CN110584785B - 一种磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置，包括依次相连的主动腔、传动腔和从动腔。主动腔和从动腔结构相同，对称设置。主、从动腔内均装有滚动隔膜，滚动隔膜外侧对中设置有中空轻质活塞，中空轻质活塞通过螺纹副与传动轴固连，传动轴的另一端连接驱动/执行机构；主、从动腔的滚动隔膜内侧中心位置各安装一轻质黄铜螺纹钩，然后通过纤维细线连接；传动腔的PVC软管两端分别与主动腔、从动腔密封连接，内灌注传动介质。本发明能够在核磁共振仪的高场强磁场中工作，不对磁共振成像产生干扰，能够高效地传递力与位移，且打破了传统远程传递力机构中施力方向和受力方向必须在同一直线上的约束，同时引入力反馈，更有利于控制的实现。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械技术领域，具体涉及一种磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置，是可用于磁共振成像手术环境的柔性远程力、位移传递装置，具体涉及滚动隔膜的技术，实现力、位移远距离的高效传递。
背景技术
近年来医疗机械的研究与发展受到越来越多的关注。传统的手术器械在很大程度上需要依靠医生的职业技能与积攒多年的手术经验才能完成，因此存在稳定性差和准确性不高等缺点。为了克服传统手术器械的缺点，国内外越来越多的科研机构开始研究磁共振兼容穿刺手术机器人，将其作为一种辅助工具来拓展医生的手术能力，提高精度和稳定性，从而改善患者的诊疗效果。
但是，如果只是单纯地依靠视觉反馈，则会丧失触觉的反馈信息。而触觉反馈，在手术过程中对于医生极为重要，不可或缺。因而，如何在这种手术环境中加入力反馈成为亟待解决的问题。此外，现有技术中施力方向与出力方向基本在同一直线上，这就大大限制了主手机构以及末端执行器摆放位置的可选择性。
因此，本领域技术人员致力于开发一种磁共振兼容手术环境下的柔性远程力、位移传递装置，能够有效地将主手机构所产生的力传递给手术机器人的末端执行器，同时将末端执行器在运动过程中所受到的阻力传递回主手机构，引入力反馈，且施力方向与受力方向可不在同一直线上，从而提高手术的安全性和可操作性。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术在磁共振成像环境下远程传递力中存在的不足，本发明提供一种磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置，可以改变传统远程传递力机构中施力方向和受力方向必须在同一直线上的约束，能够高效地传递力与位移，同时不受磁共振成像技术的干扰。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种磁共振兼容的柔性远程力、位移传递装置，包括依次相连的主动腔，传动腔，从动腔。
所述主动腔包括主动轴，轴承座，主动侧的腔室，中空的轻质活塞，滚动隔膜，密封珠，轻质黄铜螺纹钩。
其中，主动轴由轴承座支撑，并与中空的轻质活塞通过螺纹副相连接，从而使得活塞在主动腔中得以对中。密封珠位于存在传动介质的一侧，起密封的作用。主动侧的腔室为刚性材料，不可折叠。蜷曲槽能够减小滚动隔膜的弹性力，起缓冲的作用。
所述传动腔包括纤维细线，注水口，出水口，PVC软管，注、出水口的密封帽，注水处小凹槽，止水塞；
其中，所述纤维细线起抵消活塞预加载压力的作用，同时考虑穿刺针在插入人体的过程中承受的15N左右的力，为了手术的安全，纤维细线需至少承担30N的力而不断裂；所述止水塞与出水口壁壁之间为过盈配合，具有良好的密封性；主动腔与传动腔之间通过螺纹结构进行密封；PVC软管可以弯曲折叠，从而改变末端执行器力的输出方向；装置开始工作前，可以利用注射器通过注水处小凹槽对传动腔加入水。密封帽对整个传动腔进行最后的密封。
所述从动腔包括轻质黄铜螺纹钩、从动腔室、密封珠、中空轻质活塞，从动腔的滚动隔膜；
