专利名称：利用sma特性驱动的肠道机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及工程机器人技术领域，特别涉及一种利用了 SMA的特性，在人体肠道 内实现移动、完成检测目的的肠道机器人。
背景技术：
传统的插入式内窥镜在插入操作过程中会给患者带来不舒适感甚至创伤，也很难 进入肠道深部。随着微创、无创成为消化道疾病诊疗的发展方向，肠道机器人的发明势在必 行。目前已经存在一些肠道机器人的发明构想，从驱动的角度来说，包括有电磁驱动、压电 驱动、微电机驱动、以生物为载体的生物体本身的运动等。如申请号为201010127993. 0的 中国发明专利“一种肠道诊疗机器人系统”中，就公开了一种采用黄鳝或者通过生物技术改 良后的黄鳝作为生物体，通过摄像装置采集肠道内的图像，经指定刺激电极对生物体进行 刺激以控制其前进、后退和停止，并且在肠道患处定点释药，实现进入肠道深部定点释药和 完成释药后主动退回到体外的系统。该系统具有以主动驱动的方式进入肠道定点释药、较 高的能量效率、以无创的体表刺激控制生物体运动的特点，但是由于该种方式是采用活的 生物体进入人体内部来实现，一旦生物体失控，其造成的后果将非常严重，因此存在风险性 较高的弊端，同时其实施成本也较为昂贵。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种利用SMA特性驱动的肠道机器人，该肠道机器人结 构简单、驱动灵活、具有较高的运动精度。本发明的目的是通过以下技术方案实现的
该利用SMA特性驱动的肠道机器人，包括运动部，所述运动部包括至少两节蠕动段，依 次为第一蠕动段至第N蠕动段，N为大于1的整数；
每节蠕动段均包括两个固定环架，两个固定环架相对布置且固定环架之间通过SMA弹 性件相连接，所述SMA弹性件的弹性应力方向沿两个固定环架的中心点连接线朝向蠕动段 的两端部；
在多节蠕动段之间，前一节蠕动段后部的固定环架与后一节蠕动段前部的固定环架相 连接，形成首尾相接的结构，在两者的连接处设置有沿圆周方向的绝缘环圈I，相邻绝缘环 圈I之间设置有多根柔性丝撑，所述柔性丝撑的前、后端分别固定于相邻的绝缘环圈I上且 沿两个固定环架之间的环形面均勻分布，柔性丝撑的轴线与两个固定环架的中心点连接线 相平行；
每节蠕动段均通过独立的供电回路为该节蠕动段上的SMA弹性件供电，通电时，所述 SMA弹性件沿轴向内收，分布于该蠕动段上的柔性丝撑形成向外部扩张的弓形结构，以顶住 肠道实现固定。进一步，所述肠道机器人还包括导向部，所述导向部与运动部首尾相接，形成条状 结构；所述导向部包括前固定环架、后固定环架和弹性件，所述弹性件连接在前固定环架和后固定环架之间，所述弹性件的弹性应力方向沿前、后固定环架的中心点连接线朝向导向 段的两端部，所述导向部通过后固定环架与第一蠕动段前部的固定环架相连接，所述前固 定环架上设置有绝缘环圈II，所述绝缘环圈II与其相邻的运动部上的绝缘环圈I之间设置 有多个SMA导向丝撑，所述SMA导向丝撑的前、后端分别固定于绝缘环圈II和与其相邻的 绝缘环圈I上且沿绝缘环圈II和绝缘环圈I的圆周方向均勻分布，所述SMA导向丝撑的轴 线与运动部的中轴线相平行；
每根SMA导向丝撑均通过独立的供电回路进行供电，通过控制不同SMA导向丝撑电源 通断，实现前进角度的改变；
进一步，所述导向部的整体为流线形的子弹状，由前固定环架至端部之间为截面逐渐 减小的圆滑过渡段；
进一步，所述肠道机器人采用内置电池供电的方式，该内置电池可以为蓄电池或生物 电池，设置在运动部的内部空间内，所述柔性丝撑至少有部分可以作为导线使用，该部分可 作为导线使用的柔性丝撑与所在蠕动段上的SMA弹性件共同组成通电回路； 进一步，所述运动部包括三节首尾依次相接的蠕动段；
进一步，所述每节蠕动段上的柔性丝撑为四根，相邻柔性丝撑之间间隔的圆心角为 90° ；
进一步，所述SMA丝撑上均包裹有一层硅橡胶涂层；
进一步，所述SMA弹性件为利用SMA丝制成的压缩弹簧；所述SMA导向丝撑为细径的 SMA丝制成的压缩弹簧；
进一步，在该圆滑过渡段的端部设置有检测装置，所述肠道机器人的尾部设置有给药 装置；
当然，所述肠道机器人还可以通过无线供电方式为各节蠕动段供电，该无线供电方式 是由设置在外部的电源，通过无线微波的方式将能量传递至肠道机器人内部的能量接收装 置中，由能量接收装置转换为电能。本发明的有益效果是
