CN103784228A - 基于电机直线机构及无线通讯的减肥胶囊机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电机直线机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，由化学膨胀模块、机械硬件模块和无线通讯控制模块构成，化学膨胀模块是通过乙酸与碳酸氢钠粉末接触反应产生对人体无害的二氧化碳气体使膨胀气球膨胀；机械硬件模块以步进丝杆电机的直线输出机构为主体，配以触发反应刀片和实现膨胀气球放气的针头；无线通讯控制模块是通过减肥胶囊机器人内设置的无线模块与体外基站进行通讯的方式控制步进丝杆电机的转角而控制直线机构的位移，从而控制膨胀气球的膨胀与收缩。本发明尺寸小，机构装置新颖，供能控制方式独特，安全可靠，摄入和排出极为方便；植入过程对身体基本没有伤害。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于电机直线机构和无线通讯控制的微型减肥胶囊机器人，是治疗肥胖病症的医学设备，属于机械电子学科与生物医学领域相结合的技术领域。
背景技术
根据世界健康组织（WHO）最新的数据显示，全球有16亿成年人身体超重，4亿成年人过度肥胖，并且肥胖病症会诱发诸如高血压、冠心病、中风等疾病，引起了各相关领域越来越多的重视。
1982年，Neiben提出了胃内气球占据胃的一定空间，从而减少饥饿感，减少食物的摄入量的概念，见参考文献[1]：Neiben OG,Harboe H.Intragastric balloon as an artificial bezoar fortreatment of obesity.Lancet1982;i:198-9，这个提议被证明是短期治疗肥胖的有效疗法。基于此理论，一些充满液体或者气体的装置被发明出来，像GEGB,Ballobes,Wilson-Cook,Tremco,Taylor and Dow-Corning等。见参考文献[2]：Forestieri P,De Palma G D,Formato A,et al.Heliosphere
bag in the treatment of severe obesity:preliminary experience[J].Obesity surgery,2006,16(5):635-637。然而这些产品的寿命都不长，容易漏气，并且理想膨胀体积和所需最佳膨胀时间得不到有效的控制。
目前，存在市场上最为商业用途的治疗肥胖症的主要有Bioentrics Intragastric Balloon(BIB)和Heliosphere Bag两种产品，这两种装置同样基于胃内气球术原理。虽然在治疗肥胖方面这两种装置成果显著，但在治疗开始和治疗结束时，均需借助胃镜深入患者胃部，由此给肥胖患者带来极大的身体不适和痛苦，这些缺陷在一定程度上限制了其进一步商品化进程。
近期，新加坡的研究者在实验室中实现了基于无线通讯技术控制胃内气球的减肥装置，见参考文献[3]：Kencana A P,Rasouli M,Huynh V A,et al.An ingestible wireless capsule fortreatment of obesity[C]//Engineering in Medicine and Biology Society(EMBC),2010AnnualInternational Conference of the IEEE.IEEE,2010:963-966，并在猪体内做了初步实验。但受装置机械方案的限制，该装置体积尺寸较大不能使人体正常服用。并且气球膨胀体积过大，对人身体机能造成的影响已不能忽视。
