CN108814536B - 一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结肠诊查微型机器人机构，具体是一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构。本发明解决了现有结肠诊查微型机器人机构动作执行效率过低、无法实现变径和驻留功能的问题。一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构，包括变径子机构和三个行进子机构；所述变径子机构包括前挡板、后挡板、第I直流电机、主动齿轮、丝杠、从动齿轮、前螺母、后螺母、三个导杆、三个四连杆机构；所述每个行进子机构均包括机箱、第II直流电机、主动锥齿轮、左轴承、右轴承、转轴、左同步带轮、右同步带轮、从动锥齿轮、左减阻滚轮、右减阻滚轮、左履带、右履带、耳板。本发明适用于结肠疾病的无创诊查。

Description

一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构

技术领域

本发明涉及结肠诊查微型机器人机构，具体是一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构。

背景技术

结肠诊查微型机器人机构是一种能够在结肠中主动运动的微型机器人机构，其被认为是实现结肠疾病无创诊查最具前景的器件。在现有技术条件下，结肠诊查微型机器人机构主要分为两种：第一种是仿尺蠖式微型机器人机构。此种微型机器人机构采用蠕动泵对气囊充吸气的方式来实现双向运动及变径和驻留功能，其存在的问题是：由于气囊完成一次充吸气的时间过长（长达数十秒），导致其动作执行效率过低，由此影响诊查效率。第二种是履带式微型机器人机构。此种微型机器人机构存在的问题是：无法实现变径和驻留功能，导致其无法很好地适应管径多变的结肠环境，由此容易造成漏诊。基于此，有必要发明一种全新的结肠诊查微型机器人机构，以解决现有结肠诊查微型机器人机构动作执行效率过低、无法实现变径和驻留功能的问题。

发明内容

本发明为了解决现有结肠诊查微型机器人机构动作执行效率过低、无法实现变径和驻留功能的问题，提供了一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构，包括变径子机构和三个行进子机构；

所述变径子机构包括前挡板、后挡板、第I直流电机、主动齿轮、丝杠、从动齿轮、前螺母、后螺母、三个导杆、三个四连杆机构；

所述每个四连杆机构均包括前主动杆、后主动杆、前从动杆、后从动杆；前主动杆的中部和后主动杆的中部交叉铰接；前从动杆的首端与后主动杆的尾端铰接；后从动杆的首端与前主动杆的尾端铰接；

前挡板和后挡板相互正对；第I直流电机的机座固定安装于前挡板和后挡板之间，且第I直流电机的输出轴转动贯穿前挡板；主动齿轮固定装配于第I直流电机的输出轴上，且主动齿轮位于前挡板的前侧；丝杠的前端转动贯穿前挡板；丝杠的后端转动支撑于后挡板上；丝杠的前部和后部各攻有一段螺纹；两段螺纹均位于前挡板和后挡板之间，且两段螺纹的旋向相反；从动齿轮固定装配于丝杠的前端，且从动齿轮与主动齿轮啮合；前螺母旋拧于丝杠的前段螺纹上；前螺母的端面贯通开设有三个前导向孔，且三个前导向孔围绕前螺母的轴线等距平行排列；前螺母的外侧面延伸设置有三个前耳片，且三个前耳片围绕前螺母的轴线等距排列；三个前耳片的耳孔轴线均与前螺母的轴线垂直，且三个前耳片的耳孔轴线共同围成等边三角形；后螺母旋拧于丝杠的后段螺纹上；后螺母的端面贯通开设有三个后导向孔，且三个后导向孔围绕后螺母的轴线等距平行排列；后螺母的外侧面延伸设置有三个后耳片，且三个后耳片围绕后螺母的轴线等距排列；三个后耳片的耳孔轴线均与后螺母的轴线垂直，且三个后耳片的耳孔轴线共同围成等边三角形；三个导杆的前端均固定支撑于前挡板上，且三个导杆的前部分别滑动贯穿三个前导向孔；三个导杆的后端均固定支撑于后挡板上，且三个导杆的后部分别滑动贯穿三个后导向孔；三个前主动杆的首端分别与三个前耳片铰接；三个后主动杆的首端分别与三个后耳片铰接；

