RU139350U1

RU139350U1 - TACTICAL FEEDBACK GENERATION MECHANISM FOR EFFORT TOOL

Info

Publication number: RU139350U1
Application number: RU2013155807/14U
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; Артур Раисович Валеев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Медицина"
Priority date: 2013-12-16
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2014-04-20

Abstract

Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию, содержащий устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента, с созданием заданных сил, препятствующих перемещению инструмента для обеспечения тактильных ощущений, отличающийся тем, что на коробчатом основании прямоугольного сечения установлен кронштейн, который неподвижно закреплен на вертикальном валу вращения, взаимодействующий гибкой связью с двигателем, установленным внутри основания, а в верхней части кронштейна установлен вал вращения со шкивом, соединенный гибкой связью с двигателем на кронштейне, при этом на боковой поверхности шкива закреплен линейный электромагнитный двигатель с размещенным внутри трубчатым инструментом с магнитами внутри.The mechanism of generating tactile feedback on the instrument by force, containing linear, rotational and angular movements of the instrument with sensors for tracking the movements of the instrument, with the creation of predetermined forces that impede the movement of the instrument to provide tactile sensations, characterized in that the bracket is mounted on a box-shaped base of rectangular cross section which is fixedly mounted on a vertical shaft of rotation, interacting with a flexible connection with the engine mounted inside the base, in the upper part of the bracket mounted rotating shaft with a pulley connected to a flexible coupling to the motor bracket, wherein the side surface of the pulley fixed linear electromagnetic motor disposed within the tubular tool with magnets inside.

Description

Полезная модель относится к медицинской технике, к устройствам, обеспечивающим обратные тактильные ощущения при манипулировании инструментами. Полезная модель может быть использована при моделировании медицинского вмешательства, где катетеры и другие инструменты вводятся через входное отверстие для взаимодействия с виртуальной средой, преимущественно в медицинских тренажерах при обучении проведению хирургических операций.The utility model relates to medical equipment, to devices providing inverse tactile sensations when manipulating instruments. The utility model can be used in modeling medical interventions, where catheters and other instruments are inserted through an inlet to interact with a virtual environment, mainly in medical simulators when teaching surgical operations.

Из опубликованной заявки США №20070063971 A1 известен «Привод для продолговатого объекта с устройством генерации обратной связи по усилию», опубл. 22.03.2007 г. Привод обеспечивает продольные и вращательные перемещения продолговатого объекта (катетера) с генерацией тактильных ощущений на катетер по усилию. Это достигается электромагнитным тормозным устройством, которое с помощью электромагнита и валиков создает заданное сопротивление перемещению инструмента. Вращательное движение обеспечивается валиками с приводом. По мере движения инструмента процессор непрерывно получает информацию от датчиков слежения и выбирает расчетное тормозное усилие. Основным элементом торможения является трение между валиками и инструментом. Недостатком данного привода является то, что устройства линейного движения инструмента и вращательное могут работать только каждый в отдельности, поочередно, что снижает технические возможности привода. В реальности же необходимо совмещение обоих движений.From published application US No. 20070063971 A1 known "Drive for an elongated object with a device for generating feedback on the force", publ. 03/22/2007 The drive provides longitudinal and rotational movements of an elongated object (catheter) with the generation of tactile sensations on the catheter by force. This is achieved by an electromagnetic braking device, which with the help of an electromagnet and rollers creates a given resistance to tool movement. Rotational movement is provided by driven rollers. As the tool moves, the processor continuously receives information from the tracking sensors and selects the calculated braking force. The main element of braking is friction between the rollers and the tool. The disadvantage of this drive is that the device linear movement of the tool and rotary can only work individually, in turn, which reduces the technical capabilities of the drive. In reality, it is necessary to combine both movements.

