专利名称：连续体型半自主式内窥镜机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内窥镜机器人，属于医疗内窥镜技术领域。
背景技术：
目前软管式结肠镜只有其末端能够主动弯曲，其他部分是依靠其与结肠内壁的接触力而被动弯曲、不具有主动弯曲功能，因此在给病人进行肠道疾病检查过程中存在着在肠道内堆积、结襻等缺点，从而给病人造成很大的痛苦。在镜体与肠道壁的接触力超过一定阈值时，甚至会造成肠道壁穿孔，使得肠道疾病检查具有较大的风险。目前已有的内窥镜机器人主要利用气压或形状记忆合金驱动，实现在人体肠道内的运动。但是由于人体肠腔具有柔软、粘滑以及存在众多弯曲的特点，使得这些机器人在肠道内的移动速度很低，并且在弯道处还易出现折叠现象而无法前进，实用性较差。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续体型半自主式内窥镜机器人，以解决现有软管式结肠镜只有其末端能够主动弯曲，其他部分不具有主动弯曲功能，因此在给病人进行肠道疾病检查过程中存在着在肠道内堆积、结襻等缺点，从而给病人造成痛苦以及现有内窥镜机器人在肠道内的移动速度低，在弯道处易出现折叠现象而无法前进，实用性较差的问题。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是本发明的内窥镜机器人包括控制箱、前进控制装置、摄像头图像传输通道、电气控制通道以及水、气输送通道和活检钳通道，所述控制箱的上端面上设有第一通孔、第二通孔和第三通孔，摄像头图像传输通道的一端和电气控制通道的一端均装在所述第一通孔内，水、气输送通道的一端装在所述第二通孔内，活检钳通道的一端装在所述第三通孔内；所述内窥镜机器人还包括连续体型镜体、弯曲控制驱动机构、电机控制器和系统控制器；所述弯曲控制驱动机构包括支架、十台第一直流伺服电机和十个钢丝拖动轮；所述控制箱内'固装有支架、电机控制器和系统控制器，所述十台第一直流伺服电机的上端固装在支架上，每台第一直流伺服电机的输出轴上固装有一个钢丝拖动轮，控制箱固装在前进控制装置的螺母和四个滑块上，所述连续体型镜体由弯曲关节、三十个传感器、钢丝编织网和橡胶覆盖膜组成；摄像头图像传输通道、电气控制通道以及水、气输送通道和活检钳通道的另一端均设置在弯曲关节的内腔中，所述弯曲关节由五段弯曲单关节段组成，每段弯曲单关节段由多个关节万向环、多个铆钉、四个弹簧管、四根多股钢丝和多个导向座组成；每个关节万向环的一侧端面上设有两个第一连接耳，第一连接耳的外侧面突出于关节万向环的外环面，每个关节万向环的另一侧端面上设有两个第二连接耳，第二连接耳的内侧面突出于关节万向环的内环面，两个第一连接耳和两个第二连接耳均相对于关节万向环的中心轴线对称设置，第一连接耳设置在两个第二连接耳的中间，第一连接耳上开有第一铆接孔，第二连接耳上开有第二铆接孔，相邻两个关节万向环的第一连接耳的第一铆接孔与第二连接耳的第二铆接孔通过铆钉铆接，铆钉与第一连接耳的第一铆接孔和第二连接耳的第二铆接孔间隙配合，前一段弯曲单关节段上位于末端的关节万向环作为与其相邻的后一段弯曲单关节段上的起始端的关节万向环，弯曲关节的外侧壁上包裹有钢丝编织网，钢丝编织网的外表面上包裹有橡胶覆盖膜，位于每段弯曲单关节段中部的橡胶覆盖膜内的圆周上及位于每段弯曲单关节段末端的橡胶覆盖膜内的圆周上各镶嵌有三个压力传感器，三个压力传感器在圆周方向间隔120。均匀分布，每个关节万向环的内环面上固接有沿其圆周方向均匀分布的四个导向座，每个导向座上设有导向通 L，每段弯曲单关节段上位于起始端的关节万向环上的导向座的导向通孔与弹簧管的一端固接，弹簧管的另一端与支架固接，每段弯曲单关节段内设置有四根多股钢丝，每两根多股钢丝的一端对称固接在相应的钢丝拖动轮的外圆周端面上，多股钢丝的另一端穿过相应导向座的导向通孔和弹簧管露在弹簧管的外面，每个传感器的输出端与系统控制器的一个输入端连接，系统控制器的输出端与电机控制器的输入端连接，电机控制器的一个输出端与一台第一直流伺服电机的输入端连接。