因此，基于胃内气球术原理改进装置的机械方案，即以电机直线机构为基础进行机械原理设计，采用无线通讯控制方式进行信息通讯和控制，研发体积尺寸更加小的以达到食用水平的装置，并提高装置性能以达到更佳的治疗效果以及减小装置对人体的副作用，这些显得尤为紧迫和重要。
发明内容
本发明提出了一种基于电机直线机构和无线通讯控制的微型减肥胶囊机器人，目的是为了解决目前减肥装置不便于摄入、辅助设备的导入给病人带来极大痛苦、减肥治疗效果不明显等问题。
本发明的微型减肥胶囊机器人，主要由化学膨胀模块、机械硬件模块、无线通讯控制模块三大模块构成，各模块之间相互配合具备易组装性。化学膨胀模块是通过乙酸与碳酸氢钠粉末接触反应产生对人体无害的二氧化碳气体使膨胀气球膨胀；机械硬件模块以步进丝杆电机的直线输出机构为主体，配以触发反应刀片和实现膨胀气球放气的针头；无线通讯控制模块是通过减肥胶囊机器人内设置的无线模块与体外基站进行通讯的方式控制步进丝杆电机的转角而控制直线机构的位移，从而控制膨胀气球的膨胀与收缩。
所述微型减肥胶囊机器人，具体包括主外壳、次外壳、膨胀气球、出气端盖、缓冲海绵片、密封薄膜、无线收发板、控制板、电源、步进丝杆电机、触发反应刀片、套筒、针头、刀片滑道、螺纹丝杆、导轨和滑板，所述次外壳位于主外壳内部，二者之间过盈配合连接；主外壳的内表面与次外壳的外表面形成环形碳酸氢钠粉末腔，次外壳内部形成四个工作腔，在所述主外壳的右端面外侧布置无线收发板、控制板和电源，电源通过主外壳后端面上走线孔与步进丝杆电机连接为其供电。所述主外壳的左端与出气端盖之间过盈配合将膨胀气球充气口和密封薄膜压在出气端盖之上来实现密封，在所述出气端盖和密封薄膜之间还设置有缓冲海绵片。所述膨胀气球通过主外壳右端面上二氧化碳气体通道与碳酸氢钠粉末腔连通。所述次外壳的右端面上设置电机安装孔，所述步进丝杆电机与所述电机安装孔过盈配合，实现对步进丝杆电机的固定。所述步进丝杆电机的输出轴位于次外壳内部，所述输出轴为螺纹丝杆，在所述螺纹丝杆上螺纹连接滑板，在所述滑板上固定套筒，套筒四周布置三把触发反应刀片，套筒自由端面上设置针头。针头与套筒同轴。在所述的螺纹丝杆下方设置有导轨，导轨穿过滑板，用于保证滑板沿螺纹丝杆长轴方向直线运动。导轨两端固定在电机轴端挡板上，所述电机轴端挡板固定在电机外壳上。
所述次外壳内部通过隔板将内部空间分成倒“П”形空间，包括三个乙酸袋腔和一个电机工作腔，在所述隔板上加工有刀片滑道，所述刀片滑道贯通整个次外壳长轴方向，在每个刀片滑道两侧，靠近次外壳的右端面，加工有凸台，凸台沿次外壳长轴方向的厚度不小于触发反应刀片的刃部宽度。所述刀片滑道的数量与触发反应刀片的数量相同。所述凸台位于所述的左工作腔、右工作腔和下工作腔内的隔板侧面。
在所述次外壳壁面上设置有乙酸液体通道，便于乙酸液体进入碳酸氢钠粉末腔内。在所述主外壳右端面设置有二氧化碳气体通道，用于连通碳酸氢钠粉末腔和膨胀气球。
新的机械原理方案和控制方式，使得装置体积尺寸非常小，达到可食用水平；膨胀体积适中可以减小胃内膨胀气球对人体的副作用，可具备更理想的治疗效果。
本发明的优点在于：
(1)本发明减肥胶囊机器人尺寸小，机构装置新颖，供能控制方式独特，安全可靠，摄入和排出极为方便；
(2)本发明减肥胶囊机器人无需通过手术等手段放入或者排出人体，植入过程对身体基本没有伤害；
(3)传统的水囊减肥方法由于摄入和排出极为复杂，往往需要滞留体内半年以上，因此有可能对身体造成或多或少的副作用，而该胶囊机器人由于摄入和排出很方便，可以缩短每粒胶囊在体内的滞留时间（比如滞留两周排出，休息几天然后再次摄入），以消除或减少对身体的副作用；
(4)本发明减肥胶囊机器人机械机构简单，加工制作方便，成本较低，具备很高的经济性，为实现其市场化提供了可能。
附图说明
图1是本发明整体装配剖面图；
图2A和图2B是主外壳与次外壳的配合图以及所形成的工作腔示意图；
图3是步进电机及刀具的安装结构图；
图4A和图4B是出气端盖的结构示意图及其剖视图。图1中
