Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента

Полезная модель относится к медицинской технике, к устройству, обеспечивающему обратные тактильные ощущения при манипулировании имитатором медицинского инструмента. Механизм может быть использован в медицинских тренажерах для отработки навыков оториноларингологии, при моделировании виртуального медицинского вмешательства, где хирург, проводит тренировочную хирургическую операцию в моделируемой среде, оперируя имитаторами медицинских инструментов подобными реальным инструментам.
Известен патент (US 8764448 B2, 01.09.2010 г.), «Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training», «Роботизированное устройство для использования при хирургическом робото-ассистированном обучении под визуальным контролем». Роботизированное устройство для использования при хирургическом робото-ассистированном обучении под визуальным контролем, роботизированное устройство сочетает в себе структуру ручного интерфейса, предназначенного для имитации управления хирургическим инструментом; поступательный механизм поступательного движения структуры ручного интерфейса; вращательный механизм вращательного движения структуры ручного интерфейса; и сферический механизм, предназначенный для разделения ориентации структуры ручного интерфейса на пространственные координаты, где связи между вращательным механизмом, вращательным механизмом и сферическим механизмом, и структурой ручного интерфейса расположены на противоположных сторонах пересечения поперечной оси и вертикальной оси сферического механизма.
Известен «Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию» (патент на полезную модель RU 139350). Механизм содержит устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента для обеспечения тактильных ощущений. На коробчатом основании прямоугольного сечения установлен кронштейн, который неподвижно закреплен на вертикальном валу вращения, взаимодействующий гибкой связью с двигателем, установленным внутри основания. А в верхней части кронштейна установлен вал со шкивом, соединенный гибкой связью с двигателем на кронштейне, при этом на боковой поверхности шкива закреплен линейный электромагнитный двигатель, с размещенным внутри трубчатым инструментом с магнитами внутри.
Известен «Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента» взятый нами за прототип (патент на полезную модель RU 154843). Механизм содержит устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента. Устройство линейного перемещения выполнено в виде линейного электромагнитного двигателя с размещенным внутри имитатором медицинского инструмента с магнитами внутри. Устройства вращательного и углового перемещения выполнены в виде основания, на котором закреплен статор первого двигателя, к ротору которого прикреплен кронштейн с закрепленным на нем статором второго двигателя, к ротору которого прикреплен линейный электромагнитный двигатель. Первый двигатель и второй двигатель являются электромагнитными двигателями с управляемым магнитным полем статора и соединены с блоком управления двигателями.
Недостатком данных механизмов является большое расстояние от «точки входа» (точки установки имитатора инструмента) до точки пересечения осей свободы механизма, как следствие, несоответствие процесса тренировочной операции с реальной операцией в оториноларингологии. Габариты данных механизмов не позволяют срыть «точку входа» имитатора медицинского инструмента, например, имитатором носового отверстия. Поэтому данные механизмы не могут использоваться в тренажерах оториноларингологии и для работы имитаторами медицинских инструментов используемых в оториноларингологии.
Техническая задача заключается в расширении функциональных возможностей механизма, путем изменения конструкции механизма, для использования в тренажерах оториноларингологии и для работы имитаторами медицинских инструментов используемых в оториноларингологии. Техническая задача решается за счет уменьшения расстояния от «точки входа» (точки установки имитатора инструмента) до точки пересечения осей свободы механизма.
Техническая задача в механизме генерации усилия на имитатор медицинского инструмента, содержащем
устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента (не показаны), где устройство линейного перемещения инструмента выполнено в виде линейного электромагнитного двигателя, который соединен с блоком управления двигателями, устройства вращательного и углового перемещения инструмента выполнены в виде основания, на котором закреплен статор первого двигателя, к ротору которого прикреплен кронштейн с закрепленным на нем статором второго двигателя, где первый двигатель и второй двигатель являются электромагнитными двигателями с управляемым магнитным полем статора и соединены с блоком управления двигателями
достигается тем, что
второй двигатель смещен относительно оси вращения первого двигателя, на роторе первого двигателя дополнительно закреплен кронштейн с вилкой, линейный электромагнитный двигатель одним концом подвижно соединен с вилкой, а другим подвижно соединен рычагом с ротором второго двигателя, внутри линейного электромагнитного двигателя расположен якорь с магнитами внутри, один конец якоря соединен упруго деформируемым элементом с корпусом линейного электромагнитного двигателя.
На Фиг. 1 представлен общий вид механизма генерации усилия на имитатор медицинского инструмента
На Фиг. 2 Изображен механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента с установленным имитатором медицинского инструмента, при этом линейный электромагнитный двигатель выполнен в разрезе.
Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента, содержит устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента (не показаны).
