專利名稱：自組裝模塊化機器人系統及其連接器的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人領域，具體涉及一種面向胃腸道檢查和治療的自組裝模塊化機器人系統及其連接器。
背景技術：
自從2000年以色列推出可吞咽的藥丸式膠囊內窺鏡PillCam后，膠囊內窺鏡在人體消化道疾病檢查過程中發揮越來越大的作用，也受到了很多患者的歡迎，但是這種微型膠囊內窺鏡只是一個被動式的圖像采集和發射裝置，只能依靠腸胃道的自然蠕動推進，所以其運動是不可控的。為了研制出運動可控的無線消化道檢查機器人，目前有很多研究者
正致力于給這種膠囊內窺鏡加上驅動裝置，從而使其運動變得可控，采取的方法主要有兩種在膠囊上增加移動機構和利用外磁場驅動體內磁性膠囊。意大利的Paolo Dario等人研制出由微型電機驅動基于形狀記憶合金的腿的爬行微型機器人，因為能量消耗高，自帶電池只能使用很短的時間。韓國的Byungkyu Kim等人研制劃槳式的游泳微型機器人,在充滿粘性介質的消化道中運動效率很低。這些在膠囊上增加移動機構的方法增加了需要集成在膠囊上的元器件數目，不可避免地增加了機器人的總體尺寸，使其不能被患者吞入體內，給在有限的空間中進行系統集成帶來很大的挑戰和困難，目前開發的各種基于自主運動的無線消化道檢查機器人還沒有一個在尺寸上小到可以被吞咽進去人體消化道內的程度。意大利的Paolo Dario等人采用工業機器人機械臂上安裝的永磁鐵去引導內嵌磁鐵的膠囊，實現在消化道中前進與后退。日本的Ishiyama等人采用空間旋轉磁場驅動內嵌磁鐵的膠囊，通過膠囊表面的螺紋旋轉推進。外磁場驅動的磁性膠囊機器人雖然不存在膠囊內部空間有限的問題，也不會增加其整體尺寸，但其難點在于設計出一個安全可用的外磁場，這種技術方法不僅使控制系統變得復雜，而且其所需的設備造價也很昂貴，到目前為止還沒有研制出一個低成本的實用樣機。無線膠囊內窺鏡在消化道疾病的診斷方面起到積極的作用，但是現有的單體式運動可控無線膠囊內窺鏡機器人仍然無法滿足體內診斷和治療的需求。病人不僅要求診斷安全舒適，還需要微型機器人能夠在體內對病變部位進行采樣、切除和施藥。現有的單體式運動可控無線膠囊內窺鏡機器人包括自主驅動和外磁場驅動兩種類型。專利(I)(主動可控式膠囊內鏡機器人系統，申請號200910196273. 7)的膠囊內窺鏡機器人系統采用仿尺蠖的運動機構實現前進與后退。專利(2)(螺桿式主動推進膠囊機器人，申請號201110001013. 7)的膠囊機器人采用微型電機驅動螺桿實現在充滿大粘度介質的消化道中自主前進與后退。這些專利描述了膠囊機器人的自主驅動方法，但機器人本體的依然尺寸很大，無法被正常成年人吞咽。專利(3)(主動式紅外無線膠囊內視鏡系統，申請號201010182248. 6)的無線膠囊本體在體外磁驅動器控制下在體內移動。專利(4)(用于膠囊內窺鏡檢測的磁導航式運動控制系統，申請號200910273088. 3)提出通過外部控制含有5個聯動軸的磁導航儀系統各個部件的進給速度、轉動速度和相對運動速度，可以實現針對膠囊內窺鏡在消化道內的運動控制和位置控制。這些專利所描述的外磁場驅動方法需要復雜的控制系統來實現，不僅增加了成本，而且還使被檢查者的行動不自由。

發明內容
基于此，有必要提供一種方便患者吞咽的自組裝模塊化機器人系統。—種自組裝模塊化機器人系統，其包括體外控制系統；及至少兩個體內機器人模塊，所述體內機器人模塊包括機電平臺，設有控制電路，所述控制電路包括與所述體外控制系統互相傳遞信號