Известен патент на изобретение RU №2461362, МПК A61B 17/068 «Хирургический отрезной и фиксирующий аппарат с приводом от двигателя и тактильной обратной связью по положению». Изобретение относится к медицинской технике. Аппарат содержит концевой эффектор, узел главного ведущего вала, который соединен с концевым эффектором, и цепь зубчатых передач привода. Цепь соединена с узлом главного ведущего вала. Концевой эффектор содержит подвижный режущий инструмент для разрезания объекта в концевом эффекторе. Аппарат имеет главный электродвигатель для приведения в действие цепи зубчатых передач привода, рычаг прошивки для включения главного электродвигателя и систему тактильной обратной связи по положению для приложения усилия к рычагу прошивки, положение которого связано с положением режущего инструмента в концевом эффекторе. В результате при управлении установкой скобок имеется возможность останова в любой момент, если усилия, ощущаемые в рукоятке устройства, оказываются слишком большие. Аппарат позволяет осуществлять поворотно-поступательные перемещения инструмента, но он сложен в изготовлении.Known patent for invention RU No. 2461362, IPC A61B 17/068 "Surgical detachable and fixing apparatus with a motor drive and tactile position feedback". The invention relates to medical equipment. The apparatus contains an end effector, a node of the main drive shaft, which is connected to the end effector, and a chain of gear drives. The chain is connected to the main drive shaft assembly. The end effector comprises a movable cutting tool for cutting an object in the end effector. The device has a main electric motor for actuating the drive gear circuits, a firmware lever for turning on the main electric motor, and a tactile feedback system in position for applying force to the firmware lever, the position of which is related to the position of the cutting tool in the end effector. As a result, when controlling the installation of brackets, it is possible to stop at any time if the forces felt in the handle of the device turn out to be too large. The device allows for rotary-translational movement of the tool, but it is difficult to manufacture.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является «Роботизированное устройство для хирургических операций под контролем изображения на компьютере», раскрытое в опубликованной заявке США №20130224710 A1, опубл. 29.09.2013 г, которое взято за прототип. Роботизированное устройство содержит механизмы вращательного, поступательного и углового перемещений. В одном конце удлиненного инструмента установлены рукоятка управления с двигателем и датчиком слежения. На другом конце инструмента также имеется двигатель с датчиком слежения. Роботизированное устройство позволяет записывать все движения опытного хирурга при проведении операции и воспроизводить их обучающимся. За счет программного обеспечения на всем этапе проведения операции устройство позволяет воспроизводить силы, препятствующие перемещению инструмента, тем самым обеспечивается тактильная связь на инструмент по усилию. Устройство имеет четыре степени свободы. Однако данное устройство сложно в изготовлении. Это касается механизмов вращательного, поступательного и углового перемещений. Так угловое перемещение осуществляется двумя сферическими арками, а линейное движение инструмента реализуется зубчатой передачей от двигателя на инструмент. Так зубчатая передача проходит по всей длине инструмента, необходимой для перемещения. На процесс точности воспроизводства, заданных программой режимов по усилию влияет трение элементов зубчатой передачи при перемещении инструмента.The closest in technical solution and the achieved result is a "Robotic device for surgical operations under the control of computer images", disclosed in published application US No. 2013224710 A1, publ. 09/29/2013, which is taken as a prototype. The robotic device contains mechanisms of rotational, translational and angular movements. A control handle with an engine and a tracking sensor is installed at one end of the elongated tool. There is also a motor with a tracking sensor at the other end of the tool. The robotic device allows you to record all the movements of an experienced surgeon during the operation and play them back to students. Due to the software at the entire stage of the operation, the device allows you to reproduce the forces that impede the movement of the tool, thereby providing tactile communication on the tool by force. The device has four degrees of freedom. However, this device is difficult to manufacture. This applies to the mechanisms of rotational, translational and angular movements. So the angular movement is carried out by two spherical arches, and the linear movement of the tool is realized by gear transmission from the engine to the tool. So the gear passes along the entire length of the tool needed to move. The friction accuracy of the gears specified by the program of modes is affected by the friction of the gear elements when moving the tool.

Технический результат-повышение точности тактильных ощущений, заданных программой, упрощение конструкции и снижение затрат на изготовление механизма генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию.The technical result is to increase the accuracy of tactile sensations specified by the program, simplifying the design and reducing the cost of manufacturing a mechanism for generating feedback tactile communication on the instrument by force.

Технический результат в механизме генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию, содержащем устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента с созданием заданных сил, препятствующих перемещению инструмента для обеспечения тактильных ощущений, достигается тем, что на коробчатом основании прямоугольного сечения установлен кронштейн, который неподвижно закреплен на вертикальном валу вращения, взаимодействующий гибкой связью с двигателем, установленным внутри основания, а в верхней части кронштейна установлен вал вращения со шкивом, соединенный гибкой связью с двигателем на кронштейне, при этом на боковой поверхности шкива закреплен линейный электромагнитный двигатель, с размещенным внутри трубчатым инструментом с магнитами внутри.The technical result in the mechanism for generating tactile feedback on the instrument by force, containing linear, rotational and angular movements of the instrument with sensors for tracking the movements of the instrument with the creation of predetermined forces that impede the movement of the instrument to provide tactile sensations, is achieved by the fact that the box has a rectangular cross-section a bracket is installed, which is fixedly mounted on a vertical shaft of rotation, interacting with a flexible connection with the engine, nnym inside the base and the top of the arm rotational shaft is mounted with a pulley connected to a flexible coupling to the motor bracket, wherein the side surface of the pulley fixed linear electromagnetic motor, disposed inside the tubular tool with magnets inside.

