專利名稱：一種用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，更具體的說，涉及一種能夠在液體環(huán)境下泳動(dòng)的蛇形機(jī)器人。
背景技術(shù)：
隨著生命科學(xué)及醫(yī)療診斷技術(shù)的提高，對微型機(jī)電系統(tǒng)無創(chuàng)介入血管診療提出了更高的要求，急需一種簡單可靠有效進(jìn)入血管進(jìn)行血栓清理及疏通的微型機(jī)器人系統(tǒng)。目前絕大部分的技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注血管介入治療時(shí)，使用機(jī)電控制技術(shù)有效、可靠、安全的操作導(dǎo)管、導(dǎo)絲以及血管支架的遙控操作，很少有技術(shù)涉及到主動(dòng)進(jìn)入血管實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)，并全程可控的微型機(jī)器人。由于血管本身纖細(xì)、空間狹窄、內(nèi)部充滿血液，在進(jìn)入時(shí)具有一定的危險(xiǎn)性，所以對進(jìn)入血管進(jìn)行自主牽引的微型機(jī)器人提出了一些特殊要求?，F(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)方法大都基于傳統(tǒng)的方法，例如專利CN03232608.4公布了一種微電機(jī)驅(qū)動(dòng)的搖擺尾巴泳動(dòng)的微機(jī)器人、專利CN99113465.6公布的電機(jī)驅(qū)動(dòng)利用反螺旋產(chǎn)生推進(jìn)力的微機(jī)器人，專利CN201010299445.6公布的射流驅(qū)動(dòng)的血管機(jī)器人，CN201110103184.0公布的以及利用外場驅(qū)動(dòng)的血管介入微型機(jī)器人，這類機(jī)器人構(gòu)造復(fù)雜、體積很難微型化。體積小、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)動(dòng)可控、具有較高的可靠性是對血管介入微型機(jī)器人的基本要求，目前的技術(shù)設(shè)計(jì)很難同時(shí)滿足這些要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，機(jī)器人本體由若干極性相反的永磁體通過具有一定剛度的鋼絲沿軸線方向串接，外部磁場依次激勵(lì)永磁體，使其身體各部產(chǎn)生具有一定延時(shí)的搖擺，從而產(chǎn)生水蛇的S形泳動(dòng)前進(jìn)。 本發(fā)明還提供了一種可以用外場控制的仿蛇泳動(dòng)方法，用以控制機(jī)器人在血管中的運(yùn)動(dòng)速度。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:一種用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，主要由端部乳膠套、永磁體、乳膠微管、鋼絲、中部乳膠套、軸承、軸承座、軛鐵、磁靴、絲杠螺母、步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)、電磁線圈組成，其中:鋼絲依次串接若干永磁體和乳膠微管，相鄰兩個(gè)永磁體的相鄰端磁極相同，在頭尾兩個(gè)永磁體上使用帶有圓頭的端部乳膠套進(jìn)行覆膜封裝，在中間永磁體上使用中部乳膠套直接進(jìn)行覆膜封裝，形成血管介入機(jī)器人本體；電磁線圈繞在軛鐵中部，軛鐵的兩臂插入磁靴，軸承座及步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)的電機(jī)座使用螺栓固定在軛鐵上，步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)的絲桿末端支撐在軸承座的軸承上，絲桿螺母使用螺栓與磁靴連接，形成體外磁場驅(qū)動(dòng)和控制裝置。所述電磁鐵的磁靴寬度至少為兩個(gè)永磁體的長度，插入軛鐵沿軛鐵滑動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其作用是使得永磁體產(chǎn)生一定相位差的磁偶矩；
所述蛇形機(jī)器人中永磁體的極性，需要確保相鄰兩個(gè)永磁體的相鄰端磁極是相同的，如都是N極或者都是S極，這樣相鄰單元之間方可產(chǎn)生方向相反的磁偶矩，使得機(jī)器人身體呈現(xiàn)周期的S波浪形。所述蛇形機(jī)器人中永磁體的數(shù)量按照蛇形牽引的原理至少需要3個(gè)，在大于3的前提下可多可少。所述的乳膠套及乳膠微管在連接部使用醫(yī)用乳膠進(jìn)行密封粘合，所用材料均需保證與組織、血液的相容性、無排斥和毒副作用。本發(fā)明工作時(shí)，在血管切口將機(jī)器人導(dǎo)入，在無外加磁場時(shí)機(jī)器人呈直線狀，當(dāng)移動(dòng)磁靴依次從機(jī)器人左端部到右端部依次給各個(gè)永磁體施加外磁場時(shí)，機(jī)器人呈現(xiàn)周期性的S波浪形，磁靴到達(dá)右端部時(shí)切斷電磁鐵電源，磁靴間空氣隙無磁場，磁靴返回到左端部，給電磁線圈反向電流，空氣隙產(chǎn)生反向磁場施加到機(jī)器人的永磁體上，移動(dòng)磁靴從左端部到右端部，則各個(gè)永磁體依次產(chǎn)生反方向的磁偶矩，則迫使S形的波峰向波谷方向橫向擺動(dòng)，重復(fù)上述則機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)向左的泳動(dòng)，如果施加外場方向是從右端到左端，從左端到右端是無磁場空回，則機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)從左向右的泳動(dòng)。