CN103784229B - 基于电机旋转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旋转机构及无线通讯的减肥胶囊机器人。所述的减肥胶囊机器人包括主外壳、次外壳、直流旋转电机、出气端盖、海绵棒、密封薄膜、膨胀气球、纽扣电池、无线收发板和控制板等；所述的主外壳和次外壳之间形成环形密闭的碳酸氢钠粉末腔，次外壳内部具有乙酸袋腔和直流旋转电机；所述主外壳一个端面设置出气端盖，膨胀气球粘结在主外壳的外表面；主外壳另一个端面内部依次连接无线收发板、控制板和纽扣电池；在所述出气端盖内部设置海绵棒和密封薄膜。本发明减肥胶囊机器人尺寸小，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；具备很高的经济性，为实现其市场化提供了可能。
Description
技术领域
本发明属于机械电子学科与生物医学相结合的技术领域，涉及一种基于电机旋转机构和无线通讯控制的微型减肥胶囊机械装置，是治疗肥胖病症的医学设备。
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，参见参考文献[2]：Forestieri P,De Palma G D,Formato A,et al.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。
参见参考文献[3]：Kencana A P,Rasouli M,Huynh V A,et al.An ingestible wireless capsulefor treatment of obesity[C]//Engineering in Medicine and Biology Society(EMBC),2010AnnualInternational Conference of the IEEE.IEEE,2010:963-966，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，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，即以电机旋转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旋转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、机械硬件模块和无线通讯控制模块三大模块构成，各模块之间具备替换性和易组装性。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气球膨胀；机械硬件模块以直流旋转微型电机为主体，配以用作触发反应的针头和用于排气的特制刀具；无线通讯控制模块是通过减肥胶囊内设置的无线模块与体外基站进行通讯的方式控制电机的正反转，从而控制气球的膨胀与收缩。
本发明所述的减肥胶囊机器人包括主外壳、次外壳、直流旋转电机、出气端盖、海绵棒、密封薄膜、膨胀气球、触发反应针头、套筒、紧定螺钉、特制刀具、纽扣电池、无线收发板、控制板；所述的主外壳套在次外壳外部，二者之间形成环形密闭的碳酸氢钠粉末腔，次外壳内部具有圆筒形空腔，所述圆筒形空腔与次外壳壁面之间均分一个以上乙酸袋腔；所述直流旋转电机与所述圆筒形空腔过渡配合安装；所述主外壳一个端面设置出气端盖密封，膨胀气球粘结在主外壳的外表面实现膨胀气球密封；所述主外壳另一个端面内部依次连接无线收发板、控制板和纽扣电池；在所述出气端盖内部设置海绵棒，海绵棒表面包覆密封薄膜；所述套筒通过紧定螺钉与电机输出轴相连接，套筒外壁上分布触发反应针头和特制刀具；在所述次外壳壁面上设置有酸液流通孔，用于连通乙酸袋腔和碳酸氢钠粉末腔；在所述主外壳的一个端面上设置有气体流通孔，用于连通碳酸氢钠粉末腔和膨胀气球；乙酸液体包裹在乙酸袋腔的乙酸袋中，碳酸氢钠粉末存放在环形碳酸氢钠粉末腔内。
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体型尺寸小，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），以减少或消除对患者身体的副作用；
(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是本发明提供的减肥胶囊机器人整体装配剖面图；
图2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是电机输出端触发反应针头和特制刀具的安装结构示意图。
图中：
1-出气端盖； 2-海绵棒； 3-密封薄膜； 4-主外壳；
5-次外壳； 6-直流旋转电机； 7-纽扣电池； 8-无线收发板；
9-控制板； 10-膨胀气球； 11-乙酸袋腔； 12-碳酸氢钠粉末腔；
13-触发反应针头； 14-套筒； 15-紧定螺钉； 16-特制刀具；
17-气体流通孔； 18-酸液流通孔。