На фиг. 1 представлен общий вид механизма генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию;In FIG. 1 shows a general view of the mechanism for generating feedback tactile feedback on an instrument by force;

На фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1;In FIG. 2 is a section along AA in FIG. one;

На фиг. 3 - вариант применения механизма генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию.In FIG. 3 is an embodiment of a mechanism for generating feedback tactile feedback on an instrument by force.

На фиг. 4 - линейный электромагнитный двигатель.In FIG. 4 - linear electromagnetic motor.

Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию содержит коробчатое основание 1 прямоугольного сечения, на котором установлен кронштейн 2, который неподвижно закреплен на вертикальном валу вращения 3. На валу 3 установлены подшипники 4 и шкив 6. Верхний подшипник 4 закреплен в коробчатом основании 1, нижний подшипник 4 закреплен в опоре вала 5. Вал 3 связан гибкой связью 7 с двигателем 8, установленным внутри коробчатого основания 1. В верхней части кронштейна установлен вал вращения 9 и шкив 10, соединенный гибкой связью 11 с двигателем 12, установленным в основании кронштейна 2. На боковой поверхности шкива 10 закреплен линейный электромагнитный двигатель 13. На валах вращения 3,9 и в линейном электромагнитном двигателе 13 установлены датчики слежения 14 за перемещениями инструмента 15 (фиг. 3).The force feedback tactile feedback generation mechanism comprises a box-shaped base 1 of rectangular cross section, on which a bracket 2 is mounted, which is fixedly mounted on a vertical rotation shaft 3. Bearings 4 and a pulley 6 are mounted on the shaft 3. The upper bearing 4 is fixed in the box-shaped base 1, the lower bearing 4 is fixed in the shaft support 5. The shaft 3 is connected by a flexible coupling 7 with an engine 8 installed inside the box base 1. In the upper part of the bracket there is a rotation shaft 9 and a pulley 10 connected by a flexible coupling 11 to igatelem 12 mounted in the base bracket 2. The electromagnetic linear motor 13. On the rotation shaft 3.9 and a linear electromagnetic motor 13 mounted sensors 14 monitor the movements of the tool 15 (FIG. 3) 10 is fixed on the side surface of the pulley.

Пример конкретной реализации представлен на фиг. 3. При отключенных двигателях 8, 12, 13 трубчатый инструмент 15 может свободно перемещаться и вращаться, при этом происходит только отслеживание его перемещений датчиками 14,которые установлены на валах вращения 3, 9 и в линейном электромагнитном двигателе 13. Генерация обратной тактильной связи осуществляется созданием заданных сил, препятствующих перемещению инструмента 15 (фиг 3, 4).An example of a specific implementation is shown in FIG. 3. When the engines 8, 12, 13 are turned off, the tubular tool 15 can freely move and rotate, and only its movements are monitored by sensors 14, which are installed on the rotation shafts 3, 9 and in the linear electromagnetic motor 13. Generation of tactile feedback is created by creating predetermined forces that impede the movement of the tool 15 (Fig 3, 4).

