RU139309U1

RU139309U1 - DRIVE TACTICAL FEEDBACK DRIVE FOR EFFORT TOOL

Info

Publication number: RU139309U1
Application number: RU2013153301/12U
Authority: RU
Inventors: Ленар Наилевич Валеев; Рамиль Хатямович Зайнуллин; Владимир Александрович Андряшин; Александр Алексеевич Литвинов; Рамиль Талгатович Гайнутдинов; Александр Викторович Лушанин; Михаил Евгеньевич Тимофеев; Вагиз Камильевич Ягафаров; Леонид Анатольевич Корнилов; Алексей Леонидович Ларионов; Азат Ринатович Хайруллин; Игорь Владимирович Цветов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Медицина"
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2014-04-10

Abstract

Привод для генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию, содержащий устройства линейного и вращательного движений продолговатого инструмента с устройствами регулируемого торможения и датчики слежения за перемещениями инструмента, отличающийся тем, что устройства линейного перемещения инструмента и тормозное устройство выполнены воедино в виде линейного электромагнитного двигателя, а вращательное устройство с тормозным устройством выполнены в виде электромагнитного двигателя, где трубчатый инструмент с магнитами внутри располагается внутри линейного электромагнитного двигателя, осуществляющего регулируемое линейное перемещение инструмента, который взаимодействует с ротором электромагнитного двигателя, например, шлицевым соединением, при этом двигатели линейного и вращательного движений расположены соосно.A drive for generating tactile feedback on the instrument by force, comprising linear and rotational movements of an elongated instrument with adjustable braking devices and instrument tracking sensors, characterized in that the linear instrument and brake device are made together as a linear electromagnetic motor, and a rotary device with a brake device is made in the form of an electromagnetic motor, where a tubular tool with magnets in the nutra is located inside a linear electromagnetic motor that performs an adjustable linear movement of the tool, which interacts with the rotor of the electromagnetic motor, for example, a spline connection, while the linear and rotational motors are aligned.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике, к устройствам обеспечивающим тактильные ощущения при манипулировании удлиненными инструментами. Может быть использовано при моделировании медицинского вмешательства, где катетеры и другие инструменты вводятся через входное отверстие для взаимодействия с виртуальной средой, преимущественно в медицинских тренажерах при обучении.The utility model relates to medical equipment, to devices providing tactile sensations when handling elongated instruments. It can be used to model medical intervention, where catheters and other instruments are inserted through the inlet to interact with the virtual environment, mainly in medical simulators during training.

Известен патент №2461866, МПК G06F 3/01, 2007 г. «Силовая обратная связь для устройства ввода». Изобретение относится к устройству ввода и обеспечения тактильной обратной связи к пальцу пользователя при вводе информации к мобильным терминалам. Устройство ввода снабжено средством для обнаружения касания пальца и средством обеспечения тактильной обратной связи к пальцу, чтобы подтвердить включение. Тактильная обратная связь содержит три удлиненных объекта из металлов с памятью формы. Каждый объект размещен так, чтобы взаимодействовать с одним средством смещения и сокращается в ином направлении, чем остальные. Устройство обеспечивает обратную тактильную связь к пальцу при вводе информации. Данный привод не может быть применен для удлиненных медицинских инструментов (катетеры и др.), так как он обеспечивает очень малые перемещения (3-5%от длины объекта с памятью формы). Тогда как в реальных медицинских вмешательствах требуются перемещения инструментов до нескольких десятков сантиметров.Known patent No. 2461866, IPC G06F 3/01, 2007, "Power feedback for input device." The invention relates to an input device and providing tactile feedback to a user's finger when entering information to mobile terminals. The input device is provided with means for detecting a finger touch and means for providing tactile feedback to the finger to confirm inclusion. Tactile feedback contains three elongated metal objects with shape memory. Each object is placed so as to interact with one means of displacement and is reduced in a different direction than the rest. The device provides tactile feedback to the finger when entering information. This drive cannot be used for elongated medical instruments (catheters, etc.), since it provides very small displacements (3-5% of the length of an object with shape memory). Whereas in real medical interventions, movements of instruments up to several tens of centimeters are required.

Известен патент США №20130224710 A1 от 1.09.2010 г «Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training» («Роботизированное устройство для применения в обучении хирургическим операциям»). Автоматизированное устройство записывает процедуру проведения операции хирургом и воспроизводит эту процедуру для стажера хирурга, который изучает эти навыки, в том числе и тактильные ощущения. Устройство имеет четыре степени свободы.Known US patent No. 2013224710 A1 dated 1.09.2010 g "Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training" ("Robotic device for use in teaching surgical operations"). The automated device records the procedure for the operation by the surgeon and reproduces this procedure for the trainee surgeon who studies these skills, including tactile sensations. The device has four degrees of freedom.