的無線通訊裝置及與無線通訊裝置連接的開關電路；連接器，包括安裝在機電平臺上的固定件、安裝在固定件上的導桿、通過導桿可移動地安裝在固定件上的活動件，其中所述固定件和所述活動件之間設有連接它們的形狀記憶合金彈簧和連接它們的恢復彈簧，所述活動件上布置有可產生磁力的磁性件，所述形狀記憶合金彈簧與所述開關電路連通，所述無線通訊裝置接收所述體外控制系統的指令后控制所述開關電路接通或斷開，所述開關電路接通時對所述形狀記憶合金彈簧進行加熱。在其中一個實施例中，所述磁性件為多個永磁鐵,按磁極間隔的方式布置于所述活動件的端面，所述多個永磁鐵成圓周狀布置。在其中一個實施例中，所述體外控制系統包括計算機及無線收發裝置，所述計算機通過無線收發裝置與所述無線通訊裝置進行數據交互。在其中一個實施例中，所述機電平臺包括殼體、安裝在殼體上的齒輪、安裝在所述齒輪上的自由度關節、與所述齒輪配合的驅動齒輪及帶動所述驅動齒輪轉動的電機，所述控制電路布置于殼體中并控制所述電機的運轉；所述自由度關節上安裝有一個所述連接器，所述連接器通過其固定件安裝在所述自由度關節上。在其中一個實施例中，所述體內機器人模塊有多個，每一個體內機器人模塊上安裝有一個以上的所述連接器。在其中一個實施例中，所述多個體內機器人模塊上安裝有不同的診斷治療裝置。另外，還提出一種連接器，其包括固定件；導桿，安裝在固定件上；活動件，通過導桿可移動地安裝在固定件上；其中所述固定件和所述活動件之間設有連接它們的形狀記憶合金彈簧和連接它們的恢復彈簧，所述活動件上布置有可產生磁力的磁性件。在其中一個實施例中，所述磁性件為多個永磁鐵,按磁極間隔的方式布置于所述活動件的端面。在其中一個實施例中，所述多個永磁鐵成圓周狀布置。在其中一個實施例中，所述活動件端面還設有導引柱和導引孔。上述自組裝模塊化機器人系統中，體內機器人模塊的活動件設有磁性件，因此能夠與其他體內機器人模塊實現連接，通過開關電路實現對形狀記憶合金彈簧的加熱和冷卻，加熱時形狀記憶合金彈簧收縮，對活動件產生拉力，使兩個體內機器人模塊的活動件之間的距離增大，磁性件之間的吸引力變小，使兩個連接器能夠分離，形狀記憶合金彈簧冷卻后在恢復彈簧的作用下使活動件回到原來位置，從而兩個連接器處于吸合狀態，從而多個體內機器人模塊可以方便地在人體內組合，患者只需要吞咽體積較小的體內機器人模塊即可。


圖I為體內機器人的機電平臺的示意圖；圖2為體內機器人的連接器的示意圖，形狀記憶合金彈簧處于伸長狀態；圖3為圖2所示連接器另一角度的示意圖；圖4為體內機器人的連接器的示意圖，形狀記憶合金彈簧處于收縮狀態；圖5為機電平臺與連接器的組合圖；圖6為體內機器人模塊進行自組合的流程圖；圖7為蜘蛛型機器人在胃里面的示意圖；圖8為蛇型機器人在腸道里面的示意圖。
具體實施例方式本實施方式的自組裝模塊化機器人系統包括體外控制系統和多個體內機器人模塊。體外控制系統包括計算機(未圖示)和無線收發裝置(未圖示)。體內機器人模塊設有與體外控制系統互相傳遞信號的無線通訊裝置。體內機器人模塊采用異構式結構，即所有模塊的結構和功能不是完全相同的。體內機器人模塊按自組裝過程中的任務角色可分為根模塊和子模塊，根模塊將被作為自組裝過程中的主模塊，它負責從周圍環境中抓取所需的子模塊并與其連接在一起，也負責從組裝好的機器人本體上釋放不需要的子模塊。模塊按在機器人本體中的作用可分為功能模塊和結構模塊。功能模塊上安裝有診斷治療裝置。結構模塊主要用來連接各功能模塊。每一個體內機器人模塊包括機電平臺100和安裝在機電平臺100上的連接器200。根據任務分工不同，在機電平臺100上安裝不同的傳感器和執行器，就使得體內機器人模塊的結構和功能不同，從而實現所謂的異構式結構。異構式結構的好處在于可減少單個模塊的功能和降低單個模塊的經濟成本。如果某個體內機器人模塊上不安裝任何的傳感器和執行器，那么就是作為純粹的結構模塊使用，但這并不意味著作為結構模塊使用的體內機器人模塊上不可以安裝傳感器和執行器。請參考圖1，機電平臺100包括殼體110、安裝在殼體110內的控制電路120、安裝在殼體Iio —端的齒輪130、安裝在齒輪130上的自由度關節140、與齒輪130嚙合的驅動齒輪150及與控制電路120連接的電機160。驅動齒輪150安裝在電機160的輸出軸上。控制電路120包括電源122、無線通信裝置(未圖示，如可采用帶有ZigBee無線通訊功能的TI儀器公司的芯片CC2530)及開關電路(未圖示)。