1.肠道机器人采用SMA驱动的方式，该驱动方式利用SMA(ShapeMemory Alloy，形状记 忆合金)在不同温度下发生一定的形变的原理，达到让机器人按指定要求运动的效果，通过 类似蚯蚓蠕动的仿生学运动，在人体肠道内进行无损伤、无刺激的长距离检测，利用SMA驱 动的肠道机器人相比电磁驱动、压电驱动、微电机驱动的机器人结构而言，其结构更为简单 紧凑；相比于以生物为载体的机器人而言，其运动精度更高，操作更为简单，风险也更小；
2.该肠道机器人内部的柔性丝撑不仅可以起到支撑的作用，另外还可以作为导线使 用，从而减少了装置的布线量，降低了制作的难度，减少了成本，使结构更为简洁；
3.通过在SMA丝撑的表面覆盖一层硅橡胶涂层，能够增加SMA丝撑与人体肠道内膜的 相容性，大大降低了人体的不舒适感。4.本发明的肠道机器人还可以采用无线给电控制的方式，从而避免了因为内部电 池用尽导致操作无法进行的情况。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并 且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可 以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述，其中
图1为本发明结构示意图； 图2为本发明沿A向示意图； 图3为蠕动段内部的柔性丝撑导线连接示意图； 图4为本发明的各段电路连接示意图； 图5为第一蠕动段SMA弹性件的通电形变状态示意图； 图6为本发明的肠道机器人运动状态下的运动简图。
具体实施例方式以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例 仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。如图1和图2所示，该肠道机器人主要包括了检测装置8和运动部，作为进一步的 改进，本实施例中还增加了与运动部相连接的导向部；
运动部包括了三节蠕动段，依次为第一蠕动段至第三蠕动段，当然，该蠕动段的数目可 以根据实际需要进行调整，一般而言，该数目应该控制在2 10的范围内。每节蠕动段均包括两个固定环架2，两个固定环架2相对布置且固定环架2之间通 过SMA弹性件4相连接，SMA弹性件的弹性应力方向沿两个固定环架的中心点连接线朝向 蠕动段的两端部；本实施例中，SMA弹性件4为利用SMA丝制成的压缩弹簧。在多节蠕动段之间，前一节蠕动段后部的固定环架与后一节蠕动段前部的固定环 架相连接，形成首尾相接的结构，在两者的连接处设置有沿圆周方向的绝缘环圈I 11，相邻 绝缘环圈I 11之间设置有多根柔性丝撑(相邻绝缘环圈I 11上的柔性丝撑也可以认为是 属于该节蠕动段上的柔性丝撑)，柔性丝撑3的前、后端分别固定于相邻的绝缘环圈I 11上 且沿两个固定环架2的圆周方向均勻分布，柔性丝撑3的轴线与两个固定环架2的中心点 连接线相平行，本实施例中，每节蠕动段上的柔性丝撑3为四根，相邻柔性丝撑3之间间隔 的圆心角为90° ；绝缘环圈I 11的作用在于确保相邻蠕动段之间不会发生串电现象。另外，作为进一步的改进，柔性丝撑3上均包裹有一层硅橡胶涂层，能够增加丝撑 与人体肠道内膜的相容性，大大降低了人体的不舒适感。每节蠕动段均通过独立的供电回路为该节蠕动段上的SMA弹性件4供电，通电时， 所述SMA弹性件4沿轴向内收，分布于该蠕动段上的柔性丝撑3形成向外部扩张的弓形结 构，以顶住肠道实现固定。作为进一步的改进，本发明的肠道机器人还包括导向部，导向部与运动部首尾相 接，形成条状结构；导向部包括前固定环架5、后固定环架6和弹性件7，弹性件7连接在前 固定环架5和后固定环架6之间，弹性件7的弹性应力方向沿前、后固定环架的中心点连接 线朝向导向段的两端部，导向部通过后固定环架6与第一蠕动段前部的固定环架2相连接， 前固定环架5上设置有绝缘环圈II 12，绝缘环圈II 12与其相邻的运动部上的绝缘环圈I11之间设置有多个SMA导向丝撑10，SMA导向丝撑10的前、后端分别固定于绝缘环圈II 12和与其相邻的绝缘环圈I 11上且沿绝缘环圈II 12和绝缘环圈I 11的圆周方向均勻分 布，所述SMA导向丝撑10的轴线与运动部的中轴线相平行。每根SMA导向丝撑10均通过独立的供电回路进行供电，通过控制不同SMA导向丝 撑10电源通断，实现前进角度的改变。导向部的整体为流线形的子弹状，由前固定环架至端部之间为截面逐渐减小的圆 滑过渡段，这一设计大大减少了装置前进的阻力，能够使装置在人体内的前进更为顺畅，对 人体肠道的刺激更小。