本發(fā)明所提供的用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，機(jī)器人本體采用若干極性相反的永磁體通過具有一定剛度的鋼絲沿軸線方向串接，外部磁場依次激勵(lì)永磁體，使其身體各部產(chǎn)生具有一定延時(shí)的搖擺，從而產(chǎn)生水蛇的S形泳動(dòng)前進(jìn)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、易于微型化、可靠性高的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所實(shí)施例 的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。如圖1所示，本實(shí)施包括:醫(yī)用的端部乳膠套1、永磁體2、醫(yī)用的乳膠微管3、鋼絲
4、醫(yī)用的中部乳膠套5、軸承6、軸承座7、C型的軛鐵8、梯形的磁靴9、絲杠螺母10、步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)11、電磁線圈12。其連接關(guān)系為:對于體外磁驅(qū)動(dòng)，電磁線圈12直接密繞在C型軛鐵8的中部，磁靴9上開方形孔插入到軛鐵8，磁靴9可以軛鐵8的懸臂滑動(dòng)，磁靴9與絲杠螺母10使用螺栓連接，絲杠螺母10旋合在步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)11的絲桿上，步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)11的電機(jī)座使用螺栓固定在軛鐵8上。步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)11的絲桿另一端支撐定位在軸承6及軸承座7上，軸承座7使用螺栓固定在軛鐵8上。軛鐵8的另外一個(gè)臂上對稱安裝上述磁靴9、絲杠螺母10、步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)11、軸承6、軸承座7，形成對稱的兩個(gè)磁靴9。磁路通過軛鐵8、兩個(gè)磁靴9、磁靴9間空氣隙閉合，并在對稱的磁靴9間形成均勻磁場；對體內(nèi)介入蛇形機(jī)器人本體，圓柱形的永磁體2和乳膠微管3具有軸向通孔，鋼絲4通過該孔依次串接若干永磁體2和醫(yī)用乳膠微管3，在孔中滴入醫(yī)用強(qiáng)力膠以確保連接可靠，排列永磁體2時(shí)需要確保相鄰兩個(gè)永磁體2的相鄰端的磁極相同，在頭尾兩個(gè)永磁體上2使用帶有圓頭的端部乳膠套I進(jìn)行封裝，在中間永磁2上使用超薄的中部乳膠套5封裝，在端部乳膠套1、中部乳膠套5與乳膠微管3的結(jié)合部使用醫(yī)用強(qiáng)力膠進(jìn)行粘接密封。電磁鐵通過電磁線圈12產(chǎn)生方向和大小可變的交變磁場,磁場通過軛鐵8、磁靴
9、磁靴9間空隙閉合，磁靴9為梯形具有磁場匯聚作用，在上下兩個(gè)極靴9之間得到近似于平行的均勻磁場；電磁鐵的磁靴9的頂部寬度至少為兩個(gè)永磁體2的長度，插入軛鐵8沿軛鐵8滑動(dòng)，由步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)11、絲杠螺母10推動(dòng)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其作用是使得永磁體2產(chǎn)生一定時(shí)間滯后相位差的磁偶矩；蛇形機(jī)器人中永磁體2的極性，需要確保前后兩個(gè)永磁體2的相鄰極是相同的，如都是N極或者都是S極，這樣相鄰單元之間方可產(chǎn)生方向相反的磁偶矩，使得機(jī)器人身體呈現(xiàn)周期的S波浪形，圖1中按照NSSNNS...的極性排列順序?qū)嵤?，也可以按照SNNSSNNS的極性排列順序?qū)嵤Ｉ咝螜C(jī)器 人中永磁體2的數(shù)量按照蛇形牽引的原理至少需要3個(gè)，在大于3的前提下可多可少，圖中實(shí)施例按照7個(gè)進(jìn)行配置，在實(shí)際實(shí)施時(shí)可不受此數(shù)量的限制。端部乳膠套1、中部乳膠套5與乳膠微管3在結(jié)合部使用醫(yī)用強(qiáng)力膠進(jìn)行密封粘合，所用材料均需保證與組織、血液的相容性、無排斥和毒副作用。本發(fā)明工作時(shí)，在血管切口將機(jī)器人導(dǎo)入，電磁線圈12斷電無外加磁場時(shí)機(jī)器人呈直線狀，當(dāng)電磁線圈12通電，使得上部磁靴9為S極，下部磁靴9為N極時(shí)，在機(jī)器人最左端的兩個(gè)永磁體2上將產(chǎn)生兩個(gè)方向相反的磁偶矩，使得這兩個(gè)永磁體2之間的乳膠微管3向下彎曲，控制步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)11推動(dòng)磁靴9向右運(yùn)動(dòng)，依次對機(jī)器人左端部到右端部各個(gè)永磁體2施加外磁場時(shí)，由于相鄰兩個(gè)永磁體2的相鄰端的極性相同，則機(jī)器人呈現(xiàn)周期性的S波浪形，磁靴9達(dá)到右端部時(shí)切斷電磁鐵電源，上下磁靴9間空氣隙無磁場，磁靴9返回到左端部，給電磁線圈12