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旋转机构和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，如图1所示，主要包括化学膨胀模块、机械硬件模块、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、海绵棒2、密封薄膜3、乙酸袋腔11、碳酸氢钠粉末腔12、膨胀气球10、酸液流通孔18和气体流通孔17；机械硬件模块包括主外壳4、次外壳5、直流旋转电机6、触发反应针头13、套筒14、紧定螺钉15和特制刀具16；无线通讯控制模块包括纽扣电池7、无线收发板8、控制板9。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之间的过盈配合以及膨胀气球10充气口与主外壳4强力粘结来保证装置的气密性，次外壳5内部的空腔结构用于存放已经充满乙酸液体的乙酸袋，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对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，无线收发板8、控制板9以及纽扣电池7存放于机械硬件模块主外壳4端部加工成的圆形孔腔内。
下面结合图1～图3对各个模块的内部组件、连接方式及功能进行详细介绍。
化学膨胀模块是实现胃内膨胀气球10膨胀及收缩的功能模块，是微型减肥胶囊机器人产生治疗肥胖效果的主模块。它主要包括由乙酸袋腔11、碳酸氢钠粉末腔12、膨胀气球10等构成的充气膨胀部分和由出气端盖1、海绵棒2、密封薄膜3等构成的放气收缩部分。所述出气端盖1上具有出气口，在出气口设置海绵棒2，海绵棒2外面包覆密封薄膜3实现出气口的的密封。乙酸液体包裹在存放于次外壳5形成的四个乙酸袋腔11的乙酸袋中，碳酸氢钠粉末存放在主外壳4与次外壳5之间的环形碳酸氢钠粉末腔12内，环形分布式铺开增大了碳酸氢钠粉末与乙酸反应的接触面积。酸液流通孔18与四个乙酸袋腔11相对应，环形分布于次外壳5的侧面；气体流通孔17与碳酸氢钠粉末腔12相对应，环形分布于主外壳4的端面。反应开始时，乙酸袋被触发反应针头13扎破，乙酸液体从乙酸袋中流出，经次外壳5外壁上的酸液流通孔18流入由主外壳4与次外壳5的形成的碳酸氢钠粉末腔12之内，发生化学反应产生二氧化碳气体，二氧化碳通过主外壳4端部的气体流通孔17，使初始收缩的膨胀气球10膨胀。治疗期之后，密封薄膜3被特制刀具16划破，二氧化碳气体直接经出气端盖1上出气口排出胶囊，膨胀气球10收缩。由于在所述出气口设置海绵棒2，海绵棒2的疏松多孔使棒体具备柔韧性和吸附性，保证气体缓慢排出。柔韧性保护了套在海绵棒2上的密封薄膜3免于被特制刀具16在充气过程中砍破；海绵棒2的吸附性，使得海绵棒2可以吸附一些碳酸氢钠粉末，碱性粉末既可以中和经由海绵棒2排出夹杂在二氧化碳中的酸气，又能够防止人体胃酸腐蚀装置，因此海绵棒2同时可以起“洗气”和缓冲作用。
机械硬件模块以直流旋转电机6为主体，并且配合主外壳4、次外壳5、套筒14、紧定螺钉15、触发反应针头13、特制刀具16等部件。直流旋转电机6是型号为ZWPD006006-26带减速器的大扭矩微型直流电机，微型电机固定于次外壳5的孔腔内，因整个工作过程中电机所受轴向力较小，因此采用过渡配合的方式与次外壳5的孔腔联接，并且在控制板9的控制下进行正转和反转；次外壳5和主外壳4是整个装置骨架，既联接着化学膨胀模块的出气端盖1和膨胀气球10，又作为无线通讯控制模块的装载体，具体结构如图2。主外壳4和次外壳5均为圆筒形结构，并且次外壳5通过其端部引脚嵌入在主外壳4内部，主外壳4内表面与次外壳5外表面之间形成碳酸氢钠粉末腔12，其内设置有碳酸氢钠粉末。次外壳5内部均为分了四个腔体，作为乙酸袋腔11，所述乙酸袋腔11内设置有盛放乙酸液体的乙酸袋。次外壳5外表面环形分布酸液流通孔18；主外壳4端部上分布有气体流通孔17，所述的气体流通孔17实现碳酸氢钠粉末腔12和膨胀气球10的连通。套筒14通过紧定螺钉15与电机输出轴相连接，套筒14外壁上分布用于插装触发反应针头13和特制刀具16的圆孔，圆孔分别与触发反应针头13和特制刀具16形成过盈配合，使套筒14、触发反应针头13和特制刀具16三者紧紧固结在一起。触发反应针头13顶端锋利，在电机输出轴带动下可以将乙酸袋扎破，使乙酸从乙酸袋中流出，通过酸液流通孔18与碳酸氢钠粉末腔12内的碳酸氢钠粉末接触反应，产生二氧化碳气体；特制刀具16是类鱼钩结构即背部光滑腹部锋利，在直流旋转电机6的带动下正转时使其背部与密封薄膜3接触，并且由于海绵棒2具有弹性，使密封薄膜3不被破坏，直流旋转电机6反转时，特制刀具16的腹部正对密封薄膜3，将密封薄膜3划破从而实现排气，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8、控制板9和纽扣电池7。无线收发板8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9上有TI公司的微控制器CC430，负责处理收到的无线信号并驱动直流旋转电机6进行相应运动；纽扣电池7则负责给直流旋转电机6、无线收发板8和控制板9供电。在工作过程中，无线收发板8接收到体外工作站的指令信号，经过控制板9上的控制器处理信号并输出指令驱动电机，从而响应系统工作模式运动，直流旋转电机6的正反转则实现了膨胀气球10的充气和放气，整个过程需要电源提供动力。所述无线收发板8、控制板9和纽扣电池7依次粘接设置在主外壳4的内部，纽扣电池7仅通过导线与直流旋转电机6连接为其供电。
