МЕХАНИЗМ ГЕНЕРАЦИИ ОБРАТНОЙ ТАКТИЛЬНОЙ СВЯЗИ НА ИНСТРУМЕНТ ПО УСИЛИЮ

Полезная модель относится к медицинской технике, к устройствам, обеспечивающим обратные тактильные ощущения при манипулировании инструментами. Полезная модель может быть использована при моделировании медицинского вмешательства, где катетеры и другие инструменты вводятся через входное отверстие для взаимодействия с виртуальной средой, преимущественно в медицинских тренажерах при обучении проведению хирургических операций.
Из опубликованной заявки США №20070063971 A1 известен «Привод для продолговатого объекта с устройством генерации обратной связи по усилию», опубл. 22.03.2007 г. Привод обеспечивает продольные и вращательные перемещения продолговатого объекта (катетера) с генерацией тактильных ощущений на катетер по усилию. Это достигается электромагнитным тормозным устройством, которое с помощью электромагнита и валиков создает заданное сопротивление перемещению инструмента. Вращательное движение обеспечивается валиками с приводом. По мере движения инструмента процессор непрерывно получает информацию от датчиков слежения и выбирает расчетное тормозное усилие. Основным элементом торможения является трение между валиками и инструментом. Недостатком данного привода является то, что устройства линейного движения инструмента и вращательное могут работать только каждый в отдельности, поочередно, что снижает технические возможности привода. В реальности же необходимо совмещение обоих движений.
Известен патент на изобретение RU №2461362, МПК A61B 17/068 «Хирургический отрезной и фиксирующий аппарат с приводом от двигателя и тактильной обратной связью по положению». Изобретение относится к медицинской технике. Аппарат содержит концевой эффектор, узел главного ведущего вала, который соединен с концевым эффектором, и цепь зубчатых передач привода. Цепь соединена с узлом главного ведущего вала. Концевой эффектор содержит подвижный режущий инструмент для разрезания объекта в концевом эффекторе. Аппарат имеет главный электродвигатель для приведения в действие цепи зубчатых передач привода, рычаг прошивки для включения главного электродвигателя и систему тактильной обратной связи по положению для приложения усилия к рычагу прошивки, положение которого связано с положением режущего инструмента в концевом эффекторе. В результате при управлении установкой скобок имеется возможность останова в любой момент, если усилия, ощущаемые в рукоятке устройства, оказываются слишком большие. Аппарат позволяет осуществлять поворотно-поступательные перемещения инструмента, но он сложен в изготовлении.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является «Роботизированное устройство для хирургических операций под контролем изображения на компьютере», раскрытое в опубликованной заявке США №20130224710 A1, опубл. 29.09.2013 г, которое взято за прототип. Роботизированное устройство содержит механизмы вращательного, поступательного и углового перемещений. В одном конце удлиненного инструмента установлены рукоятка управления с двигателем и датчиком слежения. На другом конце инструмента также имеется двигатель с датчиком слежения. Роботизированное устройство позволяет записывать все движения опытного хирурга при проведении операции и воспроизводить их обучающимся. За счет программного обеспечения на всем этапе проведения операции устройство позволяет воспроизводить силы, препятствующие перемещению инструмента, тем самым обеспечивается тактильная связь на инструмент по усилию. Устройство имеет четыре степени свободы. Однако данное устройство сложно в изготовлении. Это касается механизмов вращательного, поступательного и углового перемещений. Так угловое перемещение осуществляется двумя сферическими арками, а линейное движение инструмента реализуется зубчатой передачей от двигателя на инструмент. Так зубчатая передача проходит по всей длине инструмента, необходимой для перемещения. На процесс точности воспроизводства, заданных программой режимов по усилию влияет трение элементов зубчатой передачи при перемещении инструмента.
Технический результат-повышение точности тактильных ощущений, заданных программой, упрощение конструкции и снижение затрат на изготовление механизма генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию.
Технический результат в механизме генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию, содержащем устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента с созданием заданных сил, препятствующих перемещению инструмента для обеспечения тактильных ощущений, достигается тем, что 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 вращения 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.
