CN106920450A - 用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置 - Google Patents

用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，所述接口装置包括第一关节、第二关节，第一关节与第二关节之间设置有多根肌肉纤维，肌肉纤维两端分别通过第一关节肌腱、第二关节肌腱与第一关节、第二关节固定连接并于第一关节肌腱、第二关节肌腱一侧分别引出极性相反的电极，第一关节、第二关节以及肌肉纤维外包覆有密封外皮，密封外皮所围成的密闭空间内填充有磁流变液；本发明目的在于解决现有力触觉交互装置存在的弊端，进而提供一种具有高保真度、能够实现人体肌肉组织柔顺性和弹性特征的人机交互接口装置。

Description

用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置
技术领域
本发明属于虚拟手术技术领域，具体涉及一种用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置。
背景技术
随着社会的进步，医学也日益共享着现代科技的发展成果，如远程机器人手术、远程诊疗、虚拟手术训练、虚拟触诊训练等。这些技术的发展都离不开一项关键技术的进步，即人机交互技术，而人机交互技术的关键是力触觉再现，目前力触觉技术已经得到长足的发展，但高保真度的力触觉再现仍不能够较好地满足远程医疗的要求，特别是机体组织的力触觉再现技术仍需要进一步研究和开发。
目前，对机体组织力触觉技术的研究较少，主要有以下几种：基于弹性梁柔性触觉再现、电磁驱动的交互设备和基于气动人工肌肉的触觉装置等。也有利用已商业化的力触觉交互设备如Sensable公司的Phantom、Immersion公司的CyberForce、Force Dimension公司的Delta、Omega手控器等，这些力触觉交互设备基本上是机械接触，在模拟肌体组织的柔顺性和黏性特征时容易产生失真。
磁流变液作为一种液体智能材料，在外加磁场作用下，其流变学特性将发生剧烈变化，屈服应力也随着磁场强度的增大不断增大，撤离磁场时能够同样快速地恢复到液体状态。磁流变液的这种特性能够较好的模拟肌体组织的柔顺性特征，可应用于肌体组织柔顺性力触觉接口装置的研制，但因其是耗散性的，无法模拟肌体组织的弹性特性。
总之，目前存在的用于实现人机交互的肌体组织再现接口装置中，不管是已商业化的力觉交互装置，还是基于这些设备开发的力触觉交互装置，或是其它新开发的力触觉交互装置，大多数由电机驱动的主动力触觉交互装置，主动型力触觉交互装置用于实现人机交互的肌体组织再现具有很大的灵活性，但存在着以下问题：（1）稳定性相对较差，这主要是由电机或其它主动驱动器自身固有的特性造成的；（2）保真性相对较差，在模拟人体肌体软组织时，因为人体肌体组织特别是内脏组织不是完全意义上的弹性体，在受压、切割或针刺时是非线性的弹性形变，存在一定的粘滞性特征，因此利用主动交互设备对这些组织模拟容易存在较大的失真；（3）体积较大，研究表明，产生相同大小的力，主动驱动器的体积要比被动驱动器大得多，由此造成驱动机构的惯量、摩擦力都比较大，也容易造成较大的失真；（4）能耗较大，一个电机驱动的小型商业化力反馈操纵杆对操作者施加连续的力消耗功率达到10~30瓦，而一个台式的力反馈设备消耗的能量将更多，因此需要配备外部电源适配器，使设备的便携性大打折扣，这也是主动力觉交互设备设计中一个很大的问题。（5）被动式力交互装置应用于虚拟手术训练中能够保持较好的稳定性、安全性和较低的能耗，但无法模拟肌体组织弹性特征。
发明内容
本发明提供一种用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，目的在于解决现有力触觉交互装置存在的弊端，进而提供一种具有高保真度、能够实现人体肌肉组织柔顺性和弹性特征的人机交互接口装置。
本发明通过以下技术方案实现：
用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，所述接口装置包括第一关节（7）、第二关节（8），第一关节（7）与第二关节（8）之间设置有多根肌肉纤维（2），肌肉纤维（2）两端分别通过第一关节肌腱（4）、第二关节肌腱（3）与第一关节（7）、第二关节（8）固定连接并于第一关节肌腱（4）、第二关节肌腱（3）一侧分别引出极性相反的电极（6、5），第一关节（7）、第二关节（8）以及肌肉纤维（2）外包覆有密封外皮（1），密封外皮（1）所围成的密闭空间内填充有磁流变液（9）。
本发明进一步技术改进方案是：
所述肌肉纤维（2）数量与关节肌腱数量相匹配。
本发明进一步技术改进方案是：
所述肌肉纤维（2）由金属弹性线圈制成。
本发明进一步技术改进方案是：
所述密封外皮（1）由硅胶材料制成。
