机器人装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种机动式机器人装置(1)，该机器人装置能够向前和向后驱动自身，从而位于管状结构(200)(例如，人的结肠或包括两个相对壁(202、204)的任何结构)内时锚固和操纵自身。在这方面，该装置由覆盖在弹性材料中并由内部致动机构驱动的两个节段或三个节段(102，104，106)制成。所有这些节段(102，104，106)都具有使得能够进行缩短和伸长运动的六角手风琴构造。除长度收缩和伸展之外，端部节段(102，106)中的至少一者能够以一定角度背离纵向轴线弯曲，使得它变成楔入在或卡在管状结构(200)的壁(202，204)之间。也就是说，端部节段(102，106)既能够进行弯曲动作又能够进行收缩和伸展动作。该装置(1)通过以下方式进行移动：交替地将节段(102，104，106)卡在管状结构(200)的壁(202，204)之间，然后收缩或伸展这些节段(102，104，106)，以通过更有效的机动动作使装置(1)向前缓慢移动。如此，本发明专利技术提供了一种简化的设计，该设计对于恶劣或不洁的环境来说更加稳健，同时仍然保持该装置所需的性能水平。

Robot

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】机器人装置
本专利技术涉及一种具有自适应锚固的机动式自转向机器人装置。具体地说，本专利技术涉及一种多节段机动式装置，该多节段机动式装置进行分段弯曲锚固以便用于探测具有相当长度、高度曲折和/或顺应性并且现有技术努力有效操纵的小管状结构(特别是难以到达位置的那些结构)。
技术介绍
存在许多包含较小管状结构的天然的或人造的结构。自然界中出现的这种结构的示例是人体，人体具有诸如肠道和食道这样的管状结构。人造结构的示例可以是具有管道工程丝网络的建筑物。通常必须在原位勘察管状结构的内部。然而，在管状结构非常长和/或曲折并因此难以到达的情况下，或者在诸如必须尽可能创伤微小的人体这样的情况下，需要可以容易地在受外部控制的同时沿着管状结构的内部进行操纵的装置。这种装置的示例是常用于筛查结肠癌或胃癌的内窥镜(诸如，图1中示出的内窥镜)。内窥镜还可以被用于执行活检以测试可疑组织或者将肿瘤或息肉全部一起去除。典型的内窥镜是纤细的长柔性器械，其远端带有摄像头和灯，这种内窥镜具有用于引入柔性器械的工作通道1。为了贯穿人体结肠移动，由内窥镜医师手动推动该装置。装置的远端可以转向，从而允许对移动方向进行某种控制。主体的其余部分是能被动屈伸的。当内窥镜医师推动内窥镜的端部以使内窥镜前进时，内窥镜的能被动屈伸的部分会造成结肠显著变形。结果，诸如结肠镜检查这样的过程对于患者来说可能是非常不舒服的。有证据2表明，对这种不适感的恐惧是患者逃避定期筛查的主要原因之一，因此是结直肠癌病例数量的重要影响因素。尽管这些内窥镜的柔性使其能够被推动，但它们的柔性使其能够容易地在人体内部行进，这种完全一样的柔性可能是各种困难的根源。例如，当将柔性内窥镜穿过肠道前进时，内窥镜医师从一端推动。然后，柔性轴在结肠内部的部分对肠道壁施加力。另外，因为内窥镜的主体具有如此柔性，所以结肠内部的阻力也有可能防止远端在被推动时前进。结果，柔性轴的部分可能自身向回环绕，从而再次引起肠道大幅变形。这两种情形都会给患者带来极大的不适。3双球囊肠镜(推拉式肠镜)是允许在小肠中进行完全可视化、活检和治疗的新方法4。双球囊肠镜使用两个球囊行进通过肠道；一个球囊在管外的端部而另一个球囊附接到内窥镜的端部5。通过利用两个球囊与肠壁的界面的摩擦，可以将肠镜进一步插入小肠中，而没有形成不必要的环。胶囊内窥镜检查涉及患者吞咽小的其内安装有摄像头的药丸形装置。然后，该装置像食物一样被动地移动穿过整个消化道，沿途捕获图像并且将它们传输到外部视图屏幕5，6。这种装置的问题在于，它无法被控制并因此产生必须被彻底检查以进行诊断的数个小时的影片。倘若发现可疑区域，也无法重新定位摄像头进行更详细的检查。一些研究人员一直在开发潜在的机器人解决方案来取代传统的内窥镜。对于这种装置，机动(locomotion)是一个重要因素。机器人必须能够携带着手术所必需的微型摄像头、活检和水通道推进自身穿过结肠。另外，还需要用可转向的远端来控制摄像头的视角并且主动地引导活检工具。此外，如果移动穿过结肠的过程是自动化的，则医生能够完全集中精力来根据装置所捕获的图像进行诊断8。机器人内窥镜的许多机动技术是基于蠕虫类生物的移动。例如，US4,176,662涉及一种用于机器人结肠镜检查的装置，该装置采用了尺蠖所使用的爬行方法。在1995年，设计出了一种基于MEDI-WORM的内窥镜系统，该系统使用压缩气体作为动力源并且使用橡胶球囊作为驱动器来模拟蚯蚓的蠕动移动9。在1996年，开发出了一种自推进机器人内窥镜，它能够在结肠中半自主地移动，但是只能向前移动而不能向后移动10。