CN110132736A - 双驱动离体软组织多维力学响应测量平台及其测量方法 - Google Patents

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杨景
金玲燕
胡明
赵德明
柴博
林江锋
高云
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Abstract

本发明公开了双驱动离体软组织多维力学响应测量平台及其测量方法。目前，对软组织力学响应的测量基本都集中在单轴特性上，而且依赖于专业的材料试验机。本发明的实验平台包括上平台底板、相机、相机支架一、相机支架二、钢丝绳、空气加热装置、滑轮组件和固定夹具；实验辅助平台包括双向拉伸机构、支柱、垫块和基座；双向拉伸机构共有两个。本发明利用滑轮和钢丝绳实现力的传递，通过双旋向丝杠实现单驱动条件下的双向同步位移，相比常见的拉伸试验平台只需要两个电机即可实现正交方向的双向同步位移；且可进行不同温度下的拉伸试验。

Description

双驱动离体软组织多维力学响应测量平台及其测量方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种离体生物软组织的多维力学响应测量平台及其测量方法，能够在可控温度条件下通过软组织的单轴和双轴的拉伸实验来测量其力学响应。
背景技术
虚拟手术模拟仿真作为医生训练操作机器人辅助手术系统的一个重要手段，其模拟的真实性主要依赖于软组织的模型准确性，而虚拟软组织模型的基础则是真实的软组织力学响应。目前，对软组织力学响应的测量基本都集中在单轴特性上，而且依赖于专业的材料试验机。
发明内容
本发明目的在于提供一种结构简单的，能够测量离体软组织的多维力学响应测量平台及其测量方法，机构整体结构简单，通过螺纹传动实现相反方向的同步位移，通过滑轮组件和钢丝绳实现对软组织的拉伸过程，易于控制。
本发明双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，由实验平台、温度传感器、保温箱和实验辅助平台组成；温度传感器固定在保温箱上。
所述的实验平台包括上平台底板、相机、相机支架一、相机支架二、钢丝绳、空气加热装置、滑轮组件和固定夹具。所述的保温箱通过螺钉固定连接在上平台底板上，保温箱采用透明材质；空气加热装置、滑轮组件和固定夹具均设置在保温箱内；所述的空气加热装置通过螺钉固定在上平台底板上；固定夹具共有沿周向均布的四个；实验辅助平台设有两个双向拉伸机构，相对设置的每两个固定夹具为一组，每组的两个固定夹具由一个双向拉伸机构通过两根钢丝绳提供相等的拉力；每根钢丝绳绕过一个滑轮组件的绳轮。所述的相机支架一与相机支架二固定，相机支架二固定在上平台底板上，所述的相机通过螺钉固定在相机支架一上。
所述的滑轮组件包括绳轮支架、绳轮、螺母一、螺栓一和垫圈。所述的绳轮通过轴承与螺栓一构成转动副，螺栓一穿过绳轮支架的过孔，并与螺母一连接；所述的螺栓一与螺母一之间设有垫圈。
所述的固定夹具包括螺栓二、螺母二、夹爪和砂纸。所述的夹爪设有两块夹板；两块夹板的尾部通过连接板连接，两块夹板的头部相对的两个面上均粘有砂纸。螺栓二穿过两块夹板的过孔，并与螺母二连接。
所述的实验辅助平台包括双向拉伸机构、支柱、垫块和基座。所述的基座与实验平台的上平台底板通过支柱固定连接。所述的双向拉伸机构包括轴承支架、螺母块连接架、线性滑块、双旋向丝杠、线性滑轨、联轴器、电机支架、电机、螺母块、拉力传感器和轴承。两个轴承支架通过螺钉间距固定在基座上，双旋向丝杠两端通过轴承支承在两个轴承支架上；电机的输出轴与双旋向丝杠的一端通过联轴器连接；电机的底座通过螺钉固定在电机支架上，电机支架通过螺钉固定在基座上；双旋向丝杠的两端螺纹旋向相反，双旋向丝杠的两端螺纹与两个螺母块分别构成螺旋副；每个螺母块与一个螺母块连接架下端通过螺钉固定连接，每个螺母块连接架上端与一个线性滑块通过螺钉固定连接。两个线性滑轨均通过螺钉固定在实验平台的上平台底板上，两个线性滑块与两个线性滑轨分别构成滑动副；两个拉力传感器的一端与两个螺母块连接架分别通过螺钉固定连接。