其中，从动轴与活塞之间通过螺纹副相连接，从而将力、位移传递至下一步的执行机构。
进一步地，纤维细线通过黄铜螺纹钩连接主动腔的滚动隔膜与从动腔的滚动隔膜，消除初始滚动隔膜的张紧力。
有益效果：本发明提供的一种磁共振兼容的柔性远程力、位移传递装置，相对于现有技术，具有以下优点：1.在微创手术器械中利用机械的方式引入了力反馈，具有磁共振兼容性，可以在高场强磁场下工作，且不会对磁共振成像的质量产生干扰，可以应用于需要远距离传输的场景中；2.本发明是一种柔性装置，中间传动腔部分的长度可依据需求在10m以内自由选取，根据出力方向的需求可进行折叠，改变了传统传递装置中施力方向与受力方向必须在同一直线的局限性；3.结构简单，成本较低，且操作及维护方便，使用安全可靠。
附图说明
图1为本发明实例主动腔的示意图；
图2为本发明实例传动腔的示意图；
图3为本发明实例传动腔的示意图；
图4为本发明实例的总体示意图；
图5为所举实施例采集到的输入力与输出力的对比图；
图6为所举实施例采集到的输入位移与输出位移的对比图；
图中包括：1-1—轴承座；1-2—主动轴；1-3—主动侧的腔室；1-4—螺纹副结构；1-5—中空轻质活塞；1-6—主动腔的滚动隔膜；1-7—密封珠；1-8—蜷曲槽；1-9—轻质黄铜钩；2-10—轻质纤维细线；2-11—注水口；2-12—出水口；2-13—可弯曲的PVC软管；2-14—主动腔与传动腔连接处的密封；2-15—密封帽；2-16—进水口小凹槽；2-17—止水塞；3-18—从动侧的腔室；3-19—密封珠；3-20—蜷曲槽；3-21—轻质黄铜螺纹钩； 3-22—中空轻质活塞；3-23—螺纹副结构，3-24—从动轴，3-25—从动腔的滚动隔膜。
具体实施方式：
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一种磁共振兼容的柔性远程力、位移传递装置包括主动腔1、传动腔2和从动腔3，所述的主动腔1与传动腔2连接，传动腔2与从动腔3连接。
如图1所示，所述主动腔1包括主动轴(1-1)，轴承座(1-2)，主动侧的腔室(1-3)，中空轻质活塞(1-5)，滚动隔膜(1-6)，密封珠(1-7)，轻质黄铜螺纹钩(1-9)；
如图2所示，所述传动腔2包括纤维细线(2-10)，注水口(2-11)，出水口(2-12)，PVC塑料软管(2-13)，注水口的密封帽(2-15)，注水处小凹槽(2-16)，止水塞(2-17)。
如图3所示，所述从动腔3包括轻质黄铜螺纹钩(3-21)，从动腔室(3-18)，密封珠(3-19)，中空轻质活塞(3-22)。
本发明的具体实施方式如下：
本实施例所选用的滚动隔膜的行程为6cm，活塞直径为1cm，PVC软管的直径为2cm，长为5m，纤维细线能够承载的拉力为30N。
首先，把注水口(2-11)和出水口(2-12)全都打开，用注射器往注水口小凹槽(2-16)注水，水从出水口(2-12)流出，直到所有可见的气泡都被清除，注水口处盖上密封帽(2-15)，出水口处塞上止水塞(2-17)，并盖上密封帽。观察有无漏水现象，主、从动腔的活塞是否处于对中位置；
然后，外科手术医生依据手术的情况而动作，实时发出需要传递的力与位移。经过一系列的前置预处理操作，如去噪、消抖等操作，将有效的力与位移传送至本发明机构的主动轴(1-2)。主动轴由轴承座(1-1)支撑，并将力与位移经过螺纹副机构(1-4)传递至中空轻质活塞(1-5)。活塞带动滚动隔膜(1-6)进行动作，从而将力与位移传递至传动腔的工作介质水。所传递过来的力、位移会引起水的状态发生变化，从而将其经过柔性PVC 管传递至从动腔的滚动隔膜。此时，通过改变PVC管的形态，输出力、位移的方向发生了变化。进一步地，从动腔的滚动隔膜带动活塞发生动作，最后通过螺纹副结构传递至从动轴，从而最终将力、位移传递至末端执行器。与主动腔传递力与位移同理，该机构的作用过程可逆，即将末端执行器所受到的力经过逆向传递的过程，通过从动腔中的从动轴经传动腔传递至主动腔中的主动轴，最后再传递至主手机构，引入力反馈。
