CN110832209A - 传动系统 - Google Patents

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Abstract

传动系统(10)包括第一活塞(12)、第二活塞(14)和调节器活塞(16)。第一活塞(12)接收输入力(FIN)，第二活塞(14)传递输出力(FOUT)，并且调节器活塞(16)传递调节力(FACT)，该调节力调节由第二活塞(14)接收的输入力(FIN)以实现震颤消除与促使和/或提供可变的运动缩放。

Description

传动系统
技术领域
本发明涉及一种传动系统，特别地但不排他地涉及一种用在显微操纵器系统中的液压传动系统。
背景技术
各种各样工作涉及显微操纵，即以不易于或不可能由人体独立实现的精度对物体进行微尺度操作。例如，许多外科手术涉及显微操作，其中高水平控制的操作物体的能力对于给定程序的成功是关键的。
除了显微操作的现有限制之外，采用显微手术技术和设备的主要限制因素是生理性震颤的存在，即由于无意识的肌肉收缩和放松导致的用户的无意识运动。生理性震颤通常不能用肉眼观察到，并且在正常日常生活中影响不大。然而，将认识到，在诸如需要高精确度的显微外科手术的任务期间，这种生理性震颤通常对于程序的成功是至关重要的。
随着机器人学技术的发展，已经开发了许多不同的设备和工具，其目的是减少外科手术期间生理性震颤的影响，包括智能显微手术器械和“稳定手”机器人系统。
然而，传统设备和技术仍然存在缺点。例如，在外科手术中使用的当前机器人系统完全缺乏或向用户提供非常有限的触觉反馈，使得不能有效且可靠地执行精细的外科手术任务。
发明内容
根据第一方面，提供了一种传动系统，包括：
一输入活塞，其被配置为接收一输入力；
一调节器活塞，其可操作地与所述第一活塞关联并被配置为调节所述输入力；以及
一输出活塞，其可操作地与所述第一活塞和所述调节器活塞关联，所述输出活塞被配置为接收所述被调节的输入力并从所述传动系统输出输出力。
传动系统的实施例有利地允许输入力与输出力的比例以及所得到的输入活塞和输出活塞的相对运动被缩放，同时还消除或至少减轻施加到输入活塞或以其他方式被包含在施加到输入活塞的输入力中的震颤的影响。因此，传动系统的实施例在外科手术的准确性和安全性方面提供了显著的改进，并且在由于震颤的影响而使得这样的程序先前不可能的情况下，可以允许执行外科手术。
在使用中，传动系统可将施加到输入活塞的输入力或运动转换成输出活塞处的较小输出力或运动，调节输入力的能力允许实现输入力和输出力的可变比例；这与被限制为恒定比例的传统系统形成对比。
传动系统可配置为通过衰减或降低输入力来调节输入力，以提供输出活塞的减小的输出力和/或减小的位移。
然而，将认识到，传动系统可选择地调节输入力，以在需要时提供来自输出活塞的增大的输出力和/或输出活塞的增大的位移。
传动系统可以包括或采取流体传动系统的形式，特别地但不排他地是液压传动系统。
有利地，通过提供利用不可压缩或基本不可压缩的液压流体(例如液压油)的液压传动系统，在输入活塞处向用户提供来自输出活塞的触觉反馈，而不使用传感器和致动器的复杂系统。因此，用户可以“感觉”施加到输出致动器的任何外力，并相应地调节输入力。例如，实现触觉反馈的能力便于有效且可靠地执行精细的远程或机器人手术任务。
传动系统可包括输入致动器。
输入活塞可形成输入致动器的一部分。
输入致动器可包括用于容纳输入活塞的汽缸。
传动系统可包括输出致动器。
输出活塞可形成输出致动器的一部分。
输出致动器可包括用于容纳输出活塞的汽缸。
传动系统可包括控制致动器。
调节器活塞可形成控制致动器的一部分。
控制致动器可包括用于容纳调节器活塞的汽缸。
传动系统可包括腔室。
腔室可与输入活塞、输出活塞和调节器活塞连通。
