Двухканальное устройство тактильного воздействия

Полезная модель относится к медицине, а именно к протезированию, и может быть использована совместно с протезами верхних или нижних конечностей, оснащённых сенсорными устройствами.
Известно устройство тактильного воздействия (US2656545, 06.28.1948), обеспечивающее передачу информации о наличии взаимодействия функционального элемента протеза с объектами, а также качественном уровне этого взаимодействия. Устройство представляет собой два резервуара, наполненных жидкостью и сообщающихся между собой посредством гибкого шланга. Один резервуар, воспринимающий, имеет в наличии упругую стенку, которая способна деформироваться при соприкосновении с объектом. Второй резервуар, передающий, снабжён упругой мембраной, соприкасающейся непосредственно с кожей пользователя. При соприкосновении с объектом упругая стенка воспринимающего резервуара деформируется, создавая избыточное давление рабочего тела в гидравлической системе. Жидкость, перетекая по гибкому шлангу, создаёт избыточное давление в передающем сосуде, упругая диафрагма которого деформируется пропорционально уровню деформации упругой стенки воспринимающего сосуда. Помимо указанной работы устройства по известным законам гидростатики предлагается модификация устройства тактильного воздействия с учётом замены принципа работы устройства на аналогичный, реализованный электрическим контуром, связывающим тензорезистивный датчик на воспринимающем устройстве и вибрационный механизм на передающем устройстве. К недостаткам рассмотренного устройства можно отнести малый диапазон воспринимаемой величины в случае с гидравлической модификацией, а также возможность передачи только одного типа воспринимаемой величины (усилия).
Известно устройство тактильного воздействия (US4770662, 13.07.1987 ), позволяющее осуществить передачу информации о смыкании пальцев протеза на объекте. Устройство содержит множество датчиков различной природы, размещённых  на поверхности протеза и воспринимающих данные об объекте, удерживаемом функциональными элементами протеза. Данные датчиков преобразуются из аналоговой формы в цифровую и проходят обработку по соответствующим их природе законам. Далее данные поступают на генератор электрических импульсов, и происходит модуляция и усиление сигнала. Сигнал в виде электрических импульсов с расчётной амплитудой и частотой поступает на металлические штифты, предварительно вживлённые при формировании культи в кость пользователя, формируя механические колебания высокой частоты. Нервные окончания, воспринимают сигналы, передаваемые вышеуказанным способом, и посылают сигнал в мозг пользователя, тем самым позволяя воспринимать тактильную информацию в качественном и количественном виде об объекте. Недостатком данного устройства можно назвать сложность настройки частотного усилителя для произвольного пользователя и необходимость предварительного инвазивного вмешательства.
Известно устройство тактильного воздействия (US4808187, 1987.10.05), позволяющее осуществить передачу информации о положении функциональных элементов протеза относительно друг друга. Данное устройство является дополнением к активному протезу, управляемому с помощью биопотенциалов активных мускульных групп пользователя, и позволяет организовать обратную тактильную связь. Устройство содержит управляемый протез с механизмом раскрытия-смыкания функциональных элементов. Управление движением функциональных элементов протеза организовано электромеханическим двигателем, задающим сигналом для которого является преобразованная электромиограмма пользователя. Двигатель механически связан с гидравлическим цилиндром, который управляет движением рабочего тела (жидкости) по гибкому шлангу. Гибкий шланг соединён с полой манжетой, наполняемой жидкостью по мере выдвижения цилиндра, а также опорожняемой при втягивании цилиндра, соответственно. Величина выдвижения штока гидравлического цилиндра непосредственно связана с углом поворота вала электродвигателя, приводящего в движение механизм смыкания-размыкания функциональных элементов протеза. Манжета, надетая на культю, наполняясь жидкостью и опорожняясь, регулирует силовое воздействие на тело пользователя, позволяя получать информацию о величине раскрытия функциональных элементов протеза. К недостаткам предложенного устройства можно отнести малую чувствительность на границе полного раскрытия системы функциональных элементов, а также неудобство длительного удержания мелкого объекта, выраженное в постоянном кольцевом давлении манжеты на руку или ногу пользователя и приводящем к нарушению циркуляции крови.
Известно устройство и метод тактильного воздействия (US20050192676, 2003.12.12), позволяющее получить тактильную информацию об объекте через функциональные элементы протеза. Предлагаемый метод основан на применении датчиков усилия, интегрированных в конструкцию протеза, и подключенных к системе цифровой обработки сигналов. Предполагается, что система цифровой обработки сигналов на основе полученных от датчиков усилия данных синтезирует известным образом сигнал управления на вибрирующий элемент. Система управления вибрацией вышеупомянутого вибрирующего элемента представляет собой двухконтурную замкнутую следящую систему, содержащую контур управления по положению, включённый в контур управления по усилию. Недостатком предлагаемого устройства можно назвать слабое восприятие пользователем изменения измеряемой величины в малых окрестностях этой величины.