之后在1999年，创建了视觉引导的微机器人结肠镜系统。该系统是一种视觉引导的自主系统，它能够在人体结肠中进行移动、测试、分析和诊断。该研究包括建立操纵微机器人的数学模型以及基于传感器数据进行路径规划的理论研究11。其他设计依赖于齿轮DC马达来致动节段之间的连杆，从而产生蠕动运动12，并且包括锚固机构，该锚固机构允许最前节段或最后节段在其周围环境中的摩擦增加13。许多受蠕虫启发的设计引入了柔软的丝网主体。早期基于丝网的机器人由三个意图是专门用于结肠镜检查的气动节段组成14，其中，使基于人造肌肉的囊状结构膨胀以在特定节段中引起膨胀和收缩。按正确的顺序这样做，实现了蠕动运动。其他装置依赖于形状记忆合金(SMA)致动器来产生类蠕虫的爬行运动15，16。为了确保此装置向前移动，在机器人的外皮上内置小弯钩，以增加一个方向上的摩擦。虽然在向前移动期间有效，但是此特征确实防止了装置向后移动。其他设计包括随后在一系列SMA致动器的作用下变形的类似弹簧的柔软丝网17。致动器的布置受到圆形和纵肌纤维如何在一般蚯蚓体内起作用的启发。然后，通过蠕动实现运动。除了受蠕虫启发的装置之外，一些机器人内窥镜从蛇的蜿蜒机动中获取启发，在蛇体内，身体形成一系列S形水平环并且每个环都对抗任何表面阻力进行推动而向前移动18。美国专利No.5,662,587提供了本领域已经知道的用于内窥镜手术的机器人装置的其他示例。该文献中描述的装置包括彼此附接的多个节段。牵引节段包围内腔壁，而其他节段包括致动器，这些致动器致使内窥镜借助弯曲、延伸或弯曲和延伸的某种组合而局部变形其形状。提供了用于使这些节段的动作按照顺序进行以通过弯曲和柔性的内腔致使得到类似尺蠖或类似蛇的机动或者它们的组合。
技术实现思路
本专利技术的实施方式通过提供一种机动式机器人装置来解决上述问题，该机器人装置能够向前和向后驱动其自身，从而在处于管状结构(例如，人的结肠)或包括两个相对壁的任何结构内时锚固自身和使自身转向。在这方面，该装置由覆盖在弹性材料中并由内部致动机构驱动的两个节段或三个节段组成。所有这些节段都具有使得能够进行缩短和伸长运动的六角手风琴构造。除长度收缩和伸展之外，端部节段中的至少一个端部节段能够以一定角度背离纵向轴线弯曲，使其变得楔入或卡在管状结构的壁之间。也就是说，端部节段既能够进行弯曲动作又能够进行收缩和伸展动作。该装置通过以下方式进行移动：将节段交替地卡住或锚固在管状结构的壁之间，然后收缩或伸展这些节段，以通过更有效的机动动作使装置向前缓慢移动。该节段也可以弯曲，以便钩住环境的角部或突起。在顺应性环境的情况下，该节段可以弯曲，以便在结构的壁中形成折叠并继续夹紧它。如此，本专利技术提供了一种简化的设计，该设计对于恶劣或不洁的环境来说更加稳健，同时仍然保持该装置所需的性能水平。可以根据管状结构的尺寸来调节节段的弯曲角度。也就是说，该节段将以一定角度弯曲，该角度足以确保弯曲将造成与管状结构的壁接触，而没有达到它施加过大力的程度，该力的大小可以通过精确的致动器控制来调节。重复这一序列的移动，使得装置以与蠕虫的动作类似的机动动作移动通过管状结构。此外，弹性材料壳体是自适应性的，以便允许在运行时针对装置特性进行调节。在这方面，丝网随着节段的纵向移动而膨胀和收缩，以调节节段的直径和刚度。当节段纵向收缩和缩短时，丝网壳体膨胀，由此增大该节段的直径和刚度。这有助于创建更牢固的锚固点并且将装置保持就位，从而防止装置向后滑动。相反地，当节段纵向伸展并伸长时，丝网收缩至其原始构造，由此减小该节段的直径和刚度。当设备正向前移动时，这有助于装置平稳地移动通过管状结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于在具有相对壁的结构内使用的机动式机器人装置，该装置具有细长主体，该细长主体包括：第一节段；以及第二节段，该第二节段与所述第一节段邻接；其中，所述第一节段和所述第二节段被配置为沿着所述细长主体的纵向轴线收缩和伸展；并且其中，所述第一节段还被配置为与所述细长主体的所述纵向轴线成一定角度地弯曲，使得在弯曲时所述第一节段变成楔入在所述结构的第一壁和第二壁之间。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.24 GB 1703056.01.一种用于在具有相对壁的结构内使用的机动式机器人装置，该装置具有细长主体，该细长主体包括：第一节段；以及第二节段，该第二节段与所述第一节段邻接；其中，所述第一节段和所述第二节段被配置为沿着所述细长主体的纵向轴线收缩和伸展；并且其中，所述第一节段还被配置为与所述细长主体的所述纵向轴线成一定角度地弯曲，使得在弯曲时所述第一节段变成楔入在所述结构的第一壁和第二壁之间。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一节段还被配置为弯曲到所述第一节段夹紧所述结构的壁的程度。