本发明的有益效果是 一、本发明的连续体型镜体为多个关节万向环串联结构，在控制上分为五段，每段各由四根多股钢丝和四根弹簧管配合驱动，均可实现两个自由度的弯曲运动，整个连续体型半自主式内窥镜机器人共可实现十个自由度的空间复合弯曲运动，以适应人体肠道的复杂弯曲状况，避免在肠道内发生堆积、结襻现象，减轻在结肠内窥镜检査过程中病人的不适和痛苦。二、连续体型镜体的橡胶覆盖膜内镶嵌有三十个压力传感器，用于全方位感知连续体型镜体与肠道壁的接触力，从而可以避免对肠道壁的损伤，提高内窥镜 检查的安全系数。三、本发明具有结构紧凑、弯曲灵活、移动速度可以调控的 优点，利用本发明可快速、有效的实现对肠道疾病的检査，并可实现组织检査 采样等微创手术。
图l是本发明的整体结构立体图；图2是前进控制装置2的立体图；图3 是弯曲控制驱动机构11的立体图；图4是图3的A处局部放大图，图5是五 段弯曲单关节段位于末段的弯曲单关节段的横截面图；图6是连续体型镜体 10的轴测图(为表达清楚，钢丝编织网20和橡胶覆盖膜21进行了局部剖切 处理)；图7是连续体型镜体10的主视图(为表达清楚，钢丝编织网20和橡 胶覆盖膜21未画出)；图8是关节万向环22的立体图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1 图8说明本实施方式，本实施方式的内窥镜
机器人包括控制箱l、前进控制装置2、摄像头图像传输通道3、电气控制通 道4以及水、气输送通道5和活检钳通道6，所述控制箱1的上端面上设有第 一通孔7、第二通孔8和第三通孔9，摄像头图像传输通道3的一端和电气控 制通道4的一端均装在所述第一通孔7内，水、气输送通道5的一端装在所述 第二通孔8内，活检钳通道6的一端装在所述第三通孔9内；所述内窥镜机器 人还包括连续体型镜体10、弯曲控制驱动机构11、电机控制器12和系统控制 器13;所述弯曲控制驱动机构11包括支架14、十台第一直流伺服电机15和 十个钢丝拖动轮16;所述控制箱1内固装有支架14、电机控制器12和系统控 制器13，所述十台第一直流伺服电机15的上端固装在支架14上，每台第一 直流伺服电机15的输出轴上固装有一个钢丝拖动轮16 (本实施方式中的钢丝 拖动轮16与第一直流伺服电机15的输出轴以过盈配合的方式实现固定连接)， 控制箱1固装在前进控制装置2的螺母17和四个滑块18上(本实施方式中， 利用螺钉将滑块18和螺母17与控制箱1固接在一起)，所述连续体型镜体10 由弯曲关节、三十个传感器19、钢丝编织网20和橡胶覆盖膜21组成；摄像 头图像传输通道3、电气控制通道4以及水、气输送通道5和活检钳通道6的 另一端均设置在弯曲关节的内腔中，所述弯曲关节由五段弯曲单关节段组成， 每段弯曲单关节段由多个关节万向环22、多个铆钉23、四个弹簧管24、四根多股钢丝25和多个导向座26组成；每个关节万向环22的一侧端面上设有两 个第一连接耳27，第一连接耳27的外侧面29突出于关节万向环22的外环面 30，每个关节万向环22的另一侧端面上设有两个第二连接耳28，第二连接耳 28的内侧面31突出于关节万向环22的内环面32，两个第一连接耳27和两个 第二连接耳28均相对于关节万向环22的中心轴线对称设置，第一连接耳27 设置在两个第二连接耳28的中间，第一连接耳27上开有第一铆接孔33，第 