Поступательное движение инструмента осуществляется зубчатой передачей, причем зубчатая рейка расположена по всей длине инструмента (Фиг. 3 и 6). Вращательное движение инструмента осуществляется двумя сферическими арками (Фиг. 2, 3. позиция 328). Недостаток устройства обусловлен сложностью в изготовлении.The translational movement of the tool is carried out by gear transmission, and the gear rack is located along the entire length of the tool (Fig. 3 and 6). Rotational movement of the tool is carried out by two spherical arches (Fig. 2, 3. position 328). The disadvantage of the device due to the difficulty in manufacturing.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является «Привод для продолговатого объекта с устройством генерации обратной связи по усилию», патент США 20070063971 A1, опубликован 22.03.2007 г., который взят нами за прототип. Привод обеспечивает продольные и вращательные перемещения продолговатого объекта (катетера) с инструментом с генерацией тактильных ощущений по усилию. Это обеспечивается электромагнитным тормозным устройством, которое позволяет с помощью электромагнита и валков создавать заданное сопротивление продольному перемещению инструмента. Вращательное движение также обеспечивается валками с приводом. Линейное и вращательные перемещения инструмента имеют тормозные системы. По мере движения инструмента процессор непрерывно получает информацию от следящего устройства и выбирает расчетное тормозное усилие. Устройство может быть использовано для обеспечения реалистичных ощущений при моделировании медицинского вмешательства, где катетеры или другие инструменты вводятся через входное отверстие для взаимодействия с виртуальной средой. Основным элементом торможения в приводе генерации обратной тактильной связи является трение между валками и инструментом. Поверхность валков, контактирующих с инструментом, будет изнашиваться по мере работы тормозных устройств, что приведет к изменению усилий торможения от заданных значений. Причем эти изменения будут происходить постоянно. Это приведет к изменению заданных значений тактильных ощущений. Устройства линейного движения инструмента и вращательное могут работать только каждое в отдельности, поочередно, что снижает технические возможности привода. В реальности же требуется совмещение обоих движений.The closest in technical solution and the achieved result is “Drive for an elongated object with a force feedback device”, US patent 20070063971 A1, published March 22, 2007, which we took as a prototype. The drive provides longitudinal and rotational movements of an elongated object (catheter) with a tool with the generation of tactile sensations in effort. This is provided by an electromagnetic braking device, which allows using an electromagnet and rolls to create a given resistance to the longitudinal movement of the tool. Rotational motion is also provided by driven rolls. Linear and rotational tool movements have braking systems. As the tool moves, the processor continuously receives information from the tracking device and selects the calculated braking force. The device can be used to provide realistic sensations when modeling a medical intervention, where catheters or other instruments are inserted through an inlet to interact with a virtual environment. The main element of braking in the tactile feedback feedback generation drive is the friction between the rollers and the tool. The surface of the rollers in contact with the tool will wear out as the braking devices work, which will lead to a change in the braking forces from the set values. Moreover, these changes will occur constantly. This will lead to a change in the set values of tactile sensations. Devices of linear movement of the tool and rotary can only work individually, in turn, which reduces the technical capabilities of the drive. In reality, a combination of both movements is required.

Решаемая техническая задача - повышение точности тактильных ощущений, заданных программой и расширение технических возможностей привода.The technical task to be solved is to increase the accuracy of the tactile sensations set by the program and expand the technical capabilities of the drive.

Решаемая техническая задача в приводе для генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию, содержащим устройства линейного и вращательного движений продолговатого инструмента с устройствами регулируемого торможения и датчики слежения за перемещениями инструмента достигается тем, что устройства линейного перемещения инструмента и тормозное устройство выполнены воедино в виде линейного электромагнитного двигателя, где трубчатый инструмент с магнитами внутри располагается внутри линейного электромагнитного двигателя, осуществляющего регулируемое линейное перемещение инструмента, который взаимодействует с ротором электромагнитного двигателя, например, шлицевым соединением, при этом двигатели линейного и вращательного движений расположены соосно.The technical problem to be solved in the drive for generating tactile feedback on the instrument by force, containing linear and rotational movements of an elongated instrument with adjustable braking devices and sensors for tracking instrument movements is achieved by the fact that the linear devices of the tool and the brake device are made together in the form of a linear electromagnetic engine, where a tubular tool with magnets inside is located inside a linear electromagnetic motor, performing an adjustable linear movement of the tool, which interacts with the rotor of the electromagnetic motor, for example, a spline connection, while the linear and rotational motion motors are aligned.