所述的双向拉伸机构共有两个，两个双向拉伸机构的双旋向丝杠相互垂直；其中一个双向拉伸机构的轴承支架和电机支架与基座之间均设置垫块；每个双向拉伸机构的两个拉力传感器另一端与一组相对设置的两个固定夹具通过两根钢丝绳连接。
所述的空气加热装置设有控制芯片，控制芯片接收温度传感器的信号，并对保温箱内的温度进行控制。
所述保温箱内的温度为37℃。
所述的支柱共有沿周向均布的四根。
所述的两个轴承支架分别通过螺钉固定有轴承端盖一和轴承端盖二，轴承端盖一、轴承端盖二以及双旋向丝杠上的两个轴肩对支承双旋向丝杠的两个轴承实现轴向限位。
所述每个双向拉伸机构的两个轴承支架上均铰接有定滑轮；每个双向拉伸机构连接的两根钢丝绳中，每个钢丝绳绕过该双向拉伸机构对应端的一个定滑轮。
该双驱动离体软组织多维力学响应测量平台的测量方法，具体如下：
单轴拉伸测量过程具体如下：
在软组织样本上标记两个标记点，然后将软组织样本由相对设置的两个固定夹具夹紧，并保证两个标记点均位于连接固定夹具的钢丝绳所在直线上；固定夹具夹紧时通过松、紧螺母二实现固定夹具的两块夹板对软组织样本的夹持力，并保证两个固定夹具对软组织样本的夹持力相等。与该两个固定夹具通过钢丝绳连接的那个双向拉伸机构中，电机驱动双旋向丝杠旋转，从而带动两块螺母块直线相向移动，螺母块带动螺母块连接架和拉力传感器同步移动，使得两根钢丝绳同步拉动软组织样本两侧，实现软组织样本的拉伸形变，形变量通过相机拍摄软组织样本两个标记点之间的位移得到，拉力则通过两个拉力传感器的测量值均值得到。
双轴拉伸测量过程具体如下：
在软组织样本上标记沿周向均布的四个标记点，然后将软组织样本由沿周向均布的四个固定夹具夹紧，并保证相对的其中两个标记点位于同一根钢丝绳所在直线上；固定夹具夹紧时通过松、紧螺母二实现固定夹具的两块夹板对软组织样本的夹持力，并保证四个固定夹具对软组织样本的夹持力相等。每个双向拉伸机构中，电机驱动双旋向丝杠旋转，从而带动两块螺母块直线相向移动，螺母块带动螺母块连接架和拉力传感器同步移动，使得两根钢丝绳同步拉动软组织样本两侧；两个双向拉伸机构实现软组织样本的双轴拉伸形变，每个轴向的形变量通过相机拍摄软组织样本位于该轴向上的两个标记点之间的位移得到，每个轴向的拉力则通过该轴向上的两个拉力传感器的测量值均值得到。
所述夹持力的具体值采用力矩扳手拧螺母二的方式来保证。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明是一种结构紧凑，易于控制的离体软组织双轴拉伸测量平台。
2、本发明结构简单，利用滑轮和钢丝绳实现力的传递，通过双旋向丝杠实现单驱动条件下的双向同步位移，相比常见的拉伸试验平台只需要两个电机即可实现正交方向的双向同步位移。
3、本发明将实验平台和实验辅助平台分离，另传动机构处于实验平台下方，避免传动机构影响实验区域，更利于相机对软组织样本标记点数据的采集。
4、本发明的实验平台设有空气加热装置和温度传感器，可进行不同温度下的拉伸试验，研究温度对软组织力学特性的影响。
5、本发明的各部分部件易于装卸，维修方便。
附图说明
图1是本发明的整体结构图。
图2是本发明的实验平台结构图。
图3是本发明的滑轮组件结构图。
图4是本发明的固定夹具结构图。
图5是本发明的实验辅助平台结构图。
图6是本发明的双向拉伸机构结构图。
具体实施方式
下面给出本发明的具体实施方式，并结合附图加以说明。
结合图1，双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，由实验平台1、温度传感器2、保温箱3和实验辅助平台4组成。实验平台1用于实现对软组织样本的正交拉伸，并通过相机记录拉伸过程中软组织样本标记点的变化情况；温度传感器2固定在保温箱3上，用于测量保温箱3内的温度，以保证实验环境的温度能够稳定在37℃左右(模拟人体腹腔内的环境温度)；保温箱3用于使实验环境实现保温的效果；实验辅助平台4作为实验平台1的驱动输入。