3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述第一节段弯曲的角度取决于所述结构的直径。4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，所述装置还包括与所述第二节段邻接的第三节段，其中，所述第三节段被配置为：沿着所述细长主体的所述纵向轴线收缩和伸展；并且与所述细长主体的所述纵向轴线成一定角度地弯曲，使得在弯曲时所述第三节段变成楔入在所述结构的所述第一壁和所述第二壁之间。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述第三节段还被配置为弯曲到所述第三节段夹紧所述结构的壁的程度。6.根据权利要求4或5所述的装置，其中，所述第三节段弯曲的角度取决于所述结构的直径。7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述细长主体包括外套管。8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述外套管包括被配置为在使用中沿着所述细长主体的所述纵向轴线在第一方向上增加摩擦的表面。9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述外套管包括被配置为在使用中沿着所述细长主体的所述纵向轴线在第一方向和相反的第二方向上增加摩擦的表面。10.根据权利要求8或9所述的装置，其中，所述表面包括能在第一位置和第二位置之间移动的多个鱼鳞状或纤毛状突起。11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述第一位置包括所述多个鱼鳞状或纤毛状突起与所述细长主体的所述纵向轴线基本上平行，并且其中所述第二位置包括所述多个鱼鳞状或纤毛状突起与所述细长主体的所述纵向轴线基本上垂直。12.根据权利要求7所述的装置，其中，所述外套管是弹性丝网。13.根据权利要求7或12所述的装置，其中，所述外套管被配置为根据所述细长主体的一个或更多个部分的移动而改变直径和/或刚度。14.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，所述第一节段和第二节段是液压或气动致动的。15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述第一节段和所述第二节段包括：柔性主体，该柔性主体具有贯穿该柔性主体延伸的一个或更多个致动室，其中所述一个或更多个致动室被配置为接纳流体。16.根据权利要求14或15所述的装置，其中，所述柔性主体还包括贯穿该柔性主体延伸的至少一个空腔，所述至少一个空腔包括内部增强装置。17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述柔性主体包括两个或更多个空腔。18.根据权利要求16或17所述的装置，其中，所述内部增强装置被配置为在所述一个或更多个致动室接纳流体时限制所述一个或更多个致动室的横向膨胀。19.根据权利要求16至18所述的装置，其中，所述内部增强装置被配置为随所述柔性主体一起收缩、伸展和/或弯曲。20.根据权利要求16至19所述的装置，其中，所述内部增强装置的径向刚度使得所述一个或更多个致动室的径向膨胀受到限制。21.根据权利要求16至20所述的装置，其中，所述内部增强装置是以下中的一种：弹簧、线圈、弹性材料的卷绕线、六角手风琴状支撑结构、波纹管结构或一系列弹性箍。22.根据权利要求16至21所述的装置，其中，所述至少一个空腔被配置为接纳以下中的一者或多者：医疗器械、成像装置和流体。23.根据权利要求15至22所述的装置，其中，所述柔性主体被包封在外部增强装置中。24.根据权利要求23所述的装置，其中，所述外部增强装置被配置为在所述一个或更多个致动室接纳流体时限制所述一个或更多个致动室的横向膨胀。25.根据权利要求23或24所述的装置，其中，所述外部增强装置被配置为随所述柔性主体一起收缩、伸展和/或弯曲。26.根据权利要求23至25所述的装置，其中，所述外部增强装置的径向刚度使得所述一个或更多个致动室的径向膨胀受到限制。27.根据权利要求23至26所述的装置，其中，所述外部增强装置是以下中的一种：弹簧、线圈、弹性材料的卷绕线、六角手风琴状支撑结构、波纹管结构或一系列弹性箍。28.根据权利要求15至27中任一项所述的装置，其中，所述柔性主体由弹性体材料形成。29.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述细长主体被配置为与远程控制系统通信。30.根据权利要求29...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏斌，J·E·贝恩斯，B·H·海耶，
申请(专利权)人：伦敦大学国王学院，
类型：发明
国别省市：英国,GB