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种基于电机直线机构及无线通讯的微型减肥胶囊机器人，是一种机械电子装置，运用了胃内气球术原理，所述的微型减肥胶囊机器人主要包括化学膨胀模块、机械硬件模块和无线通讯控制模块三大部分。其中化学膨胀模块主要包括出气端盖1、缓冲海绵片2、密封薄膜3、和膨胀气球8；机械硬件模块包括主外壳4、次外壳5、步进丝杆电机12、触发反应刀片13、套筒14、针头15和刀片滑道16；无线通讯控制模块包括无线收发板9、控制板10、电源11。其中化学膨胀模块与机械硬件模块主要通过出气端盖1与主外壳4之间的过盈配合将膨胀气球8充气口、密封薄膜3紧紧压在出气端盖1之上来保证装置的气密性，次外壳5内部的空腔结构用于存放化学膨胀模块的乙酸袋，主外壳4与次外壳5之间的环形间隙用于存放化学膨胀模块的碳酸氢钠粉末以及作为装置产生二氧化碳的反应腔；无线通讯控制模块用于机械硬件模块供电并收发控制信号并对整个装置进行控制，所述的无线收发板9、控制板10和电源11存放于机械硬件模块主外壳4的孔腔内。
下面结合图1～图3对本发明中各个模块的内部组件、连接方式及功能进行详细介绍。
化学膨胀模块是胃内气球膨胀及收缩的功能模块，是装置产生治疗肥胖效果的主模块。它主要包括乙酸袋腔6、碳酸氢钠粉末腔7和膨胀气球8构成的充气膨胀部分和出气端盖1、缓冲海绵片2和密封薄膜3构成放气缓冲部分。乙酸液体包裹在乙酸袋中，乙酸袋存放于次外壳5的三个工作腔（左工作腔601、右工作腔602、下工作腔603）内，碳酸氢钠粉末存放在主外壳4与次外壳5之间的环形间隙内，环形分布式铺开增大了碳酸氢钠粉末与乙酸液体反应的接触面积。反应开始时，乙酸袋被刀片滑道16中移动的触发反应刀片13划破，乙酸液体从乙酸袋中流出，经由次外壳5壁面的乙酸液体通道502流入碳酸氢钠粉末腔7内，与碳酸氢钠粉末反应产生二氧化碳气体，二氧化碳气体通过二氧化碳气体通道401进入膨胀气球8内部，使初始收缩的膨胀气球8膨胀。治疗期之后，密封薄膜3被电机直线机构上的针头15扎破，二氧化碳气体直接经缓冲海绵片2和出气端盖1上的出气孔101排出胶囊，膨胀气球8收缩。如图4A和4B所示，所述出气端盖1上具有出气口101，出气口101和密封薄膜3之间设置缓冲海绵片2。缓冲海绵片2中吸附的碳酸氢钠粉末既对排出胶囊的二氧化碳具备“洗气”的作用，又能够防止胃酸腐蚀所述的减肥胶囊机器人，起到缓冲作用。
机械硬件模块以步进丝杆电机12为主体，并且配合主外壳4、次外壳5、套筒14、触发反应刀片13、针头15、刀片滑道16等部件。步进丝杆电机12的输出端是精密螺纹丝杆17结构，步进丝杆电机12接收由单片机芯片发来的控制脉冲，从而使螺纹丝杆17上螺纹连接的滑板19沿着导轨18方向直线位移；次外壳5的空心结构形成3个乙酸袋腔6和一个电机工作腔605，如图2A和图2B，即左工作腔601、右工作腔602、下工作腔603和电机工作腔605，四个工作腔以隔板604断开，隔板604上有刀片滑道16；次外壳5右端面与主外壳4右端面的内孔形成过渡配合进行连接固定；进一步优选的，在次外壳5的右端面加工两个凸台引脚，通过两个凸台引脚与主外壳4右端面上的内孔过渡配合实现连接。主外壳4的内表面与次外壳5的外表面形成的环形间隙形成碳酸氢钠粉末腔7，环形间隙所对应的主外壳4左端面区域有圆形孔，作为二氧化碳气体通道401，连通碳酸氢钠粉末腔7和膨胀气球8，使碳酸氢钠粉末腔7中反应产生的二氧化碳气体能够从碳酸氢钠粉末腔7内充入膨胀气球8，为使乙酸袋在未要求反应时不被触发反应刀片13划破，次外壳5内部通过隔板604将内部空间分成倒“П”形空间，包括3个乙酸袋腔6和一个电机工作腔605，如图2A所示，在所述隔板604上加工有刀片滑道16，所述刀片滑道16贯通整个次外壳5长轴方向，在每个刀片滑道16两侧，靠近次外壳5的右端面，加工有凸台501，凸台501沿次外壳5长轴方向的厚度不小于触发反应刀片13的刃部宽度。所述刀片滑道16的数量与触发反应刀片13的数量相同。所述凸台501位于所述的左工作腔601、右工作腔602和下工作腔603内的隔板604侧面。