Данные о положении инструмента в линейном электромагнитном двигателе 13 могут быть использованы в моделируемом виртуальном пространстве, где положение виртуального инструмента будет синхронизировано с положением инструмента 15 в трехмерном пространстве. В блок сопряжения 16 поступают сигналы заданные программой 17, а сигналы управления 21, 22, 23 поступают в блоки управления двигателями 18, 19, 20 (фиг. 2, 3). При перемещении инструмента 15 с помощью рукоятки 24 датчики отслеживают положение инструмента в трех координатах. При поступлении сигналов с блоков управления на двигатели 8, 12, 13, подается необходимое напряжение. При работе двигателя 8 кронштейн 2 начинает совершать вращательное движение. При работе двигателя 12 шкив 9, вместе с закрепленным на его боковой поверхности линейным двигателем 13 с инструментом 15 внутри него, может совершать вращательные и угловые перемещения, которые препятствуют дальнейшему перемещению инструмента 15 оператором, тем самым создавая тактильные ощущения на рукоятке 24. Гибкая связь 7 и 11 исключает возникновение трения скольжения характерного для зубчатых передач, это позволяет повысить точность тактильных ощущений, заданных программой, на инструмент 15.Data on the position of the tool in a linear electromagnetic motor 13 can be used in a simulated virtual space, where the position of the virtual tool will be synchronized with the position of the tool 15 in three-dimensional space. The interface unit 16 receives the signals specified by the program 17, and the control signals 21, 22, 23 are received in the engine control units 18, 19, 20 (Fig. 2, 3). When moving the tool 15 using the handle 24, the sensors track the position of the tool in three coordinates. Upon receipt of signals from the control units to the engines 8, 12, 13, the necessary voltage is supplied. When the engine 8, the bracket 2 begins to rotate. When the engine 12 is operating, the pulley 9, together with the linear motor 13 mounted on its side surface with the tool 15 inside it, can perform rotational and angular movements that prevent the further movement of the tool 15 by the operator, thereby creating tactile sensations on the handle 24. Flexible connection 7 and 11 eliminates the occurrence of sliding friction characteristic of gears, this improves the accuracy of tactile sensations specified by the program on the tool 15.

При подаче сигнала 23 на блок управления 20 линейным электромагнитным двигателем 13, подается заданное напряжение на катушки 25 (фиг. 4). Магнитное поле, возникающее в катушках, взаимодействует с магнитами 26 в инструменте 15 и создает усилие, препятствующее (тормозящее) линейному перемещению инструмента оператором. Усилие, препятствующее линейному перемещению инструмента, регулируется подаваемым напряжением на катушки 25. Так как катушки 25 в линейном двигателе 13 круглые, то воздействие на инструмент равное со всех сторон и подшипники скольжения 27 испытывают лишь незначительные нагрузки. Сила трения в механизме генерации обратной тактильной связи при свободном перемещении инструмента 15 величина практически постоянная, такой она сохранится и при торможении электромагнитным полем. Противодействие перемещениям инструмента 15, посредством электромагнитных полей, осуществляется бесконтактным способом, это и позволяет повысить точность тактильных ощущений, заданных программой, чему способствует тот факт, что повторяемость позиционирования в линейном электромагнитном двигателе составляет ±5 микрометров.When a signal 23 is supplied to the control unit 20 by a linear electromagnetic motor 13, a predetermined voltage is supplied to the coils 25 (Fig. 4). The magnetic field arising in the coils interacts with magnets 26 in the tool 15 and creates a force that prevents (inhibiting) the linear movement of the tool by the operator. The force that prevents the linear movement of the tool is regulated by the applied voltage to the coils 25. Since the coils 25 in the linear motor 13 are round, the impact on the tool is equal on all sides and the bearings 27 experience only minor loads. The friction force in the mechanism for generating feedback tactile communication with the free movement of the tool 15 is almost constant, it will remain the same when braking with an electromagnetic field. The movement of the tool 15, through electromagnetic fields, is counteracted by a non-contact method, and this improves the accuracy of the tactile sensations set by the program, which is facilitated by the fact that the positioning repeatability in a linear electromagnetic motor is ± 5 micrometers.

Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию обладает тремя степенями свободы, более прост в конструктивном решении и требует меньших затрат на его изготовление (нет зубчатых передач, сферических механизмов и др.) и может найти применение в манипуляторах, медицинских тренажерах и других устройствах. Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию в настоящее время изготовлен, прошел всесторонние испытания и будет использоваться в ряде медицинских тренажеров.The mechanism for generating tactile feedback on a tool by force has three degrees of freedom, is simpler in design and requires less production costs (no gears, spherical mechanisms, etc.) and can be used in manipulators, medical simulators and other devices. The mechanism for generating feedback tactile feedback on the instrument by force is currently manufactured, has passed comprehensive tests and will be used in a number of medical simulators.

Claims

The mechanism for generating tactile feedback on the instrument by force, containing linear, rotational and angular movements of the instrument with sensors for tracking the movements of the instrument, with the creation of predetermined forces that impede the movement of the instrument to provide tactile sensations, characterized in that the bracket is mounted on a box-shaped base of rectangular cross section which is fixedly mounted on a vertical shaft of rotation, interacting with a flexible connection with the engine mounted inside the base, in the upper part of the bracket mounted rotating shaft with a pulley connected to a flexible coupling to the motor bracket, wherein the side surface of the pulley fixed linear electromagnetic motor disposed within the tubular tool with magnets inside.