請參考圖2至圖4，連接器200包括固定件210、安裝在固定件210上的導桿220、通過導桿220可移動地安裝在固定件210上的活動件230。固定件210和活動件230之間設有連接它們的形狀記憶合金彈簧240和連接它們的恢復彈簧250。固定件210可以安裝至IJ殼體110上的自由度關節140上，也可以安裝到殼體110的另一端上，還可以安裝在其他適合位置，以便能夠組合成不同形狀的體內機器人。如圖5中，殼體110的兩端均安裝有連接器200，可以組合成蛇型機器人，其中一個連接器200安裝在自由度關節140上可以在一定范圍內活動，另一個則連接器200則固定在殼體110上。連接器200可以通過螺栓或粘結的方式固定到殼體110上。容易理解，根據組裝要求不同及模塊承擔的角色不同，各模塊上安裝的連接器數量不同。例如，當需要組裝成蜘蛛型的機器人時，就需要某個或某些體內機器人模塊上具有三個或更多的連接器，而一些模塊上則只需安裝一個連接器即可，不再贅述。活動件230呈圓盤狀，其端面上設有多個磁性件260。本實施方式中，磁性件260采用永磁鐵，按磁極間隔的方式布置于活動件230的端面上，共有8個，呈圓周狀布置。活動件230的端面上還設有導引柱232和導引孔234，以更方便實現與其他連接器的活動件的對接。連接器200的工作原理簡述如下連接器200上的磁性件260的磁極間隔布置，
從而在磁吸引力的作用下與另一個連接器200實現自動連接。通過控制直流電流的通斷來實現形狀記憶合金彈簧240的加熱和冷卻，加熱時形狀記憶合金彈簧240收縮，產生一個拉力，在該向下拉力的作用下，活動件230沿著導桿220向下移動，隨著兩個連接器上的活動件230之間距離的增大，永磁鐵之間的吸引力逐變小，直至兩個連接器分離。冷卻后收縮的形狀記憶合金彈簧240在恢復彈簧250的作用下伸長恢復為未加熱時的形狀，在彈簧力的作用下，活動件230沿著導桿220向上移動，使連接器重新處于開啟狀態，也即處于能夠與其他連接器進行對接的狀態。請參考圖6，顯示了多個體內機器人模塊自組裝成一個體內機器人的流程。步驟一、觸發主模塊。確定某個體內機器人模塊為自組裝的主模塊，通過體外控制系統觸發主模塊。步驟二、確定機器人組織的增長方向。如確定是按蛇型還是蜘蛛型增長。步驟三、使相關的連接器處于開啟的狀態。步驟四、捕獲新的子模塊。相關的連接器均處于開啟的狀態下，它們之間能夠通過磁性吸引在一起，如此，在外部能量(腸胃)的作用下模塊隨機碰撞后彼此吸引組合在一起。步驟五、新的子模塊與機器人組織建立起通信。步驟六、判斷是否是所需的模塊。是，則形成新的機器人組織；否，則關閉相關的連接器，進而使得相關子模塊分離。圖7和圖8是按照不同的增長方向要求形成的蜘蛛型機器人在胃里面的示意圖和蛇型機器人在腸道里面的示意圖。多個體內機器人模塊上可安裝不同的診斷治療裝置。診斷裝置可以是微型攝像機或者微型傳感器，用于采集胃腸道內壁圖像或者生理參數，然后通過無線通訊裝置傳輸到體外控制系統，以供醫生查看。治療裝置可以是藥物施放器、鉗子或者手術刀，用于病變部位的用藥，采樣和切除。體外控制系統的無線收發裝置可以直接采用市場上可以購買到的商用器件，它將和體內機器人模塊上的微型無線通訊裝置實現數據的交換，即體內機器人采集到的圖像或其他生理參數以無線信號的方式穿透人體被體外的無線收發裝置接收，相反，來自醫生的控制命令也以無線信號的方式穿透人體被體內微型無線通訊裝置接收。計算機用于數據的存儲和處理，如已經拍攝好的胃腸道內部圖像的存檔，胃腸道病變的圖像自動診斷；計算機中的人機交互控制界面還用于體內機器人模塊和醫生之間的交互控制。綜上，上述自組裝模塊化機器人系統采用模塊化的設計方法，將單體式機器人分拆成幾個體積更小和功能更簡單的模塊，患者將小的模塊吞咽后在體內組裝成機器人，從而突破了人體消化道尺寸給機器人本體尺寸所帶來的限制，方便患者吞咽。功能和結構更簡單的模塊可以批量制造和重復使用，從而節約了成本。另外，體內機器人模塊上可根據需要安裝一個或多個連接器，可以自組裝成蜘蛛型或者蛇型機器人，能針對不同的消化道環境，實現運動自主可控的檢查與治療，不但比采用外磁場驅動系統的控制更簡單，而且也節約了硬件成本；同時也讓病人不用被束縛在檢查床上,活動范圍更大。以上所述實施例僅表達了本發明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員