本发明进一步技术改进方案是：
所述第一关节（7）、第二关节（8）均有绝缘材料制成。
本发明进一步技术改进方案是：
所述肌肉纤维（2）两端分别与电极（5、6）电气连接。
本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、本发明采用新兴的磁流变技术，磁流变液在磁场作用下产生磁流变效应，使表征磁流变液流变特性的表观粘度发生变化，能够在瞬间从牛顿液体状态变化为类固体状态，并且该过程可逆，因此磁流变液在模拟肌肉组织柔顺性方面具有独特的优势。
二、本发明利用能够产生磁场的弹性线圈模拟肌肉组织的弹性特征，其产生的磁场控制磁流变液的粘滞性特征，能够实现肌肉组织柔顺性和粘滞性的模拟，从而有效提高机体组织再现的保真度。
三、本发明整个接口装置是耗散性的，有效提高其稳定性。
四、本发明结构简单，整个装置无电机、电磁、气动等驱动装置，结构简单、紧凑，机械加工精度要求也不高。
五、本发明整个装置利用电流直接控制输出力，无需转换和传动机构，使其能耗极低。
六、本发明控制简单，电流信号与磁流变液输出力信号存在明确的函数关系，因此非常容易控制。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明肌肉纤维结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括一个绝缘材料制成的第一关节7，一个绝缘材料制成的第二关节8，五根由金属弹性线圈制成肌肉纤维2，五个第一关节肌腱4，五个第二关节肌腱3，五个正电极6，五个负电极5，硅胶外皮1，适量磁流变液9。在第一关节7和第二关节8之间设置有五根肌肉纤维2，肌肉纤维2数量可根据需要适当增减肌肉纤维数量，肌肉纤维2的一端通过第一关节肌腱4固定于第一关节7上，肌纤维2的另一端通过第二关节肌腱3固定于第二关节8上，在第一关节肌腱4处引出正电极6，第二关节肌腱3处引出负电极5，硅胶材料制成的密封外皮1覆盖于肌肉纤维、关节组织外层，在密封外皮1围成的密闭空间内充满磁流变液9。
本发明用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置工作原理如下：肌肉组织再现接口装置如图1、图2所示。远程机器人手术、远程诊疗、虚拟手术训练、虚拟触诊训练等都通过人与虚拟环境进行交互，当虚拟环境中的肌肉处于放松状态时，肌肉组织再现接口装置通过金属弹性线圈制成肌肉纤维2可以模拟真实肌肉组织的弹性，硅胶材料制成的密封外皮1内充满磁流变液9，可以模拟肌肉组织的柔顺性特性；当虚拟环境中的肌肉组织收缩变硬时，在正负电极之间通电流，该电流通过弹性线圈即肌肉纤维2，在平行于弹性线圈的方向产生磁场，磁场作用下磁流变液9在沿磁力线方向形成链状结构，肌肉纤维2上方的磁流变液9硬度变大，电流越大，磁场越强，链状结构越强，硬度越大，当操作者触摸时就能够感觉到肌肉的收缩；当虚拟环境中的肌肉组织某部分发生病变而变硬时，发生病变的肌肉纤维2通以电流，其他肌肉纤维不通电流，在该肌肉纤维2的上方的磁流变液9变硬，操作者即能够感受到特定部分的肌肉硬度的变化。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述接口装置包括第一关节（7）、第二关节（8），第一关节（7）与第二关节（8）之间设置有多根肌肉纤维（2），肌肉纤维（2）两端分别通过第一关节肌腱（4）、第二关节肌腱（3）与第一关节（7）、第二关节（8）固定连接并于第一关节肌腱（4）、第二关节肌腱（3）一侧分别引出极性相反的电极（6、5），第一关节（7）、第二关节（8）以及肌肉纤维（2）外包覆有密封外皮（1），密封外皮（1）所围成的密闭空间内填充有磁流变液（9）。
2.根据权利要求1所述的用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述肌肉纤维（2）数量与关节肌腱数量相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述肌肉纤维（2）由金属弹性线圈制成。
4.根据权利要求1或2所述的用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述密封外皮（1）由硅胶材料制成。
5.根据权利要求1或2所述的用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述第一关节（7）、第二关节（8）均有绝缘材料制成。
6.根据权利要求1或2所述的用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述肌肉纤维（2）两端分别与电极（5、6）电气连接。
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