步进丝杆电机12采用的是步进丝杆微型电机，其输出端为螺纹丝杆17结构，如图3所示，步进丝杆电机12通过过盈配合的方式固定在次外壳5右端面上的电机安装孔503之中，并且所述步进丝杆电机12的输出端即螺纹丝杆17位于上工作腔605内；所述螺纹丝杆17作为步进丝杆电机12的输出轴，在所述螺纹丝杆17上螺纹连接滑板19，滑板19上固定连接套筒14，所述套筒14位于螺纹丝杆17下方，并且套筒14长轴方向平行于螺纹丝杆17。在所述螺纹丝杆17下方设置导轨18，所述导轨18与所述螺纹丝杆17位于同一个竖直面内，并且相互平行，所述导轨18穿过滑板19，使得滑板19沿着螺纹丝杆17运动过程中保持轴向运动。所述导轨18两端固定在电机轴端挡板20上，电机轴端挡板20固定在电机外壳上。套筒14的一个端面连接于步进丝杆电机12的滑板19之上，另一个端面上同轴固定针头15；在所述套筒14的外壁圆周上设置三把触发反应刀片13，用于割破放置于乙酸袋腔6内的三个乙酸袋，从而触发反应实现充气过程；所述触发反应刀片13垂直于套筒14的外壁，刃部方向平行于套筒14轴线，每个触发反应刀片13初始位置位于各自的刀片滑道16内，并且位于相应凸台501位置。对于所述触发反应刀片13的径向长度，满足如下条件：
如果所述套筒14轴线到触发反应刀片13刃部的距离为L1,套筒14轴线到相应工作腔隔板外侧的距离为L2，套筒14轴线到凸台501外缘的距离为L3，那么存在L1大于L2，小于L3。
所述针头15的尖端正对出气端盖1上密封薄膜3，在治疗期之后，通过控制脉冲的数量，从而实现针头15的纵向位移，从而扎破密封薄膜3，实现装置的排气，具体结构如图3。
无线通讯控制模块中主要包括无线收发板9、控制板10和电源11。无线收发板9负责通过发射和接收433Mhz射频信号与体外控制台进行无线通信；控制板10上单片机芯片以及相应的接口以及TI公司的微控制器CC430，负责处理收到的无线信号并驱动步进丝杆电机12进行相应运动；电源11为体积尺寸小且蓄能大的纽扣电池，负责给步进丝杆电机12、无线收发板9、控制板10供电。在工作过程中，无线收发板9接收到体外工作站的指令信号，经过单片机产生控制脉冲，对步进丝杆电机12进行旋转角度的控制，经输出端上的丝杠转成滑板的直线运动，根据脉冲的个数的不同，从而实现滑板19的不同位移，从而实现膨胀气球8的充气和放气的过程。所述无线收发板9、控制板10和电源11设置在主外壳4右端面外侧加工的圆筒结构内部，在所述主外壳4右端面上加工有走线孔504，便于电源11与步进丝杆电机12之间的走线，为所述步进丝杆电机12供电。
整个系统工作模式如下：
减肥胶囊机器人通过正常口服的方式进入人体胃部，达到其初始状态，即乙酸液体包裹在酸袋中放在次外壳5的乙酸袋腔6中，碳酸氢钠粉末均匀分布在碳酸氢钠粉末腔7中，三把触发反应刀片13停靠在次外壳5的保护凸台501内部，以防止触发反应刀片13在初始状态时对乙酸袋造成破坏，密封薄膜3和膨胀气球8的充气口紧紧贴在出气端盖1上实现密封，膨胀气球8处于收缩状态。当体外基站发出信号后，通过射频信号发射给体内设备，进行处理之后，单片机芯片产生脉冲，对步进丝杆电机12进行控制，螺纹丝杆17的旋转带动滑板19产生直线运动，固定在滑板19上的触发反应刀片13随之的运动离开凸台501，将乙酸袋划破。流出的乙酸液体经由次外壳5的乙酸液体通道502与碳酸氢钠粉末反应，产生二氧化碳气体通过二氧化碳气体通道401进入膨胀气球8，使膨胀气球8膨胀。当单片机发出的脉冲数达到初始设定的个数时，滑板19带动触发反应刀片13停止运动，即套筒14上的针头15距密封薄膜3有一定距离，不接触。当治疗期结束时，体外基站的高频信号再次使单片机产生触发脉冲，滑板19继续向前运动，使得套筒14上的针头15将密封薄膜3扎破，膨胀气球8内高压气体经缓冲海绵片2和出气端盖1上的出气口101缓慢排到胶囊外即人体胃部，故排出二氧化碳气体的过程对人体基本没有副作用。整个过程各个模块部件相互配合，排气结束的装置因体积尺寸极其微小，可以直接排出体外，一个治疗过程完全结束。
