[1]Изобретение относится к медицинской технике, к устройству, обеспечивающему обратные тактильные ощущения при манипулировании имитатором медицинского инструмента. Механизм может быть использован в медицинских тренажерах эндоскопической хирургии, при моделировании виртуального медицинского вмешательства, где хирург проводит тренировочную хирургическую операцию в моделируемой среде, оперируя имитаторами медицинских инструментов, подобными реальным инструментам.
[2]Известен патент (US 8764448 В2, 01.09.2010 г.) «Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training», «Роботизированное устройство для использования при хирургическом роботоассистированном обучении под визуальным контролем». Роботизированное устройство для использования при хирургическом роботоассистированном обучении под визуальным контролем, роботизированное устройство сочетает в себе структуру ручного интерфейса, предназначенного для имитации управления хирургическим инструментом; поступательный механизм поступательного движения структуры ручного интерфейса; вращательный механизм вращательного движения структуры ручного интерфейса; и сферический механизм, предназначенный для разделения ориентации структуры ручного интерфейса на пространственные координаты, где связи между вращательным механизмом, вращательным механизмом и сферическим механизмом, и структурой ручного интерфейса расположены на противоположных сторонах пересечения поперечной оси и вертикальной оси сферического механизма.
[3]Известен патент (US 7023423 В2, 18.01.1995 г.) «Laparoscopic simulation interface», «Лапароскопический симуляционный интерфейс». Метод и аппарат для обеспечения высокого диапазона рабочих частот и низкочастотного шума механического ввода-вывода компьютерных систем. Шарнирный механизм обеспечивает две вращательные степени свободы для объекта относительно двух осей вращения. Элемент линейной оси связан с шарнирным механизмом в точке пересечения двух осей вращения. Элемент линейной оси может быть перемещен вдоль третьей оси для обеспечения третьей степени свободы. Пользовательский объект связан с элементом линейной оси и, таким образом, может быть перемещен вдоль третей оси, так чтобы объект мог быть перемещен вдоль всех трех степеней свободы. Преобразователи, связанные с обеспечиваемыми степенями свободы, включают в себя датчики и приводы и обеспечивают электромеханический интерфейс между объектом и цифровой системой обработки. Ведущая ось приводит в действие передаваемое усилие механизмов между преобразователями и объектом. Элемент линейной оси может также вращаться относительно его продольной оси для обеспечения четвертой степени свободы и, в некоторых случаях, не закрепленный на оси шарнирный механизм связан с элементом линейной оси для обеспечения пятой и шестой степеней свободы объекта. Датчики преобразователя соединены с четвертой, пятой и шестой степенями свободы. Интерфейс подходит для симуляции медицинских процедур и симуляций, в которых объект, такой как стило или джойстик, движется и управляется пользователем.
[4]Известен «Механизм генерации обратной тактильной связи на инструмент по усилию» взятый нами за прототип (патент на полезную модель RU 139350). Механизм содержит устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента для обеспечения тактильных ощущений. 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 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. Недостаток данного механизма заключается в неравномерности усилия генерируемого на имитатор медицинского инструмента, отсутствует возможность удерживания осей свободы механизма в заданном положении, причиной недостатков является использование в механизме коллекторных двигателей, наличие редукторов и переходных механизмов между двигателями и осью свободы.
[5]Техническая задача заключается в создании механизма генерации усилия на имитатор медицинского инструмента, позволяющего генерировать равномерное усилие и удерживать оси свободы механизма в заданном положении, исключение явления неравномерности силового воздействия на имитатор медицинского инструмента в процессе работы.
[6]Решаемая техническая задача в механизме генерации усилия на имитатор медицинского инструмента, содержащий устройства линейного, вращательного и углового перемещений инструмента с датчиками слежения за перемещениями инструмента, где устройство линейного перемещения инструмента выполнено в виде линейного электромагнитного двигателя с размещенным внутри имитатором медицинского инструмента с магнитами внутри достигается тем, что устройства вращательного и углового перемещения инструмента выполнены в виде основания, на котором закреплен статор первого двигателя, к ротору которого прикреплен кронштейн с закрепленным на нем статором второго двигателя, к ротору которого прикреплен линейный электромагнитный двигатель, соединенный с блоком управления двигателями, при этом первый двигатель и второй двигатель являются электромагнитными двигателями с управляемым магнитным полем статора и соединены с блоком управления двигателями.
[7]На чертеже представлен общий вид механизма генерации усилия на имитатор медицинского инструмента.