通反向電流，空氣隙產(chǎn)生反向磁場，并施加到機(jī)器人的永磁體2上，推進(jìn)磁靴9從左端到右端移動(dòng)，各個(gè)永磁體2則依次產(chǎn)生反方向的磁偶矩，則迫使S形的波峰向波谷方向橫向擺動(dòng)，重復(fù)上述則機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)向左的泳動(dòng)，如果移動(dòng)極靴9并施加外場的方向是從右端到左端，極靴9從左端到右端是無磁場的空回，則機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)從左向右的泳動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，其特征在于，主要由端部乳膠套(I)、永磁體(2)、乳膠微管(3)、鋼絲(4)、中部乳膠套(5)、軸承(6)、軸承座(7)、軛鐵(8)、磁靴(9)、絲杠螺母(10)、步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)(11)、電磁線圈(12)組成，其中:鋼絲(4)依次串接若干永磁體(2)和乳膠微管(3)，相鄰兩個(gè)永磁體(2)的相鄰端磁極相同，在頭尾兩個(gè)永磁體(2)上使用帶有圓頭的端部乳膠套(I)進(jìn)行覆膜封裝，在中間永磁體上使用中部乳膠套(5)直接進(jìn)行覆膜封裝，形成血管介入機(jī)器人本體；電磁線圈(12)繞在軛鐵(8)中部，軛鐵(8)的兩臂插入磁靴(9)，軸承座(7)及步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)(11)的電機(jī)座使用螺栓固定在軛鐵(8 )上，步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)(11)的絲桿末端支撐在軸承座(7 )的軸承(6 )上，絲桿螺母(10)使用螺栓與磁靴(9)連接，形成體外磁場驅(qū)動(dòng)和控制裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，其特征在于，所述磁靴(9)寬度至少為兩個(gè)永磁體(2)的長度，沿軛鐵(8)滑動(dòng)，由步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)(11)驅(qū)動(dòng)做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其作用是使永磁體(2)產(chǎn)生一定時(shí)間相位差的磁偶矩。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，其特征在于，所述永磁體(2)的數(shù)量按照蛇形牽引的原理至少需要3個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，其特征在于，所述端部乳膠套(I)、中部乳膠套(5)與乳膠微管(3)在連接部使用醫(yī)用乳膠進(jìn)行密封粘合，所用材料均需保證與組織、血液的相容性、無排斥和毒副作用。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，其特征在于，所述機(jī)器人本體在電磁線圈(12)通電時(shí)，磁靴(9)沿軛鐵(8)由左端運(yùn)動(dòng)到右端，機(jī)器人本體呈現(xiàn)S形；電磁線圈(12)斷電時(shí)，磁靴(9)沿軛鐵(8)由右端運(yùn)動(dòng)到左端，然后電磁線圈(12)反向通電，磁靴(9)沿軛 鐵(8)由左端運(yùn)動(dòng)到右端，則機(jī)器人呈現(xiàn)蛇形泳動(dòng)的橫向擺動(dòng)并向左運(yùn)動(dòng)，改變電磁線圈(12)通電時(shí)的磁靴(9)運(yùn)動(dòng)方向由右端運(yùn)動(dòng)到左端，則可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向右運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，其特征在于，所述磁靴(9)為梯形。
全文摘要
一種用于血管介入的外場驅(qū)控泳動(dòng)蛇形機(jī)器人，主要由端部乳膠套、永磁體、乳膠微管、鋼絲、中部乳膠套、軸承、軸承座、軛鐵、磁靴、絲杠螺母、步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)、電磁線圈組成，其中鋼絲依次串接若干永磁體和乳膠微管，相鄰兩個(gè)永磁體的相鄰端磁極相同，頭尾兩個(gè)永磁體上使用帶有圓頭的端部乳膠套進(jìn)行覆膜封裝，中間永磁體上使用中部乳膠套直接進(jìn)行覆膜封裝，形成血管介入機(jī)器人本體；電磁線圈繞在軛鐵中部，軛鐵的兩臂插入磁靴，軸承座及步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)的電機(jī)座使用螺栓固定在軛鐵上，步進(jìn)滾珠絲杠電機(jī)的絲桿末端支撐在軸承座的軸承上，絲桿螺母使用螺栓與磁靴連接，形成體外磁場驅(qū)動(dòng)和控制裝置。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、易于微型化、可靠性高。
文檔編號(hào)A61B17/22GK103230293SQ20131014914
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月26日
發(fā)明者王坤東, 金軒 申請人:上海交通大學(xué)