结合图2，实验平台1包括上平台底板1-1、相机1-2、相机支架一1-3、相机支架二1-4、钢丝绳1-5、空气加热装置1-6、滑轮组件1-7和固定夹具1-8。保温箱3通过螺钉固定连接在上平台底板1-1上，保温箱3采用透明材质；空气加热装置1-6、滑轮组件1-7和固定夹具1-8均设置在保温箱3内；空气加热装置1-6通过螺钉固定在上平台底板1-1上；空气加热装置1-6设有控制芯片，控制芯片接收温度传感器2的信号，并对保温箱内的温度进行控制。软组织样本1-9通过沿周向均布的四个固定夹具1-8夹持；实验辅助平台4设有两个双向拉伸机构4-1，实验辅助平台设有两个双向拉伸机构，相对设置的每两个固定夹具1-8为一组，每组的两个固定夹具由一个双向拉伸机构4-1通过两根钢丝绳1-5提供相等的拉力；每根钢丝绳1-5绕过一个滑轮组件1-7的绳轮1-7-2，绳轮1-7-2改变钢丝绳的力传递方向。相机支架一1-3与相机支架二1-4固定，相机支架二1-4固定在上平台底板1-1上，相机1-2通过螺钉固定在相机支架一1-3上，用于记录实验过程中软组织样本标记点之间的距离(软组织应变计算依据)变化情况。
结合图3，滑轮组件1-7包括绳轮支架1-7-1、绳轮1-7-2、螺母一1-7-3、螺栓一1-7-4和垫圈1-7-5。绳轮1-7-2通过轴承与螺栓一1-7-4构成转动副，螺栓一1-7-4穿过绳轮支架1-7-1的过孔，并与螺母一1-7-3连接；螺栓一1-7-4与螺母一1-7-3之间设有垫圈1-7-5；滑轮组件的作用是改变钢丝绳的方向。
结合图4，固定夹具1-8包括螺栓二1-8-1、螺母二1-8-2、夹爪1-8-3和砂纸1-8-4。夹爪1-8-3设有两块夹板；两块夹板的尾部通过连接板连接，两块夹板的头部相对的两个面上均粘有砂纸1-8-4，砂纸1-8-4增加夹爪1-8-3与软组织样本1-9之间的摩擦力。螺栓二1-8-1穿过两块夹板的过孔，并与螺母二1-8-2连接，两块夹板之间的夹持力通过螺栓二1-8-1的预紧力调节。
结合图5，实验辅助平台4包括双向拉伸机构4-1、支柱4-2、垫块4-3和基座4-4。基座4-4与实验平台1的上平台底板1-1通过支柱4-2固定连接，支柱4-2共有沿周向均布的四根。
结合图6，双向拉伸机构4-1包括轴承支架4-1-1、螺母块连接架4-1-2、线性滑块4-1-3、双旋向丝杠4-1-4、线性滑轨4-1-5、轴承端盖一4-1-6、联轴器4-1-7、电机支架4-1-8、电机4-1-9、轴承端盖二4-1-10、螺母块4-1-11、拉力传感器4-1-12和轴承4-1-13。两个轴承支架4-1-1通过螺钉间距固定在基座4-4上，双旋向丝杠4-1-4两端通过轴承4-1-13支承在两个轴承支架4-1-1上；两个轴承支架4-1-1分别通过螺钉固定有轴承端盖一4-1-6和轴承端盖二4-1-10，轴承端盖一4-1-6、轴承端盖二4-1-10以及双旋向丝杠4-1-4上的两个轴肩对支承双旋向丝杠4-1-4的两个轴承实现轴向限位；电机4-1-9的输出轴与双旋向丝杠4-1-4的一端通过联轴器4-1-7连接；电机4-1-9的底座通过螺钉固定在电机支架4-1-8上，电机支架4-1-8通过螺钉固定在基座4-4上；双旋向丝杠4-1-4的两端螺纹旋向相反，双旋向丝杠4-1-4的两端螺纹与两个螺母块4-1-11分别构成螺旋副；每个螺母块4-1-11与一个螺母块连接架4-1-2下端通过螺钉固定连接，每个螺母块连接架4-1-2上端与一个线性滑块4-1-3通过螺钉固定连接。两个线性滑轨4-1-5均通过螺钉固定在实验平台1的上平台底板1-1上，两个线性滑块4-1-3与两个线性滑轨4-1-5分别构成滑动副；线性滑轨4-1-5用来约束螺母块4-1-11只能有平移运动；由于双旋向丝杠4-1-4的两端螺纹分别为左旋和右旋，因而可以实现两个线性滑块4-1-3反向的同步直线运动。两个拉力传感器4-1-12的一端与两个螺母块连接架4-1-2分别通过螺钉固定连接；两个轴承支架4-1-1上均铰接有定滑轮。