[8]Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента содержит основание 1, на котором закреплен статор первого двигателя 2, к ротору 3 которого прикреплен кронштейн 4. На кронштейне 4 закреплен статор второго двигателя 5, к ротору 6 которого прикреплен линейный электромагнитный двигатель 7 с датчиком слежения за инструментом (не показан) и установленным внутри него имитатором медицинского инструмента 8. Блок управления двигателями 9 закреплен на основании 1. Датчики слежения за инструментом 10, 11 установлены на основании 1 и на кронштейне 4 соответственно и соединены с блоком управления двигателями 9. Первый двигатель, второй двигатель и линейный электромагнитный двигатель 7 соединены с блоком управления двигателями 9.
[9]Первый и второй двигатели выполнены в виде двигателей с управляемым магнитным полем статора (вентильный двигатель). В вентильных двигателях токами в обмотках статора управляет микропроцессор, путем управления силовыми ключами (вентилями). Микропроцессор анализирует информацию с датчиков положения ротора и за счет ШИМ сигнала и управления силовыми ключами подает на катушки статора необходимое напряжение, управляя, таким образом, вектором магнитного поля статора так, чтобы поддерживать максимальный вращающий момент ротора. Электронное управление вектором магнитного поля статора позволяет в каждый момент времени поддерживать одинаковое усилие на роторе при его вращении, в отличие от коллекторных двигателей, где происходит механическое переключение катушек статора, в результате чего существует неравномерность усилия на роторе в каждый момент времени. Также управление вектором магнитного поля статора позволяет удерживать оси свободы механизма в заданном положении, при этом задается постоянное направление вектора магнитного поля статора, ротор поворачивается в соответствии с заданным вектором магнитного поля статора и остается в этом положении, что невозможно в коллекторных двигателях.
[10]Описание работы и управления вентильных двигателей опубликовано в следующих источниках: Герман-Галкин С.Г. Глава 9. Модельное проектирование синхронных мехатронных систем // Matlab & Simulink. Проектирование мехатронных систем на ПК. - СПб.: КОРОНА-Век, 2008. - 368 с - ISBN 978-5-903383-39-9; Борцов Ю.А., Соколовский Г.Г. Глава 8. Адаптивно-модальное управление в следящих системах с бесконтактными моментными двигателями // Автоматизированный электропривод с упругими связями. - 2-е изд., перераб. и доп. - СПб: Энергоатомиздат, 1992. - 288 с - ISBN 5-283-04544-7; Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. - М.: "Академия", 2006. - 272 с-ISBN 5-7695-2306-9. Микеров А.Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности: Учебное пособие. - СПб: СПбГЭТУ, 1997. - 64 с.
[11]Первый и второй двигатели выполнены в виде бесколлекторного синхронного трехфазного двигателя, который является двигателем с управляемым магнитным полем статора, модель iPower GBM8108-90T компании iFlight-RC Ltd (http://www.iflight-rc.com). Датчики слежения за инструментом 10, 11 выполнены на основе линейного энкодера модель AS5311 компании AMS AG (http://www.ams.com). Блок управления двигателями 9 выполнен на основе микропроцессора.
[12]Рассмотрим в работе механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента.
[13]Во время работы обучаемый совершает манипуляции имитатором медицинского инструмента 8, установленным в механизме, осуществляя тренировочную хирургическую операцию в виртуальной среде, моделируемой, например, ЭВМ (не показано), при этом положение имитатора медицинского инструмента 8 синхронизировано с положением виртуального инструмента. Имитатор медицинского инструмента 8 установлен в механизме, его положение отслеживается в трех координатах датчиками слежения за инструментом 10, 11 и датчиком слежения за инструментом (не показан) в линейном электромагнитном двигателе 7 и используется для построения виртуальной картины операции. При отключенных двигателях имитатор медицинского инструмента 8 свободно перемещается в трех координатах, за счет свободного вращения ротора первого двигателя 3, ротора второго двигателя 6 и линейного перемещения в линейном электромагнитном двигателе 7 происходит только отслеживание положения имитатора медицинского инструмента 8.