腔室可包括用于容纳诸如液压流体的流体的密封腔。
传动系统可包括歧管(manifold)。
腔室可形成或设置在歧管中。
输入致动器、输出致动器、控制致动器和歧管可包括分开的部件。
可选地，输入致动器、输出致动器、控制致动器和歧管可以一体地形成。
如上所述，调节器活塞可操作地与第一活塞相关联并且配置成调节输入力。
施加到调节器活塞的力(“调节器力”)可调节输入力。例如，通过延伸调节器活塞来重新配置控制致动器可以通过减小输入力来调节输入力，从而向输出活塞提供减小的被调节的输入力。
可选地或附加地，通过缩回调节器活塞来重新配置控制致动器可以通过增加输入力来调节输入力，从而向输出活塞提供增加的经调节的输入力。
传动系统被配置为将输入力与输出力的比例保持在一给定值或值范围。
将认识到，输入力与输出力的比例因此可通过重新配置控制致动器、允许输入力与输出力的比例的缩放被改变和/或允许包含在输入力内的震颤的影响被消除、减轻或以其他方式被控制在给定的可接受范围内来向上或向下改变。
传动系统可包括配置成移动和/或控制调节器活塞的位移的驱动装置。
驱动装置可包括一电机。
驱动装置(例如电机)可以不能被反向驱动。有利地，这可以防止可能另外不利地影响显微操纵操作的后冲。电机可以例如包括应变波齿轮驱动器，尽管可以选择其他合适的驱动器。
传动系统可包括控制系统、可联接到控制系统或可操作地与控制系统相关联。
控制系统可以包括一个或多个传感器。
传动系统可包括与输入致动器、输出致动器和控制致动器中的至少一个相关联的一个或多个位置传感器。
位置传感器或提供多于一个位置的位置传感器中的至少一个可以是磁传感器。
位置传感器或提供多于一个位置的位置传感器中的至少一个可以是线性编码器。
在使用中，可以根据感测到的每个致动器的位置来控制控制致动器。
传动系统可包括一个或多个压力传感器。
一个或多个压力传感器可配置成测量腔室中的流体压力。
传动系统可包括配置成测量腔室中的温度的一个或多个温度传感器。
根据第二方面，提供了一种包括第一方面的传动系统的装置。
所述装置可包括一工具。
输出活塞可以联接到该工具上。
在使用中，输出致动器可配置为将输出力传递到所述工具。
所述工具可包括外科器械，特别地但不排他地包括用于微创或腹腔镜手术的外科器械。
根据第三方面，提供了一种方法，包括：
提供根据第一方面的传动系统；
向所述调节器活塞施加调节力以调节由所述输出活塞接收的所述输入力，从而改变来自所述传动系统的所述输出力。
应当理解，上述限定的或下面描述的关于具体实施例的特征可以单独使用或组合使用。
附图说明
现在将仅参考附图以示例的方式描述这些和其他方面，其中：
图1示出了传动系统；
图2示出了包括图1的传动系统的显微操纵器设备；
图3是图1所示的传动系统的示意性内部视图；以及
图4示出了图1所示的传动系统的活塞的示意图。
具体实施方式
参考附图的图1，传动系统10包括第一活塞12、第二活塞14和调节器活塞16。三个活塞用作传递力的致动器。如图1所示，第一活塞12传递输入力FIN，第二活塞14传递输出力FOUT，并且调节器活塞16传递调节力FACT。传动系统可以通过使用调节力FACT增强输入力FIN来实现震颤消除和运动缩放，从而产生输出力FOUT。通过致动调节器活塞(16)以控制调节力FACT来增强输入力FIN。
如图2所示，由第一活塞12传递的输入力FIN可由使用者18(例如外科医生)产生。传动系统10可用于控制诸如外科器械的工具20，在一些情况下，外科器械可以是用于微创或腹腔镜手术的器械。在缩放输出活塞的运动和/或力的同时消除来自外科医生的手的震颤的能力提供了这种外科手术的准确性和安全性的显著改进。
由调节器活塞16传递的调节力FIN由致动器22控制。根据下面针对系统的不同工作模式导出的方程，致动器22应当向调节器活塞16提供足够的力和位移。