二连接耳28上开有第二铆接孔42，相邻两个关节万向环22的第一连接耳27 的第一铆接孔33与第二连接耳28的第二铆接孔42通过铆钉23铆接，铆钉 23与第一连接耳27的第一铆接孔33和第二连接耳28的第二铆接孔42间隙 配合，前一段弯曲单关节段上位于末端的关节万向环22作为与其相邻的后一 段弯曲单关节段上的起始端的关节万向环22，弯曲关节的外侧壁上包裹有钢 丝编织网20，钢丝编织网20的外表面上包裹有橡胶覆盖膜21，位于每段弯曲 单关节段中部的橡胶覆盖膜21内的圆周上及位于每段弯曲单关节段末端的橡 胶覆盖膜21内的圆周上各镶嵌有三个压力传感器19，三个压力传感器19在 圆周方向间隔120。均匀分布，用于感知连续体型镜体10与外界的接触力，每 个关节万向环22的内环面32上固接有沿其圆周方向均匀分布的四个导向座 26，每个导向座26上设有导向通孔34，每段弯曲单关节段上位于起始端的关 节万向环22上的导向座26的导向通孔34与弹簧管24的一端固接，弹簧管 24的另一端与支架14固接，每段弯曲单关节段内设置有四根多股钢丝25，每 两根多股钢丝25的一端对称固接在相应的钢丝拖动轮16的外圆周端面上，多 股钢丝25的另一端穿过相应导向座26的导向通孔34和弹簧管24露在弹簧管 24的外面，每个传感器19的输出端与系统控制器13的一个输入端连接，系 统控制器13的输出端与电机控制器12的输入端连接，电机控制器12的一个 输出端与一台第一直流伺服电机15的输入端连接，系统控制器13的输入端与 控制盒的输出端连接。弯曲控制驱动机构11利用第一直流伺服电机15驱动多 股钢丝25实现连续体型镜体10的弯曲运动。在控制箱1内安装弯曲控制驱动 机构11、电机控制器12和系统控制器13，用于实现对连续体型镜体10的弯 曲控制和连续体型镜体10与外界接触力信号的处理。弯曲控制驱动机构11共 由十台第一直流伺服电机15实现驱动，通过对这些第一直流伺服电机15的转 动进行协调控制即可拖动多股钢丝25运动，实现内窥镜机器人共十个自由度的空间复合弯曲运动。
具体实施方式
二结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的前进控
制装置2由底座35、两根直线导轨36、四个滑块18、丝杠37、螺母17、两 个轴承38、联轴器39和第二直流伺服电机40构成；所述两根直线导轨36平 行设置并沿底座35的长度方向固装在底座35上，每根直线导轨36上装有两 个与其滑动配合的滑块18 (滑块18可以在直线导轨36上灵活滑动)，底座35 上沿其长度方向的两端各固装有一个轴承38，所述丝杠37通过两个轴承38 支撑，丝杠37上装有与其螺纹连接的螺母17，丝杠37的输入端通过联轴器 39与第二直流伺服电机40的输出轴传动连接，丝杠37与两根直线导轨36平 行且设置在两根直线导轨36之间。如此设置，第二直流伺服电机40转动时， 通过联轴器39将动力传递给丝杠37，从而驱动控制箱1在直线导轨36上运 动。同时，第二直流伺服电机40上的编码器将电机的转动速度量和位置量反 馈至系统控制器13。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图l说明本实施方式，本实施方式的每段弯曲单关 节段的长度为120mm，所述连续体型镜体10的外径为13mm、长度为600mm。 可完全满足医疗用内窥镜要求。其它与具体实施方式
一或二相同。
具体实施方式
四结合图1说明本实施方式，本实施方式的控制箱1的外 形尺寸为长X宽X高-300mmX200mmX200mm，可根据需要设计。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五结合图l、图3和图4说明本实施方式，本实施方式与