所述每个行进子机构均包括机箱、第II直流电机、主动锥齿轮、左轴承、右轴承、转轴、左同步带轮、右同步带轮、从动锥齿轮、左减阻滚轮、右减阻滚轮、左履带、右履带、耳板；

机箱的前外壁左边缘延伸设置有左凸板；左凸板上贯通开设有左轴承装配孔；机箱的前外壁右边缘延伸设置有右凸板；右凸板上贯通开设有右轴承装配孔；机箱的上壁左部、后壁左部、下壁左部共同贯通开设有一列左滚轮装配孔；机箱的上壁右部、后壁右部、下壁右部共同贯通开设有一列右滚轮装配孔；机箱的上外壁左边缘和下外壁左边缘各延伸设置有一个左限位凸边；机箱的上外壁右边缘和下外壁右边缘各延伸设置有一个右限位凸边；机箱的上外壁中部延伸设置有纵向上限位凸台；机箱的下外壁中部延伸设置有纵向下限位凸台；第II直流电机的机座固定安装于机箱的内腔，且第II直流电机的输出轴转动贯穿机箱的前壁；主动锥齿轮固定装配于第II直流电机的输出轴上，且主动锥齿轮位于机箱的前侧；左轴承固定装配于左轴承装配孔内；右轴承固定装配于右轴承装配孔内；转轴的两端分别固定穿设于左轴承的内圈和右轴承的内圈；左同步带轮固定装配于转轴的左部，且左同步带轮位于左凸板的右侧；右同步带轮固定装配于转轴的右部，且右同步带轮位于右凸板的左侧；从动锥齿轮固定装配于转轴上，且从动锥齿轮位于左同步带轮和右同步带轮之间；从动锥齿轮与主动锥齿轮啮合；左减阻滚轮的数目与左滚轮装配孔的数目一致；各个左减阻滚轮一一对应地转动装配于各个左滚轮装配孔内，且各个左减阻滚轮的轴线均与转轴的轴线平行；右减阻滚轮的数目与右滚轮装配孔的数目一致；各个右减阻滚轮一一对应地转动装配于各个右滚轮装配孔内，且各个右减阻滚轮的轴线均与转轴的轴线平行；左履带同时装配于左同步带轮和各个左减阻滚轮上；右履带同时装配于右同步带轮和各个右减阻滚轮上；耳板纵向固定于纵向上限位凸台的上表面中部；耳板的耳孔数目为两个，且两个耳孔呈前后平行排列；

三个耳板的前耳孔分别与三个前从动杆的尾端铰接；三个耳板的后耳孔分别与三个后从动杆的尾端铰接。

具体工作过程如下：一、双向运动的实现：第II直流电机依次通过主动锥齿轮、从动锥齿轮驱动转轴进行正向或反向转动，转轴由此带动左同步带轮和右同步带轮进行正向或反向转动，左同步带轮（右同步带轮）由此带动左履带（右履带）沿着结肠内壁进行正向或反向滚动，从而使得本发明实现双向运动。二、变径和驻留功能的实现：第I直流电机依次通过主动齿轮、从动齿轮驱动丝杠进行正向或反向转动，前螺母和后螺母由此进行相向运动或背向运动，并带动四连杆机构进行扩张（扩张时，左履带和右履带均与结肠内壁紧密接触，由此实现驻留功能）或闭合（闭合时，左履带和右履带均与结肠内壁接触并产生滚动所需的摩擦力），从而实现变径和驻留功能。在此过程中，导杆的作用是保证前螺母和后螺母的运动平稳性。左轴承和右轴承的作用是减小转轴的转动阻力。左减阻滚轮（右减阻滚轮）的作用是避免左履带（右履带）与机箱直接接触，由此减小左履带（右履带）的滚动阻力。纵向上限位凸台、纵向下限位凸台、左限位凸边（右限位凸边）的作用是避免左履带（右履带）发生侧向滑移。