Известно устройство тактильного воздействия (WO2015193856, 2014.04.20), содержащее устройство обратной связи, информационный интерфейс и датчик усилия. Приводится метод управления устройством обратной связи, основанный на применении алгоритма порогового воздействия, при котором устройство обратной связи активируется при превышении полученным от датчика усилия сигналом уровня границы зоны нечувствительности. При этом информационный интерфейс описывается различными модификациями как проводной, так и беспроводной передачи. Основным недостатком данного устройства является сложность настройки околопорогового воздействия, при котором могут возникать автоколебательные процессы в устройстве обратной связи.
Известен метод тактильного воздействия (WO2017055830, 2015.09.28 ), основанный на применении матрицы магнитных элементов, а также на применении магнетизма при формировании воздействия на кожу пользователя. Данный метод предполагает использование подвижного намагниченного элемента, приводимого в движение гибкой связью (трос или упругая лента) в соответствии с относительным движением функциональных элементов протеза. Предполагается, что вышеупомянутый намагниченный элемент может перемещаться в некотором пространстве, ограниченном конструктивными элементами, позволяющими намагниченному элементу перемещаться исключительно в заданных направлениях. Данные конструктивные элементы создают направляющую систему. На коже пользователя располагается матрица из магнитов, форма которых зависит от необходимой интенсивности взаимодействия. Направляющая система с магнитным элементом располагается над вышеупомянутой матрицей таким образом, чтобы движение магнитного элемента внутри направляющей системы влияло на магниты матрицы. При движении магнитного элемента в направляющей системе происходит взаимодействие магнитов, вследствие чего кожа пользователя ощущает это движение. Недостатком данного метода можно назвать дискретность, а также возможность восприятия только одного типа информации.
Наиболее близким к заявляемому по своей технической сущности можно считать устройство (US20080200994, 21.02.2007), представляющее собой систему, воспроизводящую движение аппликатора по двум осям на коже пользователя. Система управления получает сигналы от датчика усилия и акселерометра, а затем преобразует эти сигналы, согласно известным алгоритмам в согласованное движение двух валов электромеханических приводов. На валу каждого электродвигателя расположен индивидуальный шатун, приводящий в движение общую кулису, связанную непосредственно с аппликатором. Положение кулисы и, соответственно, аппликатора в пространстве определяется взаимным угловым отклонением валов двигателей. При работе устройства достигается очувствление по двум параметрам – перемещению и усилию.
Недостатком данного устройства по сравнению с заявляемым является воспроизведение движения аппликатора по коже пользователя в малой зоне, что критично при очувствлении перемещения функциональных элементов протеза. Увеличение размеров шатунов и кулисы может повлиять на увеличение геометрических размеров площадки воздействия на коже пользователя, однако при этом существенно увеличится перемещение надавливания аппликатора, что приведёт к невозможности использования данной конструкции по назначению. Помимо этого, отсутствие самоторможения при передаче тактильной информации через аппликатор о статических нагрузках существенно повышает энергетические затраты устройства на поддержание необходимого уровня усилия, передаваемого пользователю.
Таким образом, конструктивные особенности данного устройства снижают эффективность его использования по сравнению с предлагаемым.
Полезная модель относится к медицине, а именно к протезированию, и может быть использована совместно с протезами верхних или нижних конечностей, оснащённых сенсорными устройствами.
Информация, полученная с датчиков усилия и линейного или углового отклонения функциональных элементов протеза по двум информационным каналам, приводит к тактильному восприятию пользователем и повышает эффективность управления протезом.
Указанный результат достигается тем, что двухканальное устройство тактильного воздействия содержит два электромеханических привода вращения, оснащённые датчиками углового отклонения, соединенных каждый непосредственно с винтами, расположенными параллельно друг другу, и образующими вращательно-поступательные пары с индивидуальными гайками. Каждая упомянутая гайка оснащена выступом, позволяющим образовать ось вращения с отдельным шатуном. Оба шатуна кинематически связаны вращательной парой с роликом и замыкаются на нём. Таким образом, совместная работа двух электромеханических приводов приводит к перемещению вышеупомянутого ролика по двум осям. При этом тактильное восприятие пользователем происходит при непосредственном контакте кожи с материалом ролика. Информация об угловом или линейном перемещении функциональных элементов протеза может быть воспроизведена в виде линейного перемещения ролика по поверхности кожи, а информация об усилии взаимодействия функциональных элементов протеза с объектами может быть воспроизведена управляемым надавливанием ролика на кожу пользователя.
Отличительными признаками заявляемого устройства являются:
- снабжение механизма передачи движения от электродвигателей к ролику передачей винт-гайка.
- снабжение двухканального устройства тактильного воздействия роликом.
Снабжение механизма передачи движения от электродвигателей к ролику передачей винт-гайка позволяет увеличить зону восприятия пользователем углового или линейного перемещения функциональных элементов протеза, что повышает эффективность использования устройства тактильного воздействия при очувствлении малых перемещений функциональных элементов протеза. Также снабжение механизма передачи движения от электродвигателей к ролику передачей винт-гайка позволяет реализовать самоторможение движения ролика для снижения энергозатрат устройства при передаче информации об усилии взаимодействия с объектом в статике (например, при удержании инструмента протезом).