双向拉伸机构4-1共有两个，两个双向拉伸机构4-1的双旋向丝杠4-1-4相互垂直；其中一个双向拉伸机构4-1的轴承支架4-1-1和电机支架4-1-8与基座4-4之间均设置垫块4-3；通过垫块4-3实现两个双向拉伸机构4-1的双旋向丝杠4-1-4在高度方向上的错位。每个双向拉伸机构4-1的两个拉力传感器4-1-12另一端与一组相对设置的两个固定夹具1-8通过两根钢丝绳连接；拉力传感器4-1-12实现对拉伸过程中软组织样本力的测量，以此作为应力计算的依据。每个双向拉伸机构4-1连接的两根钢丝绳1-5中，每个钢丝绳1-5绕过该双向拉伸机构4-1对应端的一个定滑轮。
该双驱动离体软组织多维力学响应测量平台的测量方法，具体如下：
对软组织样本实现单轴拉伸测量时使用一个双向拉伸机构4-1，对软组织样本实现双轴拉伸测量时使用两个双向拉伸机构4-1。
单轴拉伸测量过程具体如下：
在软组织样本上标记两个标记点，然后将软组织样本由相对设置的两个固定夹具1-8夹紧，并保证两个标记点均位于连接固定夹具1-8的钢丝绳1-5所在直线上；固定夹具1-8夹紧时通过松、紧螺母二1-8-2实现固定夹具1-8的两块夹板对软组织样本的夹持力，并保证两个固定夹具1-8对软组织样本的夹持力相等，夹持力具体值可以采用力矩扳手拧螺母二1-8-2的方式来保证。与该两个固定夹具1-8通过钢丝绳1-5连接的那个双向拉伸机构4-1中，电机驱动双旋向丝杠旋转，从而带动两块螺母块直线相向移动，螺母块带动螺母块连接架4-1-2和拉力传感器4-1-12同步移动，使得两根钢丝绳同步拉动软组织样本两侧，实现软组织样本的拉伸形变，形变量通过相机1-2拍摄软组织样本两个标记点之间的位移得到，拉力则通过两个拉力传感器的测量值均值得到。
双轴拉伸测量过程具体如下：
在软组织样本上标记沿周向均布的四个标记点，然后将软组织样本由沿周向均布的四个固定夹具1-8夹紧，并保证相对的其中两个标记点位于同一根钢丝绳1-5所在直线上(则四个标记点能够以两个为一组位于相互垂直的两个拉伸方向上)；固定夹具1-8夹紧时通过松、紧螺母二1-8-2实现固定夹具1-8的两块夹板对软组织样本的夹持力，并保证四个固定夹具1-8对软组织样本的夹持力相等，夹持力具体值可以采用力矩扳手拧螺母二1-8-2的方式来保证。每个双向拉伸机构4-1中，电机驱动双旋向丝杠旋转，从而带动两块螺母块直线相向移动，螺母块带动螺母块连接架4-1-2和拉力传感器4-1-12同步移动，使得两根钢丝绳同步拉动软组织样本两侧；两个双向拉伸机构4-1实现软组织样本的双轴拉伸形变，每个轴向的形变量通过相机1-2拍摄软组织样本位于该轴向上的两个标记点之间的位移得到，每个轴向的拉力则通过该轴向上的两个拉力传感器的测量值均值得到。

Claims (8)

1.双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，由实验平台、温度传感器、保温箱和实验辅助平台组成，温度传感器固定在保温箱上；其特征在于：所述的实验平台包括上平台底板、相机、相机支架一、相机支架二、钢丝绳、空气加热装置、滑轮组件和固定夹具；所述的保温箱通过螺钉固定连接在上平台底板上，保温箱采用透明材质；空气加热装置、滑轮组件和固定夹具均设置在保温箱内；所述的空气加热装置通过螺钉固定在上平台底板上；固定夹具共有沿周向均布的四个；实验辅助平台设有两个双向拉伸机构，相对设置的每两个固定夹具为一组，每组的两个固定夹具由一个双向拉伸机构通过两根钢丝绳提供相等的拉力；每根钢丝绳绕过一个滑轮组件的绳轮；所述的相机支架一与相机支架二固定，相机支架二固定在上平台底板上，所述的相机通过螺钉固定在相机支架一上；
所述的滑轮组件包括绳轮支架、绳轮、螺母一、螺栓一和垫圈；所述的绳轮通过轴承与螺栓一构成转动副，螺栓一穿过绳轮支架的过孔，并与螺母一连接；所述的螺栓一与螺母一之间设有垫圈；
所述的固定夹具包括螺栓二、螺母二、夹爪和砂纸；所述的夹爪设有两块夹板；两块夹板的尾部通过连接板连接，两块夹板的头部相对的两个面上均粘有砂纸；螺栓二穿过两块夹板的过孔，并与螺母二连接；