Устройство линейного перемещения инструмента выполнено в виде линейного электромагнитного двигателя 1, который соединен с блоком управления двигателями 8.
Устройства вращательного и углового перемещения инструмента выполнены в виде основания 2, на котором закреплен статор первого двигателя 3, к ротору 4 которого прикреплен кронштейн 5 с закрепленным на нем статором второго двигателя 6. Первый двигатель и второй двигатель являются электромагнитными двигателями с управляемым магнитным полем статора и соединены с блоком управления двигателями 8. Второй двигатель смещен относительно оси вращения первого двигателя. На роторе первого двигателя 4 закреплен кронштейн с вилкой 9.
Линейный электромагнитный двигатель 1 одним концом подвижно соединен с вилкой 9, а другим подвижно соединен рычагом 10 с ротором второго двигателя 7.
Это позволяет сместить линейный электромагнитный двигатель 1, а значит уменьшить расстояние от «точки входа» (точки установки имитатора инструмента 13) до точки пересечения осей свободы механизма.
Внутри линейного электромагнитного двигателя 1 расположен якорь 11 с магнитами внутри, один конец якоря соединен упруго деформируемым элементом 12 с корпусом линейного электромагнитного двигателя 1. Свободный конец якоря 11 расположен вблизи от «точки входа» (точки установки имитатора инструмента).
Рассмотрим в работе механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента.
В начале работы обучаемый устанавливает имитатор медицинского инструмента 13 в механизм (Фиг. 2). Имитатор медицинского инструмента 13 на дистальном конце имеет магнитный материал (не показано) (постоянный магнит или металлическую вставку). При установке имитатора медицинского инструмента дистальный конец входит в зацепление с якорем 11 с магнитами внутри, свободный конец которого расположен вблизи «точки входа». Таким образом, отслеживание перемещения инструмента, а так же генерация усилия на инструмент начинается с момента зацепления дистального конца инструмента 13 с якорем 11.
Во время работы обучаемый совершает манипуляции имитатором медицинского инструмента 13, установленным в механизме, осуществляя тренировочную хирургическую операцию в виртуальной среде моделируемой, например, ЭВМ (не показано), при этом положение имитатора медицинского инструмента 13 синхронизировано с положением виртуального инструмента.
Имитатор медицинского инструмента 13 установлен в механизме, его положение отслеживается в трех координатах датчиками слежения за инструментом (не показано) и используется для построения виртуальной картины операции. При отключенных двигателях имитатор медицинского инструмента 13 свободно перемещается в трех координатах, за счет свободного вращения ротора первого двигателя 4, ротора второго двигателя 7 и линейного перемещения имитатора медицинского инструмента 13 совместно с якорем 11 с магнитами внутри в линейном электромагнитном двигателе 1, происходит только отслеживание положения имитатора медицинского инструмента 13.
При взаимодействии виртуального медицинского инструмента с объектом в моделируемой среде (с виртуальным органом, другим инструментом или др.) ЭВМ (не показано) подает на блок управления двигателями 8 сигнал о направлении и величине усилия, блок управления двигателями 8 подает управляющее напряжение на статор первого двигателя 3, статор второго двигателя 6 или линейный электромагнитный двигатель 1, при этом на имитаторе медицинского инструмента 13 возникает усилие препятствующее перемещению инструмента.
При подаче управляющего напряжения на статор первого двигателя 3, основание 2 и статор первого двигателя 3 остаются неподвижными, а ротор первого двигателя 4 начинает совершать вращательное движение совместно с кронштейном 5, вторым двигателем и линейным электромагнитным двигателем 1, имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 13.
При подаче управляющего напряжения на статор второго двигателя 6, ротор второго двигателя 7 начинает совершать вращательное движение и рычагом 10 увлекает за собой линейный электромагнитный двигатель 1. При этом линейный электромагнитный двигатель 1 совершает перемещение вокруг оси вращения проходящей через точки крепления линейного электромагнитного двигателя 1 на кронштейне с вилкой 9. Имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 13.
При подаче управляющего напряжения на линейный электромагнитный двигатель 1, якорь 11 с магнитами внутри совместно с имитатором медицинского инструмента 13 начинает совершать поступательное движение вдоль оси линейного электромагнитного двигателя 1, имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 13.
В механизме генерации усилия на имитатор медицинского инструмента за счет конструктивного решения уменьшено расстояние от «точки входа» (точки установки имитатора инструмента) до точки пересечения осей свободы механизма. Это позволяет сымитировать ввод имитатора медицинского инструмента, например, в носовое отверстие. Заявленное техническое решение расширяет функциональные возможности прототипа и позволяет использовать механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента в тренажерах оториноларингологии и для работы имитаторами медицинских инструментов используемых в оториноларингологии.