Снабжение двухканального устройства тактильного воздействия роликом позволяет улучшить восприятие усилия при одновременном движении функциональных элементов протеза, снизив трение о кожу пользователя. Таким образом, достигается возможность очувствления упругих объектов, изменяющих свою форму при внешнем силовом воздействии.
Сущность заявляемого устройства поясняется примером его реализации и чертежами, на которых схематично представлено устройство. На фиг. 1 показана кинематическая схема двухканального устройства тактильного воздействия. На фиг. 2 показана одна из возможных технических реализаций двухканального устройства тактильного воздействия. На фиг. 3 показана взрыв-схема предлагаемой реализации двухканального устройства тактильного воздействия. На фиг. 4 показана ещё одна из возможных технических реализаций двухканального устройства тактильного воздействия, основанная на схожем принципе работы. На фиг. 5 показана взрыв-схема предлагаемой реализации двухканального устройства тактильного воздействия, основанного на схожем принципе работы.
Двухканальное устройство тактильного воздействия (Фиг. 1-5) содержит электромеханический привод 1 и электромеханический привод 2. Каждый из приводов  1 и 2, оснащён датчиком углового отклонения 15 и 16,  соответственно. Вал электромеханического привода 1 соединён непосредственно (Фиг. 1-3) с винтом 3. Вращательное движение винта 3 преобразуется в поступательное движение гайки 5, имеющей выступ, позволяющее образовать ось вращения с шатуном 7.
Вал электромеханического привода 2 соединён непосредственно (Фиг. 1-3) или через передачу (Фиг. 4, Фиг. 5) с винтом 4. Вращательное движение винта 4 преобразуется в поступательное движение гайки 6, имеющей выступ, позволяющее образовать ось вращения с шатуном 8.
Шатун 7 и шатун 8 кинематически связаны вращательной парой с роликом 9.
Винты 3 и 4 имеют вращательные опоры, реализуемые парой трения, например втулка или подшипник 11 и 10, соответственно. Они запрессовываются в боковую крышку 12, а жёсткость всей системе придаёт крышка 13. Крышка 13 имеет крепления 14 для фиксации устройства на теле пользователя.
Двухканальное устройство тактильного воздействия работает следующим образом: информация об усилии взаимодействия функциональных элементов протеза с захватываемым объектом первоначально регистрируется установленным на одном из звеньев кинематической цепи тензорезистором или иным датчиком, воспринимающим механическое воздействие на конструктивные или функциональные элементы протеза, а информация о величине раскрытия функциональных элементов протеза регистрируется с помощью датчика угла поворота или датчика линейного перемещения, интегрированного в конструкцию самого протеза. Таким образом, информация о состоянии захватываемого объекта передаётся по двум независимым каналам. Усилие взаимодействия функциональных элементов протеза с захватываемым объектом передается путём надавливания ролика 9 на кожу в предлагаемом устройстве, а расстояние между функциональными элементами протеза -  путём перемещения ролика 9 по коже. То есть, предлагаемое двухканальное устройство тактильного восприятия реализует известную функциональную зависимость продольного и поперечного перемещения ролика 9 в пространстве от частот вращения валов электромеханических приводов вращения 1 и 2.
Продольное и поперечное движение ролика 9 по коже пользователя является следствием согласованного вращения валов электромеханического привода 1 и электромеханического привода 2. Оснащение электромеханического привода 1 и электромеханического привода 2 обратной связью по углу с помощью датчиков углового отклонения 15 и 16 позволяет согласовать их вращение по известным алгоритмам. Винты 3 и 4, соединённые непосредственно с валами электромеханического привода 1 и электромеханического привода 2, соответственно, воспроизводят передаваемое вращение с частотой, зависящей от коэффициента передачи. При непосредственном соединении валов электромеханического привода 1 и электромеханического привода 2 с винтами 3 и 4, соответственно, частоты вращения изменяться не будут. Итоговое согласованное вращение винтов 3 и 4 приводят к поступательному перемещению по ним гаек 5 и 6, соответственно. При этом реализуется либо однонаправленное относительное перемещение гаек 5 и 6 в пространстве, либо разнонаправленное перемещение гаек 5 и 6 относительно друг друга. Движение гаек 5 и 6 передаётся ролику 9 через шатуны 7 или 8, соответственно. Поперечное движение ролика 9 и совершаемое им надавливание является следствием разнонаправленного относительного движения гаек 5 и 6 по винтам 3 и 4, соответственно. Таким образом, информация об усилии взаимодействия функциональных элементов протеза с объектом взаимодействия воспринимается кожей пользователя.
Крепления 14 необходимы для фиксации устройства на теле пользователя с помощью эластичных или гибких ремней. Наличие креплений 14 позволяет дислоцировать двухканальное устройство тактильного воздействия в необходимом месте на теле пользователя.