致动器22由电机28驱动。出于安全原因，电机28应该是不可逆驱动的机构。因此，在电机28停止工作并且调节器活塞16不能再被致动的情况下，传动系统10将变成传统的机械液压接口，用于将输入力FIN传递至输出力FOUT而无需任何调节。
参考附图的图3，在活塞的每个之间是密封流体24。由第二活塞14传递的输出力FOUT由第一活塞12和调节器活塞16将力传递到密封流体24而产生。传动系统10可以在不同的工作模式下工作。在基本工作模式中，调节器活塞16“关闭”并保持在固定位置；因此，由使用者18产生的输入力FIN被直接传递到输出力FOUT。如果输入力FIN和调制力FACT分别由第一活塞12和调节器活塞16施加到密封流体24，则输出力FOUT将是合力，该合力取决于调节力FACT对输入力FOUT的增强。在震颤消除工作模式中，致动调节器活塞16以施加调节力FACT，使得用户18在产生输入力FIN时产生的任何震颤在输出力FOUT中被消除或减轻。在运动缩放工作模式中，致动调节器活塞16以向密封流体24施加力FACT，使得由用户18产生的输入力FIN被可变地缩放为输出力FOUT。在运动缩放和震颤消除工作模式中，致动调节器活塞16以向密封流体24施加调节力FACT，使得输入力FIN被调节以消除震颤和缩放运动。
传感器可用于监测输出力FOUT，从而允许提高控制精度。可以根据感测到的输出力FOUT来控制输入力FIN的调节，以避免导致损坏连接到第二活塞14的工具20的任何过大的力。
测量每个活塞的位置以实现对调节器活塞16的控制。下面导出用于在前述工作模式中控制调节器活塞16的方程。嵌入式位置传感器26将适合于测量每个活塞的位置。例如，每个传感器可以是磁传感器或线性编码器。传感器还可以被提供来测量工作流体的压力和温度，由于参数与流体粘度的关系，还可以改善控制的性能。
如果外力被施加到第二活塞14并且被传递到密封流体，则与那些外力相对应的力将通过第一活塞12被传递。结果，用户24将“感觉”施加到第二活塞任何外力FOUT，并相应地调节输入力FIN。所述传动系统是昂贵的主从机械手的廉价替代解决方案。传动系统可感测外力并提供触觉反馈，而无需使用任何复杂的传感器和致动器系统。
为了导出控制方程，密封流体24被认为是不可压缩的。由于少量的流体，这是一个有效的假设。
图4示出了活塞的参数。系统设计要求是由活塞提供给密封流体的位移li和力Fi。系统的静态性能由以下方程描述：
Figure BDA0002353835660000061
Figure BDA0002353835660000062
其中Si是活塞的横截面积，Pi是密封流体的压力，Fi是施加的力，di是直径，并且li是活塞的位移。
由活塞移动的流体的体积如下：
Vi＝Sili (2.3)
假设密封流体体积保持恒定，则该系统可由以下方程描述：
通过使用方程2.1和2.3，方程2.4变为：
Figure BDA0002353835660000072
Figure BDA0002353835660000073
Figure BDA0002353835660000074
第二活塞14的位移lOUT是第一活塞12的位移lin与调节器活塞16的位移lACT之和乘以活塞直径之比。
当调节器活塞16关闭时，传动系统起标准液压系统的作用。由使用者18施加的输入力FIN被传递到第二活塞14。
Figure BDA0002353835660000075
Figure BDA0002353835660000076
第二活塞14的位移lOUT和第一活塞12的位移lin之间的关系由方程2.8描述，力FOUT和FIN之间的关系由方程2.9描述。