具体实施方式
一的不同点是本实施方式的弯曲控制驱动机构11还包括弹簧
管紧固条41，所述弹簧管24通过设置在其上的弹簧管紧固条41与支架14固 接。弹簧管紧固条41的数量与十台第一直流伺服电机15设定的排数相匹配。 工作过程是工作时，操作者根据摄像头反馈的肠腔内部图像，操作控 制盒弯曲按钮与前进按钮，选择合理的弯曲方向控制末端弯曲单关节段弯曲并 控制连续体型镜体前进。系统控制器记录每一时刻前端弯曲单关节段的弯曲量 和连续体型镜体的前进量，并根据该弯曲量和前进量实时规划出前端弯曲单关 节段运动的三维弯曲路径，同时利用传感器所反馈的与肠道壁的接触压力值实 时修正三维弯曲路径。系统控制器根据修正后三维弯曲路径和当前连续体型镜 体各弯曲单关节段的位置实时控制后端各单关节段弯曲，从而实现在弯曲状况复杂的肠道内主动弯曲，以减少镜体在肠道内的堆积与结襻以及镜体与肠道壁 的接触压力，从而提高内窥镜检査的安全性并减轻病人的不适和痛苦。同时， 可以利用水、气传送通道向肠腔内注入气体扩充肠腔以对肠道壁褶皱进行详细 检査，并可利用活检钳进行组织采样以及实施微创手术。
权利要求
1、一种连续体型半自主式内窥镜机器人，所述内窥镜机器人包括控制箱(1)、前进控制装置(2)、摄像头图像传输通道(3)、电气控制通道(4)以及水、气输送通道(5)和活检钳通道(6)，所述控制箱(1)的上端面上设有第一通孔(7)、第二通孔(8)和第三通孔(9)，摄像头图像传输通道(3)的一端和电气控制通道(4)的一端均装在所述第一通孔(7)内，水、气输送通道(5)的一端装在所述第二通孔(8)内，活检钳通道(6)的一端装在所述第三通孔(9)内；其特征在于所述内窥镜机器人还包括连续体型镜体(10)、弯曲控制驱动机构(11)、电机控制器(12)和系统控制器(13)；所述弯曲控制驱动机构(11)包括支架(14)、十台第一直流伺服电机(15)和十个钢丝拖动轮(16)；所述控制箱(1)内固装有支架(14)、电机控制器(12)和系统控制器(13)，所述十台第一直流伺服电机(15)的上端固装在支架(14)上，每台第一直流伺服电机(15)的输出轴上固装有一个钢丝拖动轮(16)，控制箱(1)固装在前进控制装置(2)的螺母(17)和四个滑块(18)上，所述连续体型镜体(10)由弯曲关节、三十个传感器(19)、钢丝编织网(20)和橡胶覆盖膜(21)组成；摄像头图像传输通道(3)、电气控制通道(4)以及水、气输送通道(5)和活检钳通道(6)的另一端均设置在弯曲关节的内腔中，所述弯曲关节由五段弯曲单关节段组成，每段弯曲单关节段由多个关节万向环(22)、多个铆钉(23)、四个弹簧管(24)、四根多股钢丝(25)和多个导向座(26)组成；每个关节万向环(22)的一侧端面上设有两个第一连接耳(27)，第一连接耳(27)的外侧面(29)突出于关节万向环(22)的外环面(30)，每个关节万向环(22)的另一侧端面上设有两个第二连接耳(28)，第二连接耳(28)的内侧面(31)突出于关节万向环(22)的内环面(32)，两个第一连接耳(27)和两个第二连接耳(28)均相对于关节万向环(22)的中心轴线对称设置，第一连接耳(27)设置在两个第二连接耳(28)的中间，第一连接耳(27)上开有第一铆接孔(33)，第二连接耳(28)上开有第二铆接孔(42)，相邻两个关节万向环(22)的第一连接耳(27)的第一铆接孔(33)与第二连接耳(28)的第二铆接孔(42)通过铆钉(23)铆接，铆钉(23)与第一连接耳(27)的第一铆接孔(33)和第二连接耳(28)的第二铆接孔(42)间隙配合，前一段弯曲单关节段上位于末端的关节万向环(22)作为与其