基于上述过程，与现有结肠诊查微型机器人机构相比，本发明所述的一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构通过采用全新结构，具备了如下优点：其一，与仿尺蠖式微型机器人机构相比，本发明采用直流电机驱动四连杆机构的方式实现了双向运动及变径和驻留功能，由此大幅提高了动作执行效率，从而大幅提高了诊查效率。其二，与履带式微型机器人机构相比，本发明实现了变径和驻留功能，由此能够很好地适应管径多变的结肠环境，从而有效避免了漏诊。

本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有结肠诊查微型机器人机构动作执行效率过低、无法实现变径和驻留功能的问题，适用于结肠疾病的无创诊查。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中变径子机构的结构示意图。

图3是本发明中四连杆机构的闭合状态示意图。

图4是本发明中四连杆机构的扩张状态示意图。

图5是本发明中前螺母的结构示意图。

图6是本发明中后螺母的结构示意图。

图7是本发明中行进子机构的结构示意图。

图8是本发明中行进子机构的部分结构示意图。

图9是本发明中左履带的结构示意图。

图10是本发明中右履带的结构示意图。

图中：101a-前挡板，101b-后挡板，102-第I直流电机，103-主动齿轮，104-丝杠，105-从动齿轮，106a-前螺母，106b-后螺母，107-导杆，108a-前主动杆，108b-后主动杆，109a-前从动杆，109b-后从动杆，110a-前导向孔，110b-后导向孔，111a-前耳片，111b-后耳片，112-防护板，201-机箱，202-第II直流电机，203-主动锥齿轮，204a-左轴承，204b-右轴承，205-转轴，206a-左同步带轮，206b-右同步带轮，207-从动锥齿轮，208a-左减阻滚轮，208b-右减阻滚轮，209a-左履带，209b-右履带，210-耳板，211a-左凸板，211b-右凸板，212a-左限位凸边，212b-右限位凸边，213a-纵向上限位凸台，213b-纵向下限位凸台，214a-左横向齿，214b-右横向齿。

具体实施方式

一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构，包括变径子机构和三个行进子机构；

所述变径子机构包括前挡板101a、后挡板101b、第I直流电机102、主动齿轮103、丝杠104、从动齿轮105、前螺母106a、后螺母106b、三个导杆107、三个四连杆机构；

所述每个四连杆机构均包括前主动杆108a、后主动杆108b、前从动杆109a、后从动杆109b；前主动杆108a的中部和后主动杆108b的中部交叉铰接；前从动杆109a的首端与后主动杆108b的尾端铰接；后从动杆109b的首端与前主动杆108a的尾端铰接；

前挡板101a和后挡板101b相互正对；第I直流电机102的机座固定安装于前挡板101a和后挡板101b之间，且第I直流电机102的输出轴转动贯穿前挡板101a；主动齿轮103固定装配于第I直流电机102的输出轴上，且主动齿轮103位于前挡板101a的前侧；丝杠104的前端转动贯穿前挡板101a；丝杠104的后端转动支撑于后挡板101b上；丝杠104的前部和后部各攻有一段螺纹；两段螺纹均位于前挡板101a和后挡板101b之间，且两段螺纹的旋向相反；从动齿轮105固定装配于丝杠104的前端，且从动齿轮105与主动齿轮103啮合；前螺母106a旋拧于丝杠104的前段螺纹上；前螺母106a的端面贯通开设有三个前导向孔110a，且三个前导向孔110a围绕前螺母106a的轴线等距平行排列；前螺母106a的外侧面延伸设置有三个前耳片111a，且三个前耳片111a围绕前螺母106a的轴线等距排列；三个前耳片111a的耳孔轴线均与前螺母106a的轴线垂直，且三个前耳片111a的耳孔轴线共同围成等边三角形；后螺母106b旋拧于丝杠104的后段螺纹上；后螺母106b的端面贯通开设有三个后导向孔110b，且三个后导向孔110b围绕后螺母106b的轴线等距平行排列；后螺母106b的外侧面延伸设置有三个后耳片111b，且三个后耳片111b围绕后螺母106b的轴线等距排列；三个后耳片111b的耳孔轴线均与后螺母106b的轴线垂直，且三个后耳片111b的耳孔轴线共同围成等边三角形；三个导杆107的前端均固定支撑于前挡板101a上，且三个导杆107的前部分别滑动贯穿三个前导向孔110a；三个导杆107的后端均固定支撑于后挡板101b上，且三个导杆107的后部分别滑动贯穿三个后导向孔110b；三个前主动杆108a的首端分别与三个前耳片111a铰接；三个后主动杆108b的首端分别与三个后耳片111b铰接；