На фиг. 1 представлен общий вид привода для генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию;In FIG. 1 shows a general view of a drive for generating tactile feedback on a tool by force;

На фиг. 2 - шлицевое соединение, с прямоточным профилем зуба, инструмента с направляющей втулкой ротора;In FIG. 2 - spline connection, with a direct-flow tooth profile, a tool with a guide sleeve of the rotor;

На фиг. 3 - шлицевое соединение инструмента с направляющей втулкой ротора, где взаимодействующие поверхности выполнены в виде поверхности многогранника.In FIG. 3 - a spline connection of the tool with the guide sleeve of the rotor, where the interacting surfaces are made in the form of a surface of a polyhedron.

На фиг.4 - вариант применения привода с обратной тактильной связью.Figure 4 is an application of a tactile feedback drive.

Привод для генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию состоит из устройства линейного перемещения инструмента и тормозного устройства, выполненными в виде линейного электромагнитного двигателя 1 и вращательного с тормозным устройством, выполненным в виде электромагнитного двигателя 2 фиг. 1. Линейный электромагнитный двигатель 1 и электромагнитный двигатель 2 расположены соосно и соединены между собой болтами 3. Линейный электромагнитный двигатель 1 содержит корпус 4, внутри которого размещены с постоянным шагом катушки 5, создающие при работе «бегущее» синусоидальное магнитное поле. По торцам двигателя 1 расположены подшипники скольжения 6. На корпусе двигателя 1 установлены блок 7 управления двигателем и датчики 8 слежения за перемещением инструмента 9. Электромагнитный двигатель 2 содержит корпус статора 10, внутри которого размещены катушки 11, а на корпусе 12 ротора вращения установлены магниты 13. По торцам двигателя 2 расположены подшипники вращения 14 и направляющие втулки 15 впрессованные в подшипники, которые неподвижно соединены с корпусом ротора 12. Внутри корпуса статора 10 расположены датчики слежения 16 за вращательными движениями инструмента 9. На корпусе электромагнитного двигателя расположен блок 17 управления двигателем. Трубчатый инструмент 9 с магнитами 18 внутри располагается внутри линейного электромагнитного двигателя 1 и взаимодействует с ротором электромагнитного двигателя 2, например, шлицевым соединением, которое позволяет передавать крутящий момент и линейно перемещать инструмент. На фиг. 2, 3 представлены варианты шлицевого соединения направляющей втулки 15 ротора с инструментом 9. На фиг. 2 представлен трубчатый инструмент с пазом 19 по всей длине, в который входит для зацепления с зубом с прямоточным профилем 20. На фиг. 3 инструмент выполнен в виде многогранника 21, где внутренняя поверхность 22 направляющей втулки аналогична поверхности инструмента.The drive for generating tactile feedback on the instrument by force consists of a device for linear movement of the instrument and a brake device, made in the form of a linear electromagnetic motor 1 and rotary with a brake device made in the form of an electromagnetic motor 2 of FIG. 1. The linear electromagnetic motor 1 and the electromagnetic motor 2 are coaxial and interconnected by bolts 3. The linear electromagnetic motor 1 contains a housing 4, inside which are placed with a constant pitch of the coil 5, creating a "running" sinusoidal magnetic field during operation. Slide bearings 6 are located at the ends of the engine 1. On the engine housing 1, an engine control unit 7 and sensors 8 for monitoring the movement of the tool 9 are installed. The electromagnetic motor 2 comprises a stator housing 10, inside which coils 11 are placed, and magnets 13 are mounted on the housing 12 of the rotation rotor On the ends of the motor 2 are located the rotation bearings 14 and the guide bushings 15 pressed into the bearings, which are fixedly connected to the rotor housing 12. Inside the stator housing 10 there are tracking sensors 16 behind the rotate lnny movements of the tool 9. On the body of the electromagnetic motor is located block 17 engine control. The tubular tool 9 with magnets 18 inside is located inside the linear electromagnetic motor 1 and interacts with the rotor of the electromagnetic motor 2, for example, a spline connection that allows you to transmit torque and linearly move the tool. In FIG. 2, 3 show variants of the spline connection of the guide sleeve 15 of the rotor with the tool 9. In FIG. 2 shows a tubular tool with a groove 19 along the entire length, which is included for engagement with a tooth with a direct-flow profile 20. In FIG. 3, the tool is made in the form of a polyhedron 21, where the inner surface 22 of the guide sleeve is similar to the surface of the tool.