当调节器活塞16开启时，传动系统可以增强输出力FOUT，并因此消除由不均匀力FIN产生的第二活塞14的位移lOUT中的震颤。方程2.7描述了由第一活塞12和调节器活塞16提供的位移与输出活塞之间的关系。由调节器活塞16提供的压力PACT必须等于由第一活塞12和第二活塞14提供的压力：
PACT＝PIN+POUT (2.10)
结合方程2.10和2.2给出：
Figure BDA0002353835660000081
由调节器活塞16提供的力FACT如下：
Figure BDA0002353835660000082
方程2.12描述了由第一活塞12和第二活塞14提供给调节器活塞16的力之间的关系。为了消除震颤，第一活塞12的位移lin可以通过使用傅里叶变换来描述：
其中，lIN0是第一活塞12的位移lin的连续分量，第一活塞12的位移lin的震颤分量是：
Figure BDA0002353835660000084
从方程(2.12)的考虑，调节器活塞16需要提供与由第一活塞12的位移lin的震颤分量lINTR提供的位移相反的位移，以便避免震颤传递到第二活塞14。通过组合方程2.7和2.14，第二活塞14的位移lOUT由以下方程描述：
Figure BDA0002353835660000085
调节器活塞16需要消除第一活塞12的位移lin的震颤分量lINTR，其由以下方程描述：
Figure BDA0002353835660000086
Figure BDA0002353835660000087
Figure BDA0002353835660000088
方程2.12和2.18描述了在选择调节器活塞16的直径dACT时的折衷方案.尽管调节器活塞16的位移lACT与调节器活塞16的直径dACT成反比，但调节力FACT与调节器活塞16的直径dACT成正比。第一活塞12的位移lin的震颤分量lINTR是次于第一活塞12的位移lin的连续分量lIN0的，这意味着消除震颤所需的调节器活塞16的位移lACT小于第一活塞12的总位移lin。
运动尺度增加了用户的灵活性，使得可以以小尺度执行操作。通过因子K来缩放运动，因子K由以下方程表示：
lSC是缩放的输入位移。当K＝1时，运动不被缩放，而当K＝0.5时，运动按比例1：2缩放。第一活塞12的直径dIN与第二活塞14的直径dout之间的比率表示在任何液压系统中典型的运动缩放。以下方程描述了由因子K缩放的运动。
Figure BDA0002353835660000092
添加和移除第一活塞12的位移lin，方程保持不变：
Figure BDA0002353835660000093
Figure BDA0002353835660000094
通过对相同的量
Figure BDA0002353835660000095
进行乘法和除法，方程变为：
Figure BDA0002353835660000097
根据方程2.7和2.24，显然调节器活塞16的位移lACT由以下附加方程描述：
Figure BDA0002353835660000098
方程2.24和2.25描述了调节器活塞16的位移lACT与比例因子K之间的关系。当K＝1时，运动不被缩放，方程变为：
Figure BDA0002353835660000099
其描述了仅具有两个活塞的常态系统。
震颤消除和运动缩放模态可以一起是进行的。根据方程2.13、2.18和2.25，调节器活塞16的位移lACT的方程为：
Figure BDA0002353835660000101
该方程表明，当运动被缩放并且震颤被消除时，调制器活塞16在组合模态下的位移lACT高于其在仅震颤被消除的模态下的位移lACT。
传动系统10是由至少三个活塞和位置传感器组成的紧凑且简单的系统。传动系统中可以包括更多的活塞和/或传感器。
将认识到，传动系统的实施例因此提供了优于传统系统的诸多益处。
