旋转运动产生的这两部分驱动力的合力很大，所以能够驱动微机器人沿柔软腔壁自如地运动。
如上所述，即可较好地实现本发明。
权利要求
1.一种医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法，其特征是，它通过弹性变形力与摩擦力组合作用的传动方式和结构，由驱动轮表面与人体腔体表面作用产生的液体剪切力和驱动轮表面结构的弹性变形力来驱动微机器人运动，同时利用以动、植物油为基础油的润滑剂，通过自主供油方式来润滑微机器人与人体腔体的运动表面。
2.根据权利要求1所述的一种医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法，其特征是，可以采用单片机无线遥控步进电机。
全文摘要
本发明是一种医用微机器人自润滑新型轮式驱动方法，它通过弹性变形力与摩擦力组合作用的传动方式和结构，由驱动轮表面与人体腔体表面作用产生的液体剪切力和驱动轮表面结构的弹性变形力来驱动微机器人运动，同时利用以动、植物油为基础油的润滑剂，通过自主供油方式来润滑微机器人与人体腔体的运动表面，同时，可以采用单片机无线遥控步进电机来实现对微机器人的运动控制。采用本发明方法驱动的医用微机器人，医者使用时可实现自动操控，提高诊断和医治的效率，缩短诊疗时间，同时避免微机器人运动过程对人体腔体组织造成损伤和给患者带来痛苦。本发明使得微驱动器结构简化、尺寸大大减小，成本也大为降低。
文档编号B25J7/00GK1404965SQ0213509
公开日2003年3月26日 申请日期2002年11月7日 优先权日2002年11月7日
发明者陈扬枝, 黄平 申请人:华南理工大学