ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ ЗАХВАТНОЕ УСТРОЙСТВО МЕДИЦИНСКОГО РОБОТА

Область техники, к которой относится полезная модель, представляет собой захватное устройство медицинского робота, приводимое в действие сервомеханизмами и способное измерять усилия, прилагаемые на манипулируемый объект со стороны захватного устройства. Областями применения полезной модели являются, в частности, автоматизация процедур мануальной терапии и массажа.
Уровень техники. Известно устройство, содержащее корпус в виде трубки, на рабочем торце которой закреплена сменная втулка с соплом, соединенным полостью трубки с контрольным блоком и источником сжатого воздуха, надувную эластичную оболочку, закрепленную на наружной боковой поверхности трубки и соединенную через регулируемый дроссель с источником сжатого воздуха, регулируемый упор с датчиком положения, установленный на наружной боковой поверхности трубки между эластичной оболочкой и ее торцем, противоположным рабочему. (Захват промышленного робота, патент РФ №2228258, B25J 15/12, 1998). Устройство имеет возможность удержания, а также точной установки или сборки деталей с контролем выполнения операций, однако не может измерять усилия, прилагаемые на манипулируемый объект со стороны захватного устройства.
Наиболее близкое к полезной модели является устройство, содержащее приводной механизм, связанный с двумя поворотными захватными элементами, в которые вмонтирована система датчиков давления (Технические средства автоматизации, М.Ю.Рачков, Москва, МГИУ, 2006, с.60). Устройство, способно зафиксировать соприкосновение с объектом и усилие удержания, а также ориентироваться на объект посредством локации. Соприкосновение с объектом фиксируется с помощью шести тактильных датчиков, установленных на наружных сторонах устройства и построенных на основе микропереключателей. Усилие удержания контролируется посредством потенциометрических датчиков давления, смонтированных на губках и на рычаге между ними, а локация производится фотодиодами. Это устройство может измерять усилие удержания объекта, однако не способно измерять усилия во всех других направлениях.
Раскрытие полезной модели. Сущность полезной модели выражается в использовании приводного механизма, связанного с двумя поворотными захватными
элементами, в которые вмонтирована система датчиков давления, причем каждый поворотный захватный элемент выполнен в виде двух внешних жестких оправок, расположенных по краям захватного элемента, с внутренней стороны которых закреплен эластичный захватный объем, при этом система датчиков давления содержит блок преобразования и восемь сильфонов поперечных усилий, попарно смонтированных взаимно перпендикулярно по четыре сильфона в каждом из двух эластичных захватных объемов, причем один из торцов этих сильфонов закреплен на соответствующей внешней жесткой оправке, а также два сильфона продольных усилий, закрепленных торцами между эластичными объемами оправок, и два сильфона усилий кручения, смонтированных между двумя кронштейнами, каждый из которых одним концом соединен с эластичным захватным объемом соответствующей оправки, а вторым концом направлен по продольной оси между оправками, причем последние четыре сильфона расположены попарно с противоположных сторон устройства, при этом блок преобразования содержит двенадцать пневмоэлектрических преобразователей, пять инверторов и шесть сумматоров, при этом герметичные полости каждой из четырех пар сильфонов поперечных усилий соединены соответственно с первыми восемью пневмоэлектрическими преобразователями, выходы которых связаны соответственно с первыми четырьмя сумматорами, причем один сильфон из пары - через соответствующий инвертор из первых четырех, герметичные полости сильфонов продольных усилий соединены со входами девятого и десятого пневмоэлектрических преобразователей, выходы которых связаны с пятым сумматором, а герметичные полости пары сильфонов усилий кручения соединены у соответственно с одиннадцатым и двенадцатым пневмоэлектрическими преобразователями, выходы которых связаны соответственно с шестым сумматором, причем один сильфон из пары - через пятый инвертор.
Технический результат выражается в возможности измерять поперечные и продольные - усилия, а также усилия кручения, прилагаемые на манипулируемый объект со стороны захватного устройства, с повышенной чувствительностью.
Краткое описание чертежей. На фигуре 1 изображен прототип, на фигуре 2 - схема предложенного устройства по продольной оси, а на фигуре 3 - схема предложенного устройства по поперечной оси. Чтобы не загружать чертежи повторяющимися элементами, в скобках даны номера элементов, расположенных симметрично относительно указанных с противоположной стороны устройства.
Устройство содержит приводной механизм 1, связанный с двумя поворотными захватными элементами, причем каждый поворотный захватный элемент выполнен в виде двух внешних жестких оправок 2 и 3, расположенных по краям захватного элемента, с внутренней стороны которых закреплен эластичный захватный объем 4, при этом система датчиков давления содержит блок преобразования и восемь сильфонов поперечных усилий 5-12, попарно смонтированных взаимно перпендикулярно по четыре сильфона в каждом из двух эластичных захватных объемов, причем один из торцов этих сильфонов закреплен на соответствующей внешней жесткой оправке, а также два сильфона продольных усилий 13 и 14, закрепленных торцами между эластичными объемами оправок, и два сильфона усилий кручения 15 и 16, смонтированных каждый между двумя кронштейнами 17, 18 и 19, 20 соответственно, каждый из которых одним концом соединен с эластичным захватным объемом соответствующей оправки, а вторым концом направлен по продольной оси между оправками, причем последние четыре сильфона расположены попарно с противоположных сторон устройства, при этом блок преобразования содержит двенадцать пневмоэлектрических преобразователей 21-32, пять инверторов 33-37 и шесть сумматоров 38-43, при этом герметичные полости каждой из четырех пар сильфонов поперечных усилий соединены соответственно с первыми восемью пневмоэлектрическими преобразователями, выходы которых связаны соответственно с первыми четырьмя сумматорами, причем один сильфон из пары - через соответствующий инвертор из первых четырех, герметичные полости сильфонов продольных усилий соединены со входами девятого и десятого пневмоэлектрических преобразователей, выходы которых связаны с пятым сумматором, а герметичные полости пары сильфонов усилий кручения соединены соответственно с одиннадцатым и двенадцатым пневмоэлектрическими преобразователями, выходы которых связаны соответственно с шестым сумматором, причем один сильфон из пары - через пятый инвертор.
