一种软体采样机器人及操作方法技术

本发明专利技术涉及一种软体采样机器人及操作方法，包括由软体材料制造而成的气驱动的：两变直径锚定机构，包括多个点接触锚定组件，点接触锚定组件包括圆柱腔室和多个凸起腔室，凸起腔室轴对称分布于圆柱腔室的外周，凸起腔室的深度沿圆柱腔室的周向逐渐降低，凸起腔室与圆柱腔室连通，多个点接触锚定组件错位叠加；一转弯机构，设置于两变直径锚定机构之间，转弯机构分隔为两个半圆形气动腔室，每个气动腔室分别设置有第二进气口；一采样器，安装于其中一变直径锚定机构末端，采样器内设置有采样腔室。本发明专利技术能够在复杂肠道环境内无损自由移动，并在肠道内任意位置无污染的原位采样。并在肠道内任意位置无污染的原位采样。并在肠道内任意位置无污染的原位采样。

【技术实现步骤摘要】
一种软体采样机器人及操作方法


[0001]本专利技术涉及软体机器人
，尤其是指一种软体采样机器人及操作方法。

技术介绍

[0002]人体肠道微生物基因组作为人类的第二套基因组，与人类健康密切相关。目前大量的研究表明肠道菌的失衡与包括癌症、帕金森、老年痴呆、心血管等50多种重大疾病的发生密切相关。肠道菌研究及其与疾病发生机制的研究已经成为当前世界性的科研前沿热点问题。目前针对肠道菌及其相关的研究通常以从粪便中采集的菌种为样本，然而，粪便中的菌群与肠道内的菌群在种类、丰度和性能上都有很大区别，难以准确和全面地表征肠道内菌群变化；而其他借助内窥镜技术的侵入性采样方法采样位点有限且难以精准定位。因此，发展一种新的肠道菌原位采样方法对肠道菌研究及其相关疾病诊断具有重要的意义。
[0003]软体机器人的出现为肠道菌群精准原位取样提供可行手段。软体机器人是采用软材料或柔性材料加工而成，自身可连续变形，与刚性机器人相比具有更高的柔顺性、安全性和适应性。软体机器人可以大幅度弯曲、扭转和伸缩，可在有限空间下作业，且材料刚度与生物体相似，可以在人体的复杂内腔中移动而不会对器官造成伤害，因此，软体机器人在医疗领域有着巨大的应用前景，如用于微创手术。意大利圣安娜高等研究院的T.Ranzani等学者设计了一种多模态的软体操作手，能够进入狭小空间并抓取柔软的不规则物体，为腹腔手术提供一种新的思路[T.Ranzani,et al,Bioinspir Biomim,2015；M.Cianchetti,et al.Soft Robot,2014]；苏黎世大学的R.Pfeifer和上海交通大学的W.Chen等学者开发了一种有线驱动的软体内窥镜系统实现微创心脏消融手术[M.McCandless,et al,Soft Robot,2021]；波士顿大学的S.Russo等学者设计和制造的软体机器人，固定在支气管镜末端并安装了视觉系统，能够进入肺小管内实现肺癌的检测和治疗[L.Marechal,et al,Soft Robot,2020]。然而，前述的一端固定的软体机器人操作手在操作范围、运动灵活性等方面依然难以满足肠道长纵深环境下的微生物采样需求。因此，针对在长纵深狭窄肠道内应用，近年来研究者们提出无固定端的软体机器人研究思路，并已取得了一系列初步成果。上海交通大学的X.Jin等学者设计和制造了一款微型软体机器人肠镜样机，该机器人用两个球囊沿径向交替支撑在肠道内壁，用轴向运动的线性马达驱动软体机器人在肠道内灵活运动，并通过实验验证了该机器人能够在体外的猪结肠内自由移动[K.Wang,et al,ROBIO,2013]。然而，该软体机器人通过线性马达沿着轴向驱动，难以实现转弯的移动方式。为了实现软体机器人在弯曲肠道内运动，香港中文大学的Z.Li等学者设计和制造了一款针对肠胃检查的仿蚯蚓软体机器人样机，该机器人包括两个锚定的扩展段和可弯曲的中间拉伸段，通过气动控制扩展段交替锚定和中间段腔室的气压，实现在硬质塑料管和体外猪结肠内的自由运动；而该软体机器人中间段并列的多腔室设计，并通过控制不同腔室气压实现软体机器人在肠道内的弯曲运动。该软体机器人能够在90
°
转角管道内运动，但是没有解决在肠道直径变化较大的环境内运动的问题。而为了实现软体机器人在变孔径肠道环境内运动问题，邓迪大学的L.Manfredi等学者设计和制造了一种软体气动尺蠖双气囊(SPID)机器人，
该机器人前后两个气囊交替充放气用于锚定机器人，通过对该软体机器人两个锚定部分膨胀系数的控制实现在变直径的刚体管道和多角度弹性肠道假体内自由移动[H.Heung,et al,ROBIO,2016]。该机器人虽然实现了变孔径和柔性转角管道的运动，但是针对内含粘稠液体的复杂管道环境内的运动可行性依然没有得到验证。目前，在肠道内应用的软体机器人大多是在离体干燥的肠道内运动，而在内含粘稠液体、盘曲、复杂的肠道环境运行的软体机器人的研究依然还是空白。此外，针对肠道应用的软体机器人还主要停留在实现肠道内自由运动的阶段，在肠道内实现菌种采样的研究依然还是空白。
[0004]总之，软体机器人因其本身的柔性和理论上有无限自由度的特性，使得其具备了在复杂肠道环境内采样的巨大潜力。然而，目前在软体机器人的研究还无法实现在长纵深、急角转弯、变孔径和多皱褶等综合特征的肠道环境内运动和采样；且软体机器人在肠道内实现微生物采样方面的成果依然还没有被报道过。