[14]При взаимодействии виртуального медицинского инструмента с объектом в моделируемой среде (с виртуальным органом, другим инструментом или др.) ЭВМ (не показано) подает на блок управления двигателями 9 сигнал о направлении и величине усилия, блок управления двигателями 9 подает управляющее напряжение на статор первого двигателя 2, статор второго двигателя 5 или линейный электромагнитный двигатель 7, при этом на имитаторе медицинского инструмента 8 возникает усилие, препятствующее перемещению инструмента. При подаче управляющего напряжения на статор первого двигателя 2, основание 1 и статор первого двигателя 2 остаются неподвижными, а ротор первого двигателя 3 начинает совершать вращательное движение совместно с кронштейном 4, вторым двигателем и линейным электромагнитным двигателем 7, имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 8. При подаче управляющего напряжения на статор второго двигателя 5 ротор второго двигателя 6 начинает совершать вращательное движение совместно линейным электромагнитным двигателем 7, имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 8. При подаче управляющего напряжения на линейный электромагнитный двигатель 7 имитатор медицинского инструмента 8 с магнитами внутри начинает совершать поступательное движение вдоль оси линейного электромагнитного двигателя 7, имитируя, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 8. За счет того что первый и второй двигатели это двигатели с управляемым магнитным полем статора, а также отсутствие переходных механизмов между двигателем и осью вращения (шестеренок или гибкой связи), усилие, которое они создают на имитаторе медицинского инструмента 8, будет равномерным.
[15]Рассмотрим алгоритм работы блока управления двигателями 9. Проводят калибровку первого и второго двигателей, для этого подавая управляющее напряжение на статор первого 2 и статор второго 5 двигателя с дискретным шагом поворачивают вектор магнитного поля статора каждого двигателя вслед за которым поворачивается ротор соответствующего двигателя, в процессе поворота регистрируют значения с датчиков слежения за инструментом 10 и 11 для первого и второго двигателя соответственно, в результате для каждого двигателя формируется массив соответствия значений «положения магнитного поля статора» с «положением ротора». Массив соответствия значений «положения магнитного поля статора» с «положением ротора» позволяет осуществить точное управление двигателем и в любой момент времени создать на роторе двигателя необходимое направление и величину усилия. Блок управления двигателями 9 получает информацию о положении ротора первого 3 и второго 6 двигателя с датчиков слежения за инструментом 10 и 11, используя массив соответствия значений «положения магнитного поля статора» с «положением ротора» подает управляющее напряжение на статор первого 2 или статор второго 5 двигателя, таким образом, чтобы на роторе первого 3 или роторе второго 6 двигателя соответственно возник момент вращения, для создания усилия на имитаторе медицинского инструмента 8. Блок управления двигателями 9 получает информацию с датчика слежения (не показан) в линейном электромагнитном двигателе 7 о положении имитатора медицинского инструмента 8 внутри линейного электромагнитного двигателя 7. Блок управления двигателями 9 подает управляющее напряжение на линейный электромагнитный двигатель 7, катушки внутри двигателя генерируют магнитное поле, которое взаимодействует с магнитами внутри имитатора медицинского инструмента 8, создавая, таким образом, усилие на имитаторе медицинского инструмента 8.
[16]Удержание осей свободы механизма в заданном положении осуществляется следующим образом. Блок управления двигателями 9 получает информацию о положении ротора первого 3 и ротора второго 6 двигателей с датчиков слежения за инструментом 10 и 11 соответственно, используя массив соответствия значений «положения магнитного поля статора» с «положением ротора» блок управления двигателями 9 подает управляющее напряжение на катушки статора первого 2 или статора второго 5 двигателя, таким образом, чтобы положение магнитного поля статора соответствовало текущему положению ротора, фиксируя при этом положение магнитного поля статора, в результате на роторе двигателя в данный момент времени не возникает вращающий момент, он возникает при попытке повернуть ротор в одну или другую сторону от заданного положения при манипуляции имитатором медицинского инструмента 8. При сильном отклонении ротора первого 3 или ротора второго 6 двигателя от заданного положения блок управления двигателями 9 подает управляющее напряжение на статор двигателя, стремясь повернуть ротор до заданного положения. Для удержания имитатора медицинского инструмента 8 внутри линейного электромагнитного двигателя 7 блок управления двигателями 9 фиксирует информацию с датчика слежения за инструментом (не показан) о положении имитатора медицинского инструмента 8 и при его смещении относительно зафиксированного положения подает управляющее напряжение на линейный электромагнитный двигатель 7 так, чтобы вернуть имитатор медицинского инструмента 8 в заданное положение. Удержание осей свободы механизма в заданном положении позволяет имитировать усилие на имитаторе медицинского инструмента 8, возникающее при захвате медицинским инструментом какого-либо объекта в виртуальной среде, что невозможно сделать при использовании коллекторных двигателей.
[17]Механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента содержит двигатели с управляемым магнитным полем статора, точное управление которым позволяет генерировать равномерное усилие на имитатор медицинского инструмента и удерживать оси свободы механизма в заданном положении.