作为进一步的改进，在该圆滑过渡段的端部可以设置有检测装置或 者给药装置，当然也可以在端部设置检测装置，在机器人的尾部设置给药装置，以满足医用 检测和治疗的需要。本实施例中，肠道机器人采用内置电池供电的方式，该内置电池可以为蓄电池或 生物电池，设置在运动部的内部空间内，如图3所示，柔性丝撑3有部分为导电体，该部分柔 性丝撑3通过导线连接可与所在蠕动段上的SMA弹性件4共同组成通电回路，而另一部分 不能导电的柔性丝撑只是起到单纯的支撑作用，用于保证受力平衡。如图4所示，每一 SMA弹性件4均可视为独立的电阻(即图中的Rl、R2、R3 )，而弹性 件7可视为独立的电阻R14，四个SMA导向丝撑10可视为独立的电阻R10、R11、R12和R13。 作为其中的一种实施方式，在第一蠕动段上，有三根柔性丝撑可以作为导电体使用，分别记 为R4、R5和R6，在第二蠕动段上，有两根柔性丝撑可以作为导电体使用，分别记为R7和R8， 在第三蠕动段上，有一根柔性丝撑可以作为导电体使用，记为R9，其中，R3和R4通过导线串 联在一起组成第一蠕动段的通电回路Al，R5、R2、R8和R4通过导线串联在一起组成第二蠕 动段的通电回路A2，R6、R7、RU R9、R8和R4通过导线串联在一起组成第三蠕动段的通电 回路A3。另外，作为其中的一种实施方式，在导向段上，R10、R11、R12和R13分别与R14串 联，组成四个不同的通电回路，通过控制四个不同通电回路的通、断电，实现角度偏转，完成 导向。整个装置的电压控制是通过电源控制芯片控制微型开关的通断完成，该微型开关 设置在不同通电回路与内置电池的电源输出端之间。当然，该电源控制芯片还可以进行电 池电量监测、故障报警等工作。该电源控制芯片通过无线或有线的方式从外部接收控制指 令，当接收到控制某蠕动段前进的指令后，该蠕动段上的SMA弹性件将接通电源，从而发生 轴向收缩，柔性丝撑3将形成向外部扩张的弓形结构，以顶住肠道，起到支撑作用，将机器 人整体卡在肠道内，如图5就表示出了第一蠕动段上的SMA弹性件通电发生形变的状态。而通过给不同蠕动段上的SMA弹性件通电，肠道机器人将按一定的规律向前运 动，如图6所示，该图为机器人从左至右运动的运动简图，其中S为一个运动周期机器人运 动的位移。第I阶段是初始阶段，各段均无变化；第II阶段中，第一蠕动段通电，整体向右 缩进一段距离1/3 S;第III阶段中，第二蠕动段通电，整体向右缩进一段距离2/3 S;第IV 阶段中，第三蠕动段通电，整体向右缩进一段距离S;第V阶段中，第一蠕动段失电，回复原 状，装置整体等于向右前进一段距离1/3 S ；第VI阶段中，第二蠕动段失电，回复原状，装置 整体等于向右前进一段距离2/3 S;第VII阶段中，第三蠕动段失电，回复原状，装置整体等 于向右前进了一段距离S。通过交替通、断，装置实现向前运动。导向部的转向原理也是一样的，通过给不同的SMA导向丝撑给电，将使导向部的偏转角度发生变化，从而改变方向。本发明的肠道机器人还可以通过无线供电方式为各节蠕动段供电，该无线供电方 式是由设置在外部的电源，通过无线微波的方式将能量传递至肠道机器人内部的能量接收 装置中，由能量接收装置转换为电能。该方式可以独立使用，也可以与前述的独立电源有线 供电的方式(如内置电池)配合使用，避免因为内部电池能量用尽而导致的操作无法进行的 情况。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明 的权利要求范围当中。
权利要求
1.利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述肠道机器人包括运动部，所述运 动部包括至少两节蠕动段，依次为第一蠕动段至第N蠕动段，N为大于1的整数；每节蠕动段均包括两个固定环架(2)，两个固定环架(2)相对布置且固定环架(2)之间 通过SMA弹性件(4)相连接，所述SMA弹性件(4)的弹性应力方向沿两个固定环架的中心点 连接线朝向蠕动段的两端部；在多节蠕动段之间，前一节蠕动段后部的固定环架与后一节蠕动段前部的固定环架相 连接，形成首尾相接的结构，在两者的连接处设置有沿圆周方向的绝缘环圈I (11)，相邻绝 缘环圈I (11)之间设置有多根柔性丝撑，所述柔性丝撑(3)的前、后端分别固定于相邻的 绝缘环圈I (11)上且沿两个固定环架(2)之间的环形面均勻分布，柔性丝撑(3)的轴线与 两个固定环架(2)的中心点连接线相平行；每节蠕动段均通过独立的供电回路为该节蠕动段上的SMA弹性件(4)供电，通电时，所 述SMA弹性件(4)沿轴向内收，分布于该蠕动段上的柔性丝撑(3)形成向外部扩张的弓形结 构，以顶住肠道实现固定。