На фиг. 1 представлен общий вид механизма генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию;
На фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1;
На фиг. 3 - вариант применения механизма генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию.
На фиг. 4 - линейный электромагнитный двигатель.
Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию содержит коробчатое основание 1 прямоугольного сечения, на котором установлен кронштейн 2, который неподвижно закреплен на вертикальном валу вращения 3. На валу 3 установлены подшипники 4 и шкив 6. Верхний подшипник 4 закреплен в коробчатом основании 1, нижний подшипник 4 закреплен в опоре вала 5. Вал 3 связан гибкой связью 7 с двигателем 8, установленным внутри коробчатого основания 1. В верхней части кронштейна установлен вал вращения 9 и шкив 10, соединенный гибкой связью 11 с двигателем 12, установленным в основании кронштейна 2. На боковой поверхности шкива 10 закреплен линейный электромагнитный двигатель 13. На валах вращения 3,9 и в линейном электромагнитном двигателе 13 установлены датчики слежения 14 за перемещениями инструмента 15 (фиг. 3).
Пример конкретной реализации представлен на фиг. 3. При отключенных двигателях 8, 12, 13 трубчатый инструмент 15 может свободно перемещаться и вращаться, при этом происходит только отслеживание его перемещений датчиками 14,которые установлены на валах вращения 3, 9 и в линейном электромагнитном двигателе 13. Генерация обратной тактильной связи осуществляется созданием заданных сил, препятствующих перемещению инструмента 15 (фиг 3, 4).
Данные о положении инструмента в линейном электромагнитном двигателе 13 могут быть использованы в моделируемом виртуальном пространстве, где положение виртуального инструмента будет синхронизировано с положением инструмента 15 в трехмерном пространстве. В блок сопряжения 16 поступают сигналы заданные программой 17, а сигналы управления 21, 22, 23 поступают в блоки управления двигателями 18, 19, 20 (фиг. 2, 3). При перемещении инструмента 15 с помощью рукоятки 24 датчики отслеживают положение инструмента в трех координатах. При поступлении сигналов с блоков управления на двигатели 8, 12, 13, подается необходимое напряжение. При работе двигателя 8 кронштейн 2 начинает совершать вращательное движение. При работе двигателя 12 шкив 9, вместе с закрепленным на его боковой поверхности линейным двигателем 13 с инструментом 15 внутри него, может совершать вращательные и угловые перемещения, которые препятствуют дальнейшему перемещению инструмента 15 оператором, тем самым создавая тактильные ощущения на рукоятке 24. Гибкая связь 7 и 11 исключает возникновение трения скольжения характерного для зубчатых передач, это позволяет повысить точность тактильных ощущений, заданных программой, на инструмент 15.
При подаче сигнала 23 на блок управления 20 линейным электромагнитным двигателем 13, подается заданное напряжение на катушки 25 (фиг. 4). Магнитное поле, возникающее в катушках, взаимодействует с магнитами 26 в инструменте 15 и создает усилие, препятствующее (тормозящее) линейному перемещению инструмента оператором. Усилие, препятствующее линейному перемещению инструмента, регулируется подаваемым напряжением на катушки 25. Так как катушки 25 в линейном двигателе 13 круглые, то воздействие на инструмент равное со всех сторон и подшипники скольжения 27 испытывают лишь незначительные нагрузки. Сила трения в механизме генерации обратной тактильной связи при свободном перемещении инструмента 15 величина практически постоянная, такой она сохранится и при торможении электромагнитным полем. Противодействие перемещениям инструмента 15, посредством электромагнитных полей, осуществляется бесконтактным способом, это и позволяет повысить точность тактильных ощущений, заданных программой, чему способствует тот факт, что повторяемость позиционирования в линейном электромагнитном двигателе составляет ±5 микрометров.
Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию обладает тремя степенями свободы, более прост в конструктивном решении и требует меньших затрат на его изготовление (нет зубчатых передач, сферических механизмов и др.) и может найти применение в манипуляторах, медицинских тренажерах и других устройствах. Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию в настоящее время изготовлен, прошел всесторонние испытания и будет использоваться в ряде медицинских тренажеров.