所述每个行进子机构均包括机箱201、第II直流电机202、主动锥齿轮203、左轴承204a、右轴承204b、转轴205、左同步带轮206a、右同步带轮206b、从动锥齿轮207、左减阻滚轮208a、右减阻滚轮208b、左履带209a、右履带209b、耳板210；

机箱201的前外壁左边缘延伸设置有左凸板211a；左凸板211a上贯通开设有左轴承装配孔；机箱201的前外壁右边缘延伸设置有右凸板211b；右凸板211b上贯通开设有右轴承装配孔；机箱201的上壁左部、后壁左部、下壁左部共同贯通开设有一列左滚轮装配孔；机箱201的上壁右部、后壁右部、下壁右部共同贯通开设有一列右滚轮装配孔；机箱201的上外壁左边缘和下外壁左边缘各延伸设置有一个左限位凸边212a；机箱201的上外壁右边缘和下外壁右边缘各延伸设置有一个右限位凸边212b；机箱201的上外壁中部延伸设置有纵向上限位凸台213a；机箱201的下外壁中部延伸设置有纵向下限位凸台213b；第II直流电机202的机座固定安装于机箱201的内腔，且第II直流电机202的输出轴转动贯穿机箱201的前壁；主动锥齿轮203固定装配于第II直流电机202的输出轴上，且主动锥齿轮203位于机箱201的前侧；左轴承204a固定装配于左轴承装配孔内；右轴承204b固定装配于右轴承装配孔内；转轴205的两端分别固定穿设于左轴承204a的内圈和右轴承204b的内圈；左同步带轮206a固定装配于转轴205的左部，且左同步带轮206a位于左凸板211a的右侧；右同步带轮206b固定装配于转轴205的右部，且右同步带轮206b位于右凸板211b的左侧；从动锥齿轮207固定装配于转轴205上，且从动锥齿轮207位于左同步带轮206a和右同步带轮206b之间；从动锥齿轮207与主动锥齿轮203啮合；左减阻滚轮208a的数目与左滚轮装配孔的数目一致；各个左减阻滚轮208a一一对应地转动装配于各个左滚轮装配孔内，且各个左减阻滚轮208a的轴线均与转轴205的轴线平行；右减阻滚轮208b的数目与右滚轮装配孔的数目一致；各个右减阻滚轮208b一一对应地转动装配于各个右滚轮装配孔内，且各个右减阻滚轮208b的轴线均与转轴205的轴线平行；左履带209a同时装配于左同步带轮206a和各个左减阻滚轮208a上；右履带209b同时装配于右同步带轮206b和各个右减阻滚轮208b上；耳板210纵向固定于纵向上限位凸台213a的上表面中部；耳板210的耳孔数目为两个，且两个耳孔呈前后平行排列；

三个耳板210的前耳孔分别与三个前从动杆109a的尾端铰接；三个耳板210的后耳孔分别与三个后从动杆109b的尾端铰接。

所述变径子机构还包括防护板112；防护板112安装于前挡板101a的前表面，且防护板112和前挡板101a之间留有间隙；主动齿轮103和从动齿轮105均位于该间隙内。工作时，防护板的作用是避免主动齿轮和从动齿轮对结肠内壁造成损伤。