來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。因此，本發明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種自組裝模塊化機器人系統，其特征在于，包括 體外控制系統；及 至少兩個體內機器人模塊，所述體內機器人模塊包括 機電平臺，設有控制電路，所述控制電路包括與所述體外控制系統互相傳遞信號的無線通訊裝置及與無線通訊裝置連接的開關電路； 連接器，包括安裝在機電平臺上的固定件、安裝在固定件上的導桿、通過導桿可移動地安裝在固定件上的活動件，其中所述固定件和所述活動件之間設有連接它們的形狀記憶合金彈簧和連接它們的恢復彈簧，所述活動件上布置有可產生磁力的磁性件，所述形狀記憶合金彈簧與所述開關電路連通，所述無線通訊裝置接收所述體外控制系統的指令后控制所述開關電路接通或斷開，所述開關電路接通時對所述形狀記憶合金彈簧進行加熱。
2.根據權利要求I所述的自組裝模塊化機器人系統，其特征在于，所述磁性件為多個永磁鐵，按磁極間隔的方式布置于所述活動件的端面，所述多個永磁鐵成圓周狀布置。
3.根據權利要求I所述的自組裝模塊化機器人系統，其特征在于，所述體外控制系統包括計算機及無線收發裝置，所述計算機通過無線收發裝置與所述無線通訊裝置進行數據交互。
4.根據權利要求I所述的自組裝模塊化機器人系統，其特征在于，所述機電平臺包括殼體、安裝在殼體上的齒輪、安裝在所述齒輪上的自由度關節、與所述齒輪配合的驅動齒輪及帶動所述驅動齒輪轉動的電機，所述控制電路布置于殼體中并控制所述電機的運轉；所述自由度關節上安裝有一個所述連接器，所述連接器通過其固定件安裝在所述自由度關節上。
5.根據權利要求I所述的自組裝模塊化機器人系統，其特征在于，所述體內機器人模塊有多個，每一個體內機器人模塊上安裝有一個以上的所述連接器。
6.根據權利要求5所述的自組裝模塊化機器人系統，其特征在于，所述多個體內機器人模塊上安裝有不同的診斷治療裝置。
7.一種連接器，其特征在于，包括 固定件； 導桿，安裝在固定件上； 活動件，通過導桿可移動地安裝在固定件上；其中 所述固定件和所述活動件之間設有連接它們的形狀記憶合金彈簧和連接它們的恢復彈簧，所述活動件上布置有可產生磁力的磁性件。
8.根據權利要求7所述的連接器，其特征在于，所述磁性件為多個永磁鐵，按磁極間隔的方式布置于所述活動件的端面。
9.根據權利要求8所述的連接器，其特征在于，所述多個永磁鐵成圓周狀布置。
10.根據權利要求7所述的連接器，其特征在于，所述活動件端面還設有導引柱和導引孔。
全文摘要
本發明涉及一種自組裝模塊化機器人系統，其包括體外控制系統及至少兩個體內機器人模塊，所述體內機器人模塊包括機電平臺，設有控制電路，所述控制電路包括與所述體外控制系統互相傳遞信號的無線通訊裝置及與無線通訊裝置連接的開關電路；連接器，包括安裝在機電平臺上的固定件、安裝在固定件上的導桿、通過導桿可移動地安裝在固定件上的活動件，其中固定件和活動件之間設有連接它們的形狀記憶合金彈簧和連接它們的恢復彈簧，活動件上布置有可產生磁力的磁性件，形狀記憶合金彈簧與所述開關電路連通，無線通訊裝置接收所述體外控制系統的指令后控制所述開關電路接通或斷開，開關電路接通時對所述形狀記憶合金彈簧進行加熱。
文檔編號A61B5/07GK102871632SQ20121025340
公開日2013年1月16日 申請日期2012年7月20日 優先權日2012年7月20日
發明者付國強, 呂高利, 周翊民 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院