Пример конкретной реализации представлен на фиг. 4. Привод для генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию работает следующим образом. При отключенных двигателях 1, 2 трубчатый инструмент 9 может свободно перемещаться и вращаться, при этом происходит только отслеживание его перемещения и вращения соответствующими датчиками 8, 16. Генерация обратной тактильной связи осуществляется созданием заданных сил, препятствующих перемещению инструмента. Данные о положении инструмента могут быть использованы в моделируемом виртуальном пространстве, где положение виртуального инструмента будет синхронизировано с положением инструмента в приводе. В блок сопряжения 22 поступают сигналы заданного торможения 23, а сигналы управления поступают на блоки управления двигателями 7, 17. При подаче сигнала 24 на блок 7 подается соответствующий сигнал для подачи необходимого напряжения на катушки 5. Магнитное поле, возникающее в катушках, взаимодействует с магнитами 18 в инструменте 9 и создает усилие препятствующее (тормозящее) перемещению инструмента оператором. Тормозящее усилие регулируется напряжением, подаваемым на катушки 5. Усилия торможения при вращении инструмента 9 в электромагнитном двигателе 2 создается аналогичным образом. От блока сопряжения 22 на блок управления двигателем 17 подается сигнал 25 подачи напряжения на катушки 11. Магнитное поле, возникающее в катушках, взаимодействует с магнитами 13. Результирующее магнитное поле катушек статора пытается повернуть ротор вместе с инструментом, образуя вращательное усилие на инструмент 9, которое препятствует дальнейшему повороту инструмента оператором, создавая тактильное ощущение на инструменте. Усилие торможения вращению регулируется изменением напряжения. Так как катушки 5 в двигателе круглые, то внутри них создается равномерное магнитное поле, вследствие чего воздействие на инструмент равное со всех сторон и подшипники скольжения 6 испытывают лишь незначительные нагрузки. Сила трения в приводе при свободном перемещении инструмента 9 величина постоянная, такой она сохранится и при торможении электромагнитным полем. В рассматриваемом приводе противодействие перемещениям инструмента осуществляется бесконтактным способом, это и позволяет повысить точность тактильных ощущений заданных программой.An example of a specific implementation is shown in FIG. 4. The drive for generating tactile feedback to the instrument by force works as follows. When the engines 1, 2 are switched off, the tubular instrument 9 can freely move and rotate, and only its movement and rotation are monitored by the corresponding sensors 8, 16. Generation of tactile feedback is carried out by the creation of predetermined forces that prevent the tool from moving. Tool position data can be used in a simulated virtual space where the position of the virtual tool will be synchronized with the position of the tool in the drive. The mating unit 22 receives the signals of the specified braking 23, and the control signals are supplied to the engine control units 7, 17. When the signal 24 is supplied to the unit 7, the corresponding signal is applied to supply the necessary voltage to the coils 5. The magnetic field arising in the coils interacts with magnets 18 in the tool 9 and creates a force preventing (inhibiting) the movement of the tool by the operator. The braking force is regulated by the voltage supplied to the coil 5. The braking force during rotation of the tool 9 in the electromagnetic motor 2 is created in a similar way. From the interface unit 22, a signal 25 for supplying voltage to the coils 11 is supplied to the engine control unit 17. The magnetic field arising in the coils interacts with magnets 13. The resulting magnetic field of the stator coils tries to rotate the rotor together with the tool, forming a rotational force on the tool 9, which prevents the operator from further turning the instrument, creating a tactile feel on the instrument. The braking force of rotation is regulated by a change in voltage. Since the coils 5 in the engine are round, a uniform magnetic field is created inside them, as a result of which the impact on the tool is equal on all sides and the sliding bearings 6 experience only insignificant loads. The friction force in the drive with the free movement of the tool 9 is a constant value, it will remain the same even when braking by an electromagnetic field. In the drive in question, the movement of the instrument is counteracted in a non-contact manner, and this improves the accuracy of the tactile sensations specified by the program.

Привод для генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию позволяет одновременно осуществлять линейные перемещения с вращением инструмента, что невозможно осуществить в прототипе. Привод имеет две степени свободы. Это значительно расширяет технические возможности применения в медицинских тренажерах.The drive for generating feedback tactile communication on the instrument by force allows simultaneous linear movement with rotation of the instrument, which is impossible in the prototype. The drive has two degrees of freedom. This greatly expands the technical possibilities of use in medical simulators.

Claims

A drive for generating tactile feedback on the instrument by force, comprising linear and rotational movements of an elongated instrument with adjustable braking devices and instrument tracking sensors, characterized in that the linear instrument and brake device are made together as a linear electromagnetic motor, and a rotary device with a brake device is made in the form of an electromagnetic motor, where a tubular tool with magnets in the inside is located inside a linear electromagnetic motor, which carries out an adjustable linear movement of the tool, which interacts with the rotor of the electromagnetic motor, for example, by a spline connection, while the linear and rotational motors are aligned.