左轴承204a和右轴承204b均为滚珠轴承。

左履带209a和右履带209b均由PDMS制成；左履带209a的外侧面和右履带209b的外侧面均加工有直径为100μm的圆柱阵列；左履带209a的内侧面加工有左横向齿214a；右履带209b的内侧面加工有右横向齿214b。工作时，圆柱阵列的作用是增大左履带和右履带与结肠内壁的摩擦系数，左横向齿（右横向齿）的作用是增大左履带（右履带）与左同步带轮（右同步带轮）的摩擦系数。

Claims (4)

1.一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构，其特征在于：包括变径子机构和三个行进子机构；

所述变径子机构包括前挡板（101a）、后挡板（101b）、第I直流电机（102）、主动齿轮（103）、丝杠（104）、从动齿轮（105）、前螺母（106a）、后螺母（106b）、三个导杆（107）、三个四连杆机构；

所述每个四连杆机构均包括前主动杆（108a）、后主动杆（108b）、前从动杆（109a）、后从动杆（109b）；前主动杆（108a）的中部和后主动杆（108b）的中部交叉铰接；前从动杆（109a）的首端与后主动杆（108b）的尾端铰接；后从动杆（109b）的首端与前主动杆（108a）的尾端铰接；

前挡板（101a）和后挡板（101b）相互正对；第I直流电机（102）的机座固定安装于前挡板（101a）和后挡板（101b）之间，且第I直流电机（102）的输出轴转动贯穿前挡板（101a）；主动齿轮（103）固定装配于第I直流电机（102）的输出轴上，且主动齿轮（103）位于前挡板（101a）的前侧；丝杠（104）的前端转动贯穿前挡板（101a）；丝杠（104）的后端转动支撑于后挡板（101b）上；丝杠（104）的前部和后部各攻有一段螺纹；两段螺纹均位于前挡板（101a）和后挡板（101b）之间，且两段螺纹的旋向相反；从动齿轮（105）固定装配于丝杠（104）的前端，且从动齿轮（105）与主动齿轮（103）啮合；前螺母（106a）旋拧于丝杠（104）的前段螺纹上；前螺母（106a）的端面贯通开设有三个前导向孔（110a），且三个前导向孔（110a）围绕前螺母（106a）的轴线等距平行排列；前螺母（106a）的外侧面延伸设置有三个前耳片（111a），且三个前耳片（111a）围绕前螺母（106a）的轴线等距排列；三个前耳片（111a）的耳孔轴线均与前螺母（106a）的轴线垂直，且三个前耳片（111a）的耳孔轴线共同围成等边三角形；后螺母（106b）旋拧于丝杠（104）的后段螺纹上；后螺母（106b）的端面贯通开设有三个后导向孔（110b），且三个后导向孔（110b）围绕后螺母（106b）的轴线等距平行排列；后螺母（106b）的外侧面延伸设置有三个后耳片（111b），且三个后耳片（111b）围绕后螺母（106b）的轴线等距排列；三个后耳片（111b）的耳孔轴线均与后螺母（106b）的轴线垂直，且三个后耳片（111b）的耳孔轴线共同围成等边三角形；三个导杆（107）的前端均固定支撑于前挡板（101a）上，且三个导杆（107）的前部分别滑动贯穿三个前导向孔（110a）；三个导杆（107）的后端均固定支撑于后挡板（101b）上，且三个导杆（107）的后部分别滑动贯穿三个后导向孔（110b）；三个前主动杆（108a）的首端分别与三个前耳片（111a）铰接；三个后主动杆（108b）的首端分别与三个后耳片（111b）铰接；

所述每个行进子机构均包括机箱（201）、第II直流电机（202）、主动锥齿轮（203）、左轴承（204a）、右轴承（204b）、转轴（205）、左同步带轮（206a）、右同步带轮（206b）、从动锥齿轮（207）、左减阻滚轮（208a）、右减阻滚轮（208b）、左履带（209a）、右履带（209b）、耳板（210）；