2.根据权利要求1所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述肠道机 器人还包括导向部，所述导向部与运动部首尾相接，形成条状结构；所述导向部包括前固定 环架(5)、后固定环架(6)和弹性件(7)，所述弹性件(7)连接在前固定环架(5)和后固定环 架(6)之间，所述弹性件(7)的弹性应力方向沿前、后固定环架的中心点连接线朝向导向段 的两端部，所述导向部通过后固定环架(6)与第一蠕动段前部的固定环架(2)相连接，所述 前固定环架(5)上设置有绝缘环圈II (12)，所述绝缘环圈II (12)与其相邻的运动部上的 绝缘环圈I (11)之间设置有多个SMA导向丝撑(10)，所述SMA导向丝撑(10)的前、后端分 别固定于绝缘环圈II (12)和与其相邻的绝缘环圈I (11)上且沿绝缘环圈II (12)和绝 缘环圈I (11)的圆周方向均勻分布，所述SMA导向丝撑(10)的轴线与运动部的中轴线相 平行。每根SMA导向丝撑(10 )均通过独立的供电回路进行供电，通过控制不同SMA导向丝撑 (10)电源通断，实现前进角度的改变。
3.根据权利要求2所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述导向部 的整体为流线形的子弹状，由前固定环架至端部之间为截面逐渐减小的圆滑过渡段。
4.根据权利要求1或2或3所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述 肠道机器人采用内置电池供电的方式，该内置电池可以为蓄电池或生物电池，设置在运动 部的内部空间内，所述柔性丝撑(3)至少有部分可以导电，该部分可以导电的柔性丝撑(3) 通过导线连接与所在蠕动段上的SMA弹性件(4)共同组成通电回路。
5.根据权利要求4所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述运动部 包括三节首尾依次相接的蠕动段。
6.根据权利要求5所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述每节蠕 动段上的柔性丝撑(3)为四根，相邻柔性丝撑(3)之间间隔的圆心角为90°。
7.根据权利要求5所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述SMA丝 撑(3)上均包裹有一层硅橡胶涂层。
8.根据权利要求1所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述SMA弹 性件(4)为利用SMA丝制成的压缩弹簧，所述SMA导向丝撑(10)为细径的利用SMA丝制成的压缩弹簧。
9.根据权利要求4所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于在该圆滑过 渡段的端部设置有检测装置(8)，所述肠道机器人的尾部设置有给药装置。
10.根据权利要求1所述的利用SMA特性驱动的肠道机器人，其特征在于所述肠道 机器人还可以通过无线供电方式为各节蠕动段供电，该无线供电方式是由设置在外部的电 源，通过无线微波的方式将能量传递至肠道机器人内部的能量接收装置中，由能量接收装 置转换为电能，该方式可以独立使用，也可以与前述的独立电源有线供电的方式配合使用。
全文摘要
本发明公开了一种利用SMA特性驱动的肠道机器人，包括运动部，运动部包括至少两节蠕动段，每节蠕动段均包括两个固定环架，两个固定环架相对布置且固定环架之间通过SMA弹性件相连接，在多节蠕动段之间，前一节蠕动段后部的固定环架与后一节蠕动段前部的固定环架相连接，形成首尾相接的结构，在两者的连接处设置有沿圆周方向的绝缘环圈I，相邻绝缘环圈I之间设置有多根柔性丝撑，本发明的肠道机器人采用SMA驱动的方式，达到让机器人按指定要求运动的效果，在人体肠道内进行无损伤、无刺激的长距离检测，相比电磁驱动、压电驱动、微电机驱动的机器人结构而言，其结构更为简单紧凑；相比于以生物为载体的机器人而言，其运动精度更高，操作更简单，风险更小。
文档编号A61B5/07GK102068258SQ20101060854
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者侯文生, 廖彦剑, 杨军, 罗洪艳, 郑小林, 高翾 申请人:重庆大学