CN206628187U - 一种基于电流变液的肌肉组织再现接口装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于电流变液的肌肉组织再现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五根导电肌肉纤维，导电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、或为第二关节肌腱一侧端引出电极，第一关节、第二关节以及导电肌肉纤维外包覆有密封导电外皮，密封导电外皮所围成的密闭空间内填充有电流变液，密封导电外皮与第一关节肌腱或第二关节肌腱分别引出极性相反的电极，在电场作用下电流变液在沿电场方向形成链状结构；本实用新型目的在于解决现有力触觉交互装置在模拟肌体组织的柔顺性和黏性特征时容易产生失真，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黏性特征的人机交互接口装置。
Description
技术领域
本实用新型属于虚拟现实技术领域，具体涉及一种基于电流变液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。
电流变液作为一种液体智能材料，在外加电场作用下，其流变学特性将发生剧烈变化，屈服应力也随着电场强度的增大不断增大，撤离电场时能够同样快速地恢复到液体状态。电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
本实用新型提供一种用于实现人机交互的基于电流变液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在模拟肌体组织的柔顺性和黏性特征时容易产生失真，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黏性特征的人机交互接口装置。
本实用新型通过以下技术方案实现：
一种基于电流变液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）之间设置有五根导电肌肉纤维（2），导电肌肉纤维（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）、或为第二关节肌腱（3）一侧端引出电极（6），第一关节（7）、第二关节（8）以及导电肌肉纤维（2）外包覆有密封导电外皮（1），密封导电外皮（1）所围成的密闭空间内填充有电流变液（9），密封导电外皮（1）与第一关节肌腱（4）或第二关节肌腱（3）分别引出极性相反的电极（5、6），在电场作用下电流变液（9）在沿电场方向形成链状结构。
本实用新型进一步技术改进方案是：
所述导电肌肉纤维（2）数量与关节肌腱数量相匹配。
本实用新型进一步技术改进方案是：
所述导电肌肉纤维（2）由弹性金属导线材料制成。
本实用新型进一步技术改进方案是：
所述密封导电外皮（1）由柔性金属材料制成。
本实用新型进一步技术改进方案是：
所述第一关节（7）、第二关节（8）由绝缘材料制成。
本实用新型进一步技术改进方案是：
所述导电肌肉纤维（2）、密封导电外皮（1）分别与电极（5、6）电气连接。
本实用新型与现有技术相比，具有以下明显优点：
一、本实用新型采用新兴的电流变技术，电流变液在电场作用下产生电流变效应，使表征电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，因此电流变液在模拟肌肉组织柔顺性方面具有独特的优势。
二、本实用新型利用弹性金属材料模拟肌肉组织的弹性特征，利用金属材料产生的电场控制电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、本实用新型整个接口装置是耗散性的，可有效提高其稳定性。
四、本实用新型结构简单，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、本实用新型整个装置利用电场直接控制输出力，无需转换和传动机构，使其能耗极低。
六、本实用新型控制简单，电场信号与电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为本实用新型结构示意图；
图2为本实用新型原理示意图。
具体实施方式
如图1、2所示，本实用新型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8，五根由弹性金属导线材料制成的导电肌肉纤维2，五个第一关节肌腱4，五个第二关节肌腱3，五个正电极6，一个负电极5，由柔性金属材料制成的密封导电外皮1，适量的电流变液9。在第一关节7和第二关节8之间设置有五个导电肌肉纤维2（根据需要可适当增减导电肌肉纤维数量），导电肌肉纤维2的一端通过第一关节肌腱4固定于第一关节7上，导电肌肉纤维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，在密封导电外皮1上引出负电极5，密封导电外皮1覆盖于肌肉组织外层，在密封导电外皮1围成的密闭空间内充满电流变液9。
本实用新型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的导电肌肉纤维2可以模拟真实肌肉组织的弹性，密封导电外皮1内充满电流变液9，可以模拟肌肉组织的柔顺性特性，密封导电外皮1可以模拟肌肉外层皮肤；当虚拟环境中的肌肉组织收缩变硬时，在正负电极之间施加电压，该电压在导电肌肉纤维2和密封导电外皮1之间产生一个垂直于导电肌肉纤维2的电场，在该电场作用下电流变液9在沿电场方向形成链状结构，导电肌肉纤维2上方的电流变液硬度变大，电压越大，电场越强，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收缩时硬度变化；当虚拟环境中的肌肉组织某部分发生病变而变硬时，给发生病变的导电肌肉纤维2和密封导电外皮1之间施加电压，其他导电肌肉纤维2不施加电压，在该导电肌肉纤维2的上方的电流变液变硬，操作者即能够感受到特定部分的肌肉硬度的变化。
本实用新型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，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于电流变液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）之间设置有五根导电肌肉纤维（2），导电肌肉纤维（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）、或为第二关节肌腱（3）一侧引出电极（6），第一关节（7）、第二关节（8）以及导电肌肉纤维（2）外包覆有密封导电外皮（1），密封导电外皮（1）所围成的密闭空间内填充有电流变液（9），密封导电外皮（1）与第一关节肌腱（4）或第二关节肌腱（3）分别引出极性相反的电极（5、6），在电场作用下电流变液（9）在沿电场方向形成链状结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于电流变液的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述导电肌肉纤维（2）数量与关节肌腱数量相匹配。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于电流变液的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述导电肌肉纤维（2）由弹性金属导线材料制成。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于电流变液的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述密封导电外皮（1）由柔性金属材料制成。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于电流变液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）由绝缘材料制成。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于电流变液的肌肉组织再现接口装置，其特征在于：所述导电肌肉纤维（2）、密封导电外皮（1）分别与电极（5、6）电气连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201720275019.6U CN206628187U (zh) | 2017-03-21 | 2017-03-21 | 一种基于电流变液的肌肉组织再现接口装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201720275019.6U CN206628187U (zh) | 2017-03-21 | 2017-03-21 | 一种基于电流变液的肌肉组织再现接口装置 |
Publications (1)
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| CN206628187U true CN206628187U (zh) | 2017-11-10 |
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| CN201720275019.6U Withdrawn - After Issue CN206628187U (zh) | 2017-03-21 | 2017-03-21 | 一种基于电流变液的肌肉组织再现接口装置 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN206628187U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106816074A (zh) * | 2017-03-21 | 2017-06-09 | 淮阴师范学院 | 一种肌肉组织再现接口装置 |
-
2017
- 2017-03-21 CN CN201720275019.6U patent/CN206628187U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN106816074A (zh) * | 2017-03-21 | 2017-06-09 | 淮阴师范学院 | 一种肌肉组织再现接口装置 |
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