机箱（201）的前外壁左边缘延伸设置有左凸板（211a）；左凸板（211a）上贯通开设有左轴承装配孔；机箱（201）的前外壁右边缘延伸设置有右凸板（211b）；右凸板（211b）上贯通开设有右轴承装配孔；机箱（201）的上壁左部、后壁左部、下壁左部共同贯通开设有一列左滚轮装配孔；机箱（201）的上壁右部、后壁右部、下壁右部共同贯通开设有一列右滚轮装配孔；机箱（201）的上外壁左边缘和下外壁左边缘各延伸设置有一个左限位凸边（212a）；机箱（201）的上外壁右边缘和下外壁右边缘各延伸设置有一个右限位凸边（212b）；机箱（201）的上外壁中部延伸设置有纵向上限位凸台（213a）；机箱（201）的下外壁中部延伸设置有纵向下限位凸台（213b）；第II直流电机（202）的机座固定安装于机箱（201）的内腔，且第II直流电机（202）的输出轴转动贯穿机箱（201）的前壁；主动锥齿轮（203）固定装配于第II直流电机（202）的输出轴上，且主动锥齿轮（203）位于机箱（201）的前侧；左轴承（204a）固定装配于左轴承装配孔内；右轴承（204b）固定装配于右轴承装配孔内；转轴（205）的两端分别固定穿设于左轴承（204a）的内圈和右轴承（204b）的内圈；左同步带轮（206a）固定装配于转轴（205）的左部，且左同步带轮（206a）位于左凸板（211a）的右侧；右同步带轮（206b）固定装配于转轴（205）的右部，且右同步带轮（206b）位于右凸板（211b）的左侧；从动锥齿轮（207）固定装配于转轴（205）上，且从动锥齿轮（207）位于左同步带轮（206a）和右同步带轮（206b）之间；从动锥齿轮（207）与主动锥齿轮（203）啮合；左减阻滚轮（208a）的数目与左滚轮装配孔的数目一致；各个左减阻滚轮（208a）一一对应地转动装配于各个左滚轮装配孔内，且各个左减阻滚轮（208a）的轴线均与转轴（205）的轴线平行；右减阻滚轮（208b）的数目与右滚轮装配孔的数目一致；各个右减阻滚轮（208b）一一对应地转动装配于各个右滚轮装配孔内，且各个右减阻滚轮（208b）的轴线均与转轴（205）的轴线平行；左履带（209a）同时装配于左同步带轮（206a）和各个左减阻滚轮（208a）上；右履带（209b）同时装配于右同步带轮（206b）和各个右减阻滚轮（208b）上；耳板（210）纵向固定于纵向上限位凸台（213a）的上表面中部；耳板（210）的耳孔数目为两个，且两个耳孔呈前后平行排列；

三个耳板（210）的前耳孔分别与三个前从动杆（109a）的尾端铰接；三个耳板（210）的后耳孔分别与三个后从动杆（109b）的尾端铰接。

2.根据权利要求1所述的一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构，其特征在于：所述变径子机构还包括防护板（112）；防护板（112）安装于前挡板（101a）的前表面，且防护板（112）和前挡板（101a）之间留有间隙；主动齿轮（103）和从动齿轮（105）均位于该间隙内。

3.根据权利要求1所述的一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构，其特征在于：左轴承（204a）和右轴承（204b）均为滚珠轴承。

4.根据权利要求1所述的一种用于结肠诊查的可变径履带式机器人机构，其特征在于：左履带（209a）和右履带（209b）均由PDMS制成；左履带（209a）的外侧面和右履带（209b）的外侧面均加工有直径为100μm的圆柱阵列；左履带（209a）的内侧面加工有左横向齿（214a）；右履带（209b）的内侧面加工有右横向齿（214b）。

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