Осуществление полезной модели. Конструкция устройства в статическом состоянии содержит приводной механизм, связанный с двумя поворотными захватными элементами, в которые вмонтирована система датчиков давления, причем каждый поворотный захватный элемент выполнен в виде двух внешних жестких оправок, расположенных по краям захватного элемента, с внутренней стороны которых закреплен эластичный захватный объем, при этом система датчиков давления содержит блок преобразования и восемь сильфонов поперечных усилий, попарно
смонтированных взаимно перпендикулярно по четыре сильфона в каждом из двух эластичных захватных объемов, причем один из торцов этих сильфонов закреплен на соответствующей внешней жесткой оправке, а также два сильфона продольных усилий, закрепленных торцами между эластичными объемами оправок, и два сильфона усилий кручения, смонтированных между двумя кронштейнами, каждый из которых одним концом соединен с эластичным захватным объемом соответствующей оправки, а вторым концом направлен по продольной оси между оправками, причем последние четыре сильфона расположены попарно с противоположных сторон устройства, при этом блок преобразования содержит двенадцать пневмоэлектрических преобразователей, пять инверторов и шесть сумматоров, при этом герметичные полости каждой из четырех пар сильфонов поперечных усилий соединены соответственно с первыми восемью пневмоэлектрическими преобразователями, выходы которых связаны соответственно с первыми четырьмя сумматорами, причем один сильфон из пары - через соответствующий инвертор из первых четырех, герметичные полости сильфонов продольных усилий соединены со входами девятого и десятого пневмоэлектрических преобразователей, выходы которых связаны с пятым сумматором, а герметичные полости пары сильфонов усилий кручения соединены соответственно с одиннадцатым и двенадцатым пневмоэлектрическими преобразователями, выходы которых связаны соответственно с шестым сумматором, причем один сильфон из пары - через пятый инвертор.
Действие устройства основано на том, что при автоматизации процедур мануальной терапии и массажа манипулируемый объект в виде определенной части тела пациента, например руки, зажимается приводным механизмом 1 между двумя поворотными захватными элементами с жесткими оправками 2 и 3 и эластичными захватными объемами 4. При движении манипулятора робота на манипулируемый объект со стороны захватного устройства действуют поперечные и продольные усилия, а также усилия кручения, которые необходимо контролировать для оптимизации траекторий движения манипулятора. Сильфоны поперечных усилий 5-12, имеющие герметичный замкнутый объем, деформируясь от поперечных усилий вместе с эластичными захватными объемами, пропорционально этим усилиям изменяют свое внутреннее давление, причем в сильфоне, работающим на сжатие, давление возрастает, а в противоположном сильфоне, работающим на растяжение, давление в той же степени уменьшается. Две пары сильфонов в каждой оправке 2 и 3, позволяют отслеживать усилия по двум перпендикулярным осям в плоскости их установки. Все
выходные давления преобразуются в электрический сигнал соответствующими пневмоэлектрическими преобразователями 21-28. Поскольку отклонения от нулевого рабочего значения давления в сильфонах при отсутствии усилий в противоположных сильфонах имеют разный знак, то отрицательные отклонения приводят к появлению соответствующего сигнала с отрицательным знаком. Эти сигналы меняют знак на противоположный с помощью инверторов 33-36. В результате на входы сумматоров 38-41 с каждой пары сильфонов приходят по два сигнала одинакового знака от одного измеряемого усилия, и на их выходах появляется удвоенный по величине сигнал, что повышает чувствительность измерений.
В сильфонах продольных усилий 13 и 14 давление меняется при появлении усилий, деформирующих эластичные захватные объемы в продольном направлении. Эти изменения давлений, имеющие один знак в обоих сильфонах, преобразуются в электрический сигнал соответственно пневмоэлектрическими преобразователями 29, 30 и подаются на вход сумматора 42, удваивая сигнал от продольного усилия.
Сильфоны усилий кручения 15 и 16 деформируются между двумя парами кронштейнов 17, 18 и 19, 20 при круговом смещении эластичных захватных объемов в противоположных оправках 2 и 3. Поскольку, как и в случае измерения поперечных усилий, отклонения от нулевого значения давления в сильфонах при отсутствии усилий в противоположных сильфонах имеют разный знак, то условно отрицательные отклонения приводят к появлению соответствующего сигнала с отрицательным знаком. Этот сигнал меняет знак на противоположный с помощью инвертора 31. В результате на вход сумматора 43 приходят по два сигнала одинакового знака от одного измеряемого усилия кручения, и на его выходе появляется удвоенный по величине сигнал, что повышает чувствительность измерений. При этом направление кручения определяется по знаку сигнала на выходе сумматора.
Таким образом, обеспечивается возможность измерять поперечные и продольные усилия, а также усилия кручения, прилагаемые на манипулируемый объект со стороны захватного устройства, с повышенной чувствительностью.