用于验证本发明的实验设备如下：主动轴与从动轴的位置和速度信息由磁致伸缩线性位移传感器(MTS RPS0100 MD601V810050)获得。压力传感器(Futek FSH00103)测量输入力，压力传感器(Omega LCFD-5)测量输出力，传感器的数据采集通过dSPACE DS1103控制器板实现，用户界面采用PC机，硬件为AMD A10-5750M APU with Radeon(tm)HD Graphics2.50GHz的CPU，8G内存，软件为64位Windows 7操作系统，控制器以1毫秒的采样周期执行程序。给定的从动轴的位移为6cm，输入力为18N。通过传感器，可得出相应的力与位移。图5为采集到的主、从动轴的力，输入力F1约为 18N，输出力F2约为17.5N，精确度约为97.2％。图6为采集到的主、从动轴的位移，输入位移x1约为6cm，x2约为5.82cm，精度约为97％。
采用上述技术方案，能够有效地将主手机构所产生的力、位移传递给手术机器人的末端执行器，同时将末端执行器在运动过程中所受到的阻力传递回主手机构，引入力反馈，且施力方向与受力方向可不在同一直线上，从而提高手术的安全性、稳定性和可操作性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置，其特征在于：包括依次相连的主动腔、传动腔和从动腔，所述主动腔、从动腔结构相同，对称设置，主、从动腔内均装有滚动隔膜，滚动隔膜外侧对中设置有中空轻质活塞，中空轻质活塞通过螺纹副与传动轴固连，传动轴的另一端连接驱动/执行机构；滚动隔膜内侧中心位置设置有轻质黄铜螺纹钩；
所述传动腔包括PVC软管和贯穿其中的纤维细线，PVC软管两端分别与主动腔、从动腔密封连接，其上设置有带密封帽的注水口、出水口，PVC软管内灌注满水；所述纤维细线两端分别通过两个轻质黄铜螺纹钩连接主动腔、从动腔的滚动隔膜。
2.根据权利要求1所述的磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置，其特征在于：所述纤维细线承受力不小于30N，长度在10m内。
3.根据权利要求1所述的磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置，其特征在于：所述主动腔、从动腔在传动介质的一侧设置有密封珠，滚动隔膜在距离中空轻质活塞外圆周5mm位置设置蜷曲槽。
4.根据权利要求1所述的磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置，其特征在于：所述主动腔、从动腔的腔室均为刚性材料。
5.根据权利要求1所述的磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置，其特征在于：所述PVC软管的注水口上开设有注水处小凹槽，出水口设置有与出水口过盈配合的止水塞。
6.根据权利要求1所述的磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置的工作方法，其特征在于：通过主手机构发出预定的力、位移传送至主动腔中，主动腔中传动轴即主动轴，经过螺纹副将力与位移传递至中空轻质活塞，中空轻质活塞带动滚动隔膜进行动作，将力与位移传递至传动腔的工作介质水，力、位移引起水体积变化，经柔性PVC软管传递至从动腔中的滚动隔膜；从动腔的滚动隔膜带动中空轻质活塞发生动作，通过螺纹副结构传递至从动腔中的传动轴即从动轴，最终将力、位移传递至末端执行器。
7.根据权利要求5所述的磁共振兼容的柔性远程力与位移传递装置的工作方法，其特征在于：与主动腔传递力与位移同理，该机构的作用过程可逆，即将末端执行器所受到的力经过逆向传递的过程，通过从动腔中的从动轴经传动腔传递至主动腔中的主动轴，最后再传递至主手机构，引入力反馈。
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