传动系统的实施例有利地允许输入力与输出力的比例以及所得到的输入活塞和输出活塞的相对运动被缩放，同时还消除或至少减轻施加到输入活塞或以其他方式被包含在施加到输入活塞的输入力中的震颤的影响。因此，传动系统的实施例在外科手术的准确性和安全性方面提供了显著的改进，并且在由于震颤的影响而使得这样的程序先前不可能的情况下，可以允许执行外科手术。
此外，该系统可以为传统的主从操纵器提供廉价的替代解决方案。传动系统可以感测输出力并提供触觉反馈，而无需使用传感器和致动器的复杂系统。
在不脱离权利要求的范围的情况下，可以进行各种修改。

Claims (20)

1.一种传动系统，包括：
一输入活塞，其被配置为接收一输入力；
一调节器活塞，其可操作地与所述第一活塞关联并被配置为调节所述输入力；以及
一输出活塞，其可操作地与所述第一活塞和所述调节器活塞关联，所述输出活塞被配置为接收所述被调节的输入力并从所述传动系统输出输出力。
2.根据权利要求1所述的传动系统，其中，所述传动系统被配置为通过减小或降低所述输入力来调节所述输入力，以提供所述输出活塞的被减小的输出力和/或被减小的位移。
3.根据权利要求1所述的传动系统，其中，所述传动系统被配置为调节所述输入力以在需要时提供来自所述输出活塞的被增大的输出力和/或所述输出活塞的被增大的位移。
4.根据权利要求1、2或3所述的传动系统，其中，所述传动系统包括液压传动系统或采取液压传动系统的形式。
5.根据任一前述权利要求所述的传动系统，包括一输入致动器，其中所述输入活塞形成所述输入致动器的一部分。
6.根据任一前述权利要求所述的传动系统，包括一输出致动器，其中所述输出活塞形成所述输出致动器的一部分。
7.根据任一前述权利要求所述的传动系统，包括一控制致动器，所述调节器活塞形成所述控制致动器的一部分。
8.根据任一前述权利要求所述的传动系统，包括一被配置为与所述输入活塞、所述输出活塞和所述调节器活塞连接的密封腔。
9.根据权利要求8所述的传动系统，其中，所述密封腔形成或设置在所述歧管中。
10.根据任一前述权利要求所述的传动系统，其中，所述传动系统被配置为响应于施加到所述调节器活塞的力来调节所述输入力。
11.根据任一前述权利要求所述的传动系统，在根据权利要求7时，其中，所述控制致动器可重新配置成延伸所述调节器活塞，所述调节器活塞的延伸通过减小所述输入力来调节所述输入力，从而向所述输出活塞提供减小的被调节的输入力。
12.根据任一前述权利要求所述的传动系统，在根据权利要求7时，其中，所述控制致动器可重新配置成缩回所述调节器活塞，所述调节器活塞的缩回通过增加所述输入力来调节所述输入力，从而向所述输出活塞提供增加的被调节的输入力。
13.根据任一前述权利要求所述的传动系统，其中，所述传动系统被配置为将所述输入力与所述输出力的比例保持在一给定值或值范围。
14.根据任一前述权利要求所述的传动系统，其中，所述传动系统包括被配置为移动和/或控制所述调节器活塞的所述位移的驱动装置。
15.根据权利要求14所述的传动系统，其中，所述驱动装置包括一电机。
16.根据任一前述权利要求所述的传动系统，其中，所述传动系统包括控制系统、联接到控制系统或可操作地与控制系统相关联。
17.一种包括任一前述权利要求所述的传动系统的装置。
18.根据权利要求17所述的装置，还包括一工具，且其中所述输出活塞联接到所述工具并被配置为将所述输出力传递到所述工具。
19.根据权利要求18所述的装置，其中所述工具包括一外科器械。
20.一种方法，包括：
提供根据权利要求1至16中的任意一项所述的传动系统；
向所述调节器活塞施加调节力以调节由所述输出活塞接收的所述输入力。
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