技术实现思路

[0005]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中软体机器人无法在复杂的肠道环境内运动和采样的缺陷，提供一种软体采样机器人及操作方法，通过变直径锚定机构与转弯机构及采样机构的配合实现在长纵深、急角转弯、变孔径和多皱褶等综合特征的肠道环境内无损自由运动和原位采样，为肠道菌采样提供一种全新的可行方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种软体采样机器人，包括由软体材料制造而成的气驱动的：
[0007]两变直径锚定机构，每个所述变直径锚定机构包括多个点接触锚定组件，所述点接触锚定组件包括圆柱腔室和多个凸起腔室，每个所述圆柱腔室均设置有第一进气口，所述凸起腔室轴对称分布于所述圆柱腔室的外周，所述凸起腔室的深度沿所述圆柱腔室的周向逐渐降低，所述凸起腔室与所述圆柱腔室连通，多个所述点接触锚定组件错位叠加；
[0008]一转弯机构，设置于两所述变直径锚定机构之间，所述转弯机构包括圆柱形弯曲制动柔性体，所述柔性体分隔为两个半圆形气动腔室，每个气动腔室分别设置有第二进气口；
[0009]一采样器，安装于其中一所述变直径锚定机构末端，所述采样器内设置有采样腔室。
[0010]在本专利技术的一个实施例中，所述点接触锚定组件设置有三个，三个所述点接触锚定组件同轴设置且以120
°
角错位叠加。
[0011]在本专利技术的一个实施例中，所述凸起腔室设置有偶数个，深度最大的所述凸起腔室与深度最小的所述凸起腔室相对设置。
[0012]在本专利技术的一个实施例中，所述凸起腔室为锥形，锥形所述凸起腔室的底面与所述圆柱腔室的外壁固定相连。
[0013]在本专利技术的一个实施例中，另一所述变直径锚定机构的前端连接有抗液阻机构，所述抗液阻机构为锥形，所述抗液阻机构的前端的直径小于末端的直径，所述抗液阻机构末端设置有第三进气口。
[0014]在本专利技术的一个实施例中，所述转弯机构的外表面等间距设置有若干第一凹槽，所述第一凹槽内设置有第一O型环。
[0015]在本专利技术的一个实施例中，还包括：
[0016]一采样臂，设置于所述变直径锚定机构与采样器之间，所述采样臂包括对称的两个半圆锥体腔室，所述半圆锥体腔室通过粘贴形成锥形结构，每个所述半圆锥体腔室均设置有第四进气口。
[0017]在本专利技术的一个实施例中，所述采样臂的外表面等间距设置有若干第二凹槽。
[0018]在本专利技术的一个实施例中，所述采样器包括中空采样本体，所述采样本体一端与所述变直径锚定机构相连且设置有第五进气口，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软体采样机器人，其特征在于，包括由软体材料制造而成的气驱动的：两变直径锚定机构，每个所述变直径锚定机构包括多个点接触锚定组件，所述点接触锚定组件包括圆柱腔室和多个凸起腔室，每个所述圆柱腔室均设置有第一进气口，所述凸起腔室轴对称分布于所述圆柱腔室的外周，所述凸起腔室的深度沿所述圆柱腔室的周向逐渐降低，所述凸起腔室与所述圆柱腔室连通，多个所述点接触锚定组件错位叠加；一转弯机构，设置于两所述变直径锚定机构之间，所述转弯机构包括圆柱形弯曲制动柔性体，所述柔性体分隔为两个半圆形气动腔室，每个气动腔室分别设置有第二进气口；一采样器，安装于其中一所述变直径锚定机构末端，所述采样器内设置有采样腔室。2.根据权利要求1所述的一种软体采样机器人，其特征在于，所述点接触锚定组件设置有三个，三个所述点接触锚定组件同轴设置且以120
°
角错位叠加。3.根据权利要求2所述的一种软体采样机器人，其特征在于，所述凸起腔室设置有偶数个，深度最大的所述凸起腔室与深度最小的所述凸起腔室相对设置。4.根据权利要求1所述的一种软体采样机器人，其特征在于，所述凸起腔室为锥形，锥形所述凸起腔室的底面与所述圆柱腔室的外壁固定相连。5.根据权利要求1所述的一种软体采样机器人，其特征在于，另一所述变直径锚定机构的前端连接有抗液阻机构，所述抗液阻机构为锥形，所述抗液阻机构的前端的直径小于末端的直径，所述抗液阻机构末端设置有第三进气口。6.根据权利要求1所述的一种软体采样机器人，其特征在于，所述转弯机构的外表面等间距设置有若干第一凹槽，所述第一凹槽内设置有第一O型环。7.根据权利要求1所述的一种软体采样机器人，其特征在于，还包括：一采样臂，设置于所述变直径锚定机构与采样器之间，所述采样臂包括对称的两个半圆锥体腔室，所述半圆锥体腔室通过粘贴...

【专利技术属性】
技术研发人员：李恭新，刘飞，栾小丽，王志国，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：