所述的实验辅助平台包括双向拉伸机构、支柱、垫块和基座；所述的基座与实验平台的上平台底板通过支柱固定连接；所述的双向拉伸机构包括轴承支架、螺母块连接架、线性滑块、双旋向丝杠、线性滑轨、联轴器、电机支架、电机、螺母块、拉力传感器和轴承；两个轴承支架通过螺钉间距固定在基座上，双旋向丝杠两端通过轴承支承在两个轴承支架上；电机的输出轴与双旋向丝杠的一端通过联轴器连接；电机的底座通过螺钉固定在电机支架上，电机支架通过螺钉固定在基座上；双旋向丝杠的两端螺纹旋向相反，双旋向丝杠的两端螺纹与两个螺母块分别构成螺旋副；每个螺母块与一个螺母块连接架下端通过螺钉固定连接，每个螺母块连接架上端与一个线性滑块通过螺钉固定连接；两个线性滑轨均通过螺钉固定在实验平台的上平台底板上，两个线性滑块与两个线性滑轨分别构成滑动副；两个拉力传感器的一端与两个螺母块连接架分别通过螺钉固定连接；
所述的双向拉伸机构共有两个，两个双向拉伸机构的双旋向丝杠相互垂直；其中一个双向拉伸机构的轴承支架和电机支架与基座之间均设置垫块；每个双向拉伸机构的两个拉力传感器另一端与一组相对设置的两个固定夹具通过两根钢丝绳连接。
2.根据权利要求1所述的双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，其特征在于：所述的空气加热装置设有控制芯片，控制芯片接收温度传感器的信号，并对保温箱内的温度进行控制。
3.根据权利要求1所述的双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，其特征在于：所述保温箱内的温度为37℃。
4.根据权利要求1所述的双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，其特征在于：所述的支柱共有沿周向均布的四根。
5.根据权利要求1所述的双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，其特征在于：所述的两个轴承支架分别通过螺钉固定有轴承端盖一和轴承端盖二，轴承端盖一、轴承端盖二以及双旋向丝杠上的两个轴肩对支承双旋向丝杠的两个轴承实现轴向限位。
6.根据权利要求1所述的双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，其特征在于：所述每个双向拉伸机构的两个轴承支架上均铰接有定滑轮；每个双向拉伸机构连接的两根钢丝绳中，每个钢丝绳绕过该双向拉伸机构对应端的一个定滑轮。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的双驱动离体软组织多维力学响应测量平台的测量方法，其特征在于：该方法具体如下：
单轴拉伸测量过程具体如下：
在软组织样本上标记两个标记点，然后将软组织样本由相对设置的两个固定夹具夹紧，并保证两个标记点均位于连接固定夹具的钢丝绳所在直线上；固定夹具夹紧时通过松、紧螺母二实现固定夹具的两块夹板对软组织样本的夹持力，并保证两个固定夹具对软组织样本的夹持力相等；与该两个固定夹具通过钢丝绳连接的那个双向拉伸机构中，电机驱动双旋向丝杠旋转，从而带动两块螺母块直线相向移动，螺母块带动螺母块连接架和拉力传感器同步移动，使得两根钢丝绳同步拉动软组织样本两侧，实现软组织样本的拉伸形变，形变量通过相机拍摄软组织样本两个标记点之间的位移得到，拉力则通过两个拉力传感器的测量值均值得到；
双轴拉伸测量过程具体如下：
在软组织样本上标记沿周向均布的四个标记点，然后将软组织样本由沿周向均布的四个固定夹具夹紧，并保证相对的其中两个标记点位于同一根钢丝绳所在直线上；固定夹具夹紧时通过松、紧螺母二实现固定夹具的两块夹板对软组织样本的夹持力，并保证四个固定夹具对软组织样本的夹持力相等；每个双向拉伸机构中，电机驱动双旋向丝杠旋转，从而带动两块螺母块直线相向移动，螺母块带动螺母块连接架和拉力传感器同步移动，使得两根钢丝绳同步拉动软组织样本两侧；两个双向拉伸机构实现软组织样本的双轴拉伸形变，每个轴向的形变量通过相机拍摄软组织样本位于该轴向上的两个标记点之间的位移得到，每个轴向的拉力则通过该轴向上的两个拉力传感器的测量值均值得到。
8.根据权利要求7所述的双驱动离体软组织多维力学响应测量平台的测量方法，其特征在于：所述夹持力的具体值采用力矩扳手拧螺母二的方式来保证。
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