相邻的后一段弯曲单关节段上的起始端的关节万向环(22)，弯曲关节的外侧壁上包裹有钢丝编织网(20)，钢丝编织网(20)的外表面上包裹有橡胶覆盖膜(21)，位于每段弯曲单关节段中部的橡胶覆盖膜(21)内的圆周上及位于每段弯曲单关节段末端的橡胶覆盖膜(21)内的圆周上各镶嵌有三个压力传感器(19)，三个压力传感器(19)在圆周方向间隔120°均匀分布，每个关节万向环(22)的内环面(32)上固接有沿其圆周方向均匀分布的四个导向座(26)，每个导向座(26)上设有导向通孔(34)，每段弯曲单关节段上位于起始端的关节万向环(22)上的导向座(26)的导向通孔(34)与弹簧管(24)的一端固接，弹簧管(24)的另一端与支架(14)固接，每段弯曲单关节段内设置有四根多股钢丝(25)，每两根多股钢丝(25)的一端对称固接在相应的钢丝拖动轮(16)的外圆周端面上，多股钢丝(25)的另一端穿过相应导向座(26)的导向通孔(34)和弹簧管(24)露在弹簧管(24)的外面，每个传感器(19)的输出端与系统控制器(13)的一个输入端连接，系统控制器(13)的输出端与电机控制器(12)的输入端连接，电机控制器(12)的一个输出端与一台第一直流伺服电机(15)的输入端连接。
2、 根据权利要求1所述的连续体型半自主式内窥镜机器人，其特征在于 所述前进控制装置(2)由底座(35)、两根直线导轨(36)、四个滑块(18)、 丝杠(37)、螺母(17)、两个轴承(38)、联轴器(39)和第二直流伺服电机(40)构成；所述两根直线导轨(36)平行设置并沿底座(35)的长度方向 固装在底座(35)上，每根直线导轨(36)上装有两个与其滑动配合的滑块(18),底座(35)上沿其长度方向的两端各固装有一个轴承(38)，所述丝 杠(37)通过两个轴承(38)支撑，丝杠(37)上装有与其螺纹连接的螺母(17)，丝杠(37)的输入端通过联轴器(39)与第二直流伺服电机(40)的 输出轴传动连接，丝杠(37)与两根直线导轨(36)平行且设置在两根直线 导轨(36)之间。
3、 根据权利要求1或2所述的连续体型半自主式内窥镜机器人，其特征 在于所述每段弯曲单关节段的长度为120mm，所述连续体型镜体(10)的 外径为13mm、长度为600mm。
4、 根据权利要求1所述的连续体型半自主式内窥镜机器人，其特征在于所述控制箱(1)的外形尺寸为长X宽X高^300mmX200mmX200mm。
5、根据权利要求1所述的连续体型半自主式内窥镜机器人，其特征在于 弯曲控制驱动机构(11)还包括弹簧管紧固条(41)，所述弹簧管(24)通过设置在其上的弹簧管紧固条(41)与支架(14)固接。
全文摘要
连续体型半自主式内窥镜机器人，它涉及一种内窥镜机器人。针对软管式结肠镜只有其末端能够主动弯曲及现有内窥镜机器人在肠道内移动速度低、在弯道处易出现折叠效应而无法前进的问题。固装在控制箱内的第一直流伺服电机上固装有钢丝拖动轮，控制箱固装在前进控制装置上，弯曲关节由五段弯曲单关节段组成，每段弯曲单关节段上的相邻两个关节万向环铆接，弯曲关节上包裹有钢丝编织网和橡胶覆盖膜，每段弯曲单关节段的橡胶覆盖膜内镶嵌有压力传感器，每段弯曲单关节段内设置有四根多股钢丝，每两根多股钢丝的一端对称固接在相应的钢丝拖动轮的外圆周端面上。本发明可实现十个自由度的空间复合弯曲运动，并具有全方位感知镜体与肠道壁接触压力的功能。
文档编号A61B1/008GK101653353SQ20091007275
公开日2010年2月24日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者孙立宁, 李伟达, 李满天, 王鹏飞, 胡海燕 申请人:哈尔滨工业大学