整个减肥胶囊机器人的工作模式如下：
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，即乙酸液体包裹在乙酸袋中放在次外壳5的乙酸袋腔11中，乙酸袋处于充满状态，完全填充乙酸袋腔11，并且保证在工作过程中能够被触发反应针头13扎破；碳酸氢钠粉均匀分布在碳酸氢钠粉末腔12中；四个触发反应针头13停在次外壳5中因隔离四个乙酸袋腔11形成的四个隔板端面处，以防止触发反应针头13在初始状态时对乙酸袋造成破坏，密封薄膜3紧紧包覆在海绵棒2外表面，膨胀气球10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，控制板9驱动直流旋转电机6转动，从而带动触发反应针头13的转动，将乙酸袋扎破。流出的乙酸液体经由次外壳4上的酸液流通孔18进入碳酸氢钠粉末腔12，与碳酸氢钠粉末反应，产生二氧化碳气体经主外壳4上的气体流通孔17进入膨胀气球10，从而使膨胀气球10膨胀。此过程特制刀具16的背部与密封薄膜3间歇性接触，密封薄膜3没有损伤，此时装置一直处于密封，即膨胀气球10一直处于膨胀状态。当治疗期结束时，体外基站的另一高频信号使直流旋转电机6反转，使得特制刀具16锋利的腹部与密封薄膜3接触，密封薄膜3破裂，装置内高压气体经海绵棒2和出气端盖1上出气口排到胶囊外即人体胃部。由于裂缝小、排气缓慢，故排出的二氧化碳气体对人体基本没有副作用，整个过程各个模块部件相互配合，直至排气结束一个工作周期完成，减肥胶囊机器人因采用以微型直流电机为主体的机械原理方案和无线通讯的控制方案，这使得减肥胶囊机器人体积尺寸极其微小，可以直接排出体外，一个治疗过程完全结束。
Claims (5)
1.基于电机旋转机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，包括主外壳、膨胀气球、直流旋转电机、海绵棒、密封薄膜、无线收发板和控制板，其特征在于：所述的减肥胶囊机器人还包括次外壳、出气端盖、触发反应针头、套筒、紧定螺钉、特制刀具和纽扣电池；所述的主外壳套在次外壳外部，二者之间形成环形密闭的碳酸氢钠粉末腔，次外壳内部具有圆筒形空腔，所述圆筒形空腔与次外壳壁面之间均分一个以上乙酸袋腔；所述直流旋转电机与所述圆筒形空腔过渡配合安装；所述主外壳一个端面设置出气端盖密封，膨胀气球粘结在主外壳的外表面实现膨胀气球密封；所述主外壳另一个端面内部依次连接无线收发板、控制板和纽扣电池；在所述出气端盖内部设置海绵棒，海绵棒表面包覆密封薄膜；所述套筒通过紧定螺钉与电机输出轴相连接，套筒外壁上分布触发反应针头和特制刀具；在所述次外壳壁面上设置有酸液流通孔，用于连通乙酸袋腔和碳酸氢钠粉末腔；在所述主外壳的一个端面上设置有气体流通孔，用于连通碳酸氢钠粉末腔和膨胀气球；乙酸液体包裹在乙酸袋腔的乙酸袋中，碳酸氢钠粉末存放在环形碳酸氢钠粉末腔内。
2.根据权利要求1所述的基于电机旋转机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：所述触发反应针头和特制刀具与套筒之间形成过盈配合方式连接。
3.根据权利要求1所述的基于电机旋转机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：触发反应针头顶端锋利，在电机输出轴带动下可以将乙酸袋扎破，使乙酸从乙酸袋中流出，通过酸液流通孔与碳酸氢钠粉末腔内的碳酸氢钠粉末接触反应，产生二氧化碳气体。
4.根据权利要求1所述的基于电机旋转机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：所述特制刀具背部光滑腹部锋利，在直流旋转电机的带动下正转时使其背部与密封薄膜接触，并且由于海绵棒具有弹性，使密封薄膜不被破坏，直流旋转电机反转时，特制刀具的腹部正对密封薄膜，将密封薄膜划破从而实现排气。
5.根据权利要求1所述的基于电机旋转机构及无线通讯的减肥胶囊机器人，其特征在于：所述的直流旋转电机型号为ZWPD006006-26带减速器的大扭矩微型直流电机。
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2014
- 2014-01-21 CN CN201410027512.7A patent/CN103784229B/zh not_active Expired - Fee Related
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