Claims (6)
1.基于电机直线机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：所述微型减肥胶囊机器人，包括主外壳、次外壳、膨胀气球、出气端盖、缓冲海绵片、密封薄膜、无线收发板、控制板、电源、步进丝杆电机、触发反应刀片、套筒、针头、螺纹丝杆、导轨和滑板，所述次外壳位于主外壳内部，二者之间过盈配合连接；主外壳的内表面与次外壳的外表面形成环形碳酸氢钠粉末腔，次外壳内部形成四个工作腔，在所述主外壳的右端面外侧布置无线收发板、控制板和电源，电源通过主外壳后端面上走线孔与步进丝杆电机连接为其供电；所述主外壳的左端与出气端盖之间过盈配合将膨胀气球充气口和密封薄膜压在出气端盖之上来实现密封，所述膨胀气球通过主外壳右端面上二氧化碳气体通道与碳酸氢钠粉末腔连通；所述次外壳的右端面上设置电机安装孔，所述步进丝杆电机与所述电机安装孔过盈配合，实现对步进丝杆电机的固定；所述步进丝杆电机的输出轴位于次外壳的一个工作腔内，所述输出轴为螺纹丝杆，在所述螺纹丝杆上螺纹连接滑板，在所述滑板上固定套筒，套筒四周布置三把触发反应刀片，套筒自由端面上设置针头，针头与套筒同轴；在所述的螺纹丝杆下方设置有导轨，导轨穿过滑板，用于保证滑板沿螺纹丝杆长轴方向直线运动；导轨两端固定在电机轴端挡板上，所述电机轴端挡板固定在电机外壳上；所述次外壳内部通过隔板将内部空间分成倒“П”形空间，包括三个乙酸袋腔和一个电机工作腔，在所述隔板上加工有刀片滑道，所述刀片滑道贯通整个次外壳长轴方向，在每个刀片滑道两侧，靠近次外壳的右端面，加工有凸台，凸台沿次外壳长轴方向的厚度不小于触发反应刀片的刃部宽度；所述刀片滑道的数量与触发反应刀片的数量相同；在所述次外壳壁面上设置有乙酸液体通道，用于连通乙酸袋腔和碳酸氢钠粉末腔；在所述主外壳左端面设置有二氧化碳气体通道，用于连通碳酸氢钠粉末腔和膨胀气球。
2.根据权利要求1所述的基于电机直线机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：在所述出气端盖上设置出气口，出气口和密封薄膜之间设置有缓冲海绵片。
3.根据权利要求1所述的基于电机直线机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：所述凸台位于所述的三个乙酸袋腔内，加工在隔板侧面上。
4.根据权利要求1所述的基于电机直线机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：在所述次外壳的右端面加工两个凸台引脚，通过两个凸台引脚与主外壳右端面上的内孔过渡配合实现主外壳和次外壳的连接。
5.根据权利要求1所述的基于电机直线机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：所述导轨与所述螺纹丝杆位于同一个竖直面内，并且相互平行。
6.根据权利要求1所述的基于电机直线机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：所述触发反应刀片的径向长度，满足如下条件：
如果所述套筒轴线到触发反应刀片刃部的距离为L1,套筒轴线到相应工作腔隔板外侧的距离为L2，套筒轴线到凸台外缘的距离为，那么存在L1大于L2，小于L3。
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