RU2639800C2

RU2639800C2 - Mechanism for effort generation on medical instrument simulator

Info

Publication number: RU2639800C2
Application number: RU2015117826A
Authority: RU
Inventors: Ленар Наилевич Валеев; Рамиль Хатямович Зайнуллин; Владимир Александрович Андряшин; Александр Алексеевич Литвинов; Рамиль Талгатович Гайнутдинов; Александр Викторович Лушанин; Вагиз Камильевич Ягафаров; Артур Раисович Валеев; Леонид Анатольевич Корнилов; Алексей Леонидович Ларионов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Медицина"
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2017-12-22
Also published as: RU2015117826A; WO2016182477A1

Abstract

FIELD: medicine.SUBSTANCE: invention relates to a device providing reverse tactile sensations when manipulating a medical instrument simulator and can be used in medical simulation trainers for endoscopic surgery, during virtual medical intervention modelling, where the surgeon performs training surgery in a simulated environment, using medical instruments simulators similar to real instruments. The mechanism for force generation on a medical instrument simulator contains devices for linear, rotational and angular movements of the instrument with sensors for instrument movements tracking. The device for linear movement of the instrument is made in the form of a linear electromagnetic motor with a medical instrument inside with magnets located therein. Device of rotational and angular movement of the instrument is implemented as a basis on which the stator of the first engine is fixed, with a bracket attached to its rotor with the second engine stator fixed thereon, with a linear solenoid engine attached to the rotor and coupled with an engine control unit. The first engine and the second engine are solenoid engines with a controlled stator magnetic field and are connected to the engine control unit.EFFECT: invention allows to generate a uniform force and to keep the mechanism freedom axes in the given position, excluding the phenomena of uneven force influence on the medical instrument simulator during operation.1 dwg

Description

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.The invention relates to medical equipment, to a device providing inverse tactile sensations when manipulating a simulator of a medical instrument. The mechanism can be used in medical simulators of endoscopic surgery, in the simulation of virtual medical intervention, where the surgeon performs a surgical training operation in a simulated environment, operating with simulators of medical instruments similar to real instruments.

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.Known patent (US 8764448 B2, 09/01/2010) "Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training", "Robotic device for use in surgical robot-assisted training under visual control." Robotic device for use in surgical robot-assisted training under visual control, a robotic device combines the structure of a manual interface designed to simulate the management of a surgical instrument; translational mechanism of translational movement of the structure of the manual interface; rotational mechanism of the rotational movement of the structure of the manual interface; and a spherical mechanism for separating the orientation of the structure of the manual interface into spatial coordinates, where the connections between the rotational mechanism, the rotational mechanism and the spherical mechanism, and the structure of the manual interface are located on opposite sides of the intersection of the transverse axis and the vertical axis of the spherical mechanism.

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.Known patent (US 7023423 B2, 01/18/1995) “Laparoscopic simulation interface”, “Laparoscopic simulation interface”. Method and apparatus for providing a high range of operating frequencies and low-frequency noise of mechanical input-output of computer systems. The articulated mechanism provides two rotational degrees of freedom for the object with respect to two axes of rotation. The linear axis element is connected to the articulated mechanism at the intersection point of the two rotation axes. The linear axis element can be moved along the third axis to provide a third degree of freedom. The user-defined object is associated with a linear axis element, and thus can be moved along the third axis, so that the object can be moved along all three degrees of freedom. Transducers associated with the degrees of freedom provided include sensors and actuators and provide an electromechanical interface between the facility and the digital processing system. The driving axis drives the transmitted force of the mechanisms between the transducers and the object. The linear axis element can also rotate about its longitudinal axis to provide the fourth degree of freedom and, in some cases, the hinge mechanism not fixed to the axis is connected with the linear axis element to provide the fifth and sixth degrees of freedom of the object. The transducer sensors are connected to the fourth, fifth and sixth degrees of freedom. The interface is suitable for simulating medical procedures and simulations in which an object, such as a stylus or joystick, moves and is controlled by the user.

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.The well-known "Mechanism of generating feedback tactile feedback on the instrument by force" taken by us as a prototype (patent for utility model RU 139350). The mechanism comprises devices of linear, rotational and angular movements of the instrument with sensors for tracking the movements of the instrument to provide tactile sensations. A bracket is mounted on a box-shaped base of rectangular cross section, which is fixedly mounted on a vertical shaft of rotation, interacting by a flexible connection with an engine installed inside the base. And in the upper part of the bracket there is a shaft with a pulley connected by a flexible connection to the motor on the bracket, while on the side surface of the pulley there is a linear electromagnetic motor with a tubular tool placed inside with magnets inside. The disadvantage of this mechanism is the uneven effort generated by the medical tool on the simulator, there is no possibility of holding the axes of freedom of the mechanism in a given position, the disadvantage is the use of collector motors in the mechanism, the presence of gearboxes and transition mechanisms between the engines and the freedom axis.

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.The technical task is to create a mechanism for generating efforts on the simulator of a medical instrument that allows you to generate uniform force and keep the axis of freedom of the mechanism in a given position, eliminating the phenomenon of uneven force on the simulator of a medical instrument during operation.

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.The technical problem to be solved in the mechanism of generating a force on a simulator of a medical instrument, comprising linear, rotational and angular displacements of the instrument with sensors for tracking instrument movements, where the linear displacement of the instrument is made in the form of a linear electromagnetic motor with a simulated medical instrument with magnets inside achieved by that the device rotational and angular movement of the tool is made in the form of a base on which to close the stator of the first motor is captured, the rotor of which is attached to the bracket with the stator of the second motor fixed to it, the rotor of which is attached a linear electromagnetic motor connected to the engine control unit, while the first motor and the second motor are electromagnetic motors with a controlled magnetic field of the stator and are connected to engine control unit.

На чертеже представлен общий вид механизма генерации усилия на имитатор медицинского инструмента.The drawing shows a General view of the mechanism for generating effort on a simulator of a medical instrument.

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.The mechanism for generating a force on the simulator of a medical instrument contains a base 1 on which the stator of the first engine 2 is fixed, to the rotor 3 of which the bracket 4 is attached. On the bracket 4 is fixed the stator of the second motor 5, to the rotor 6 of which is attached a linear electromagnetic motor 7 with a tool tracking sensor (not shown) and a medical tool simulator installed inside it 8. The engine control unit 9 is mounted on the base 1. The tracking sensors for the tool 10, 11 are mounted on the base 1 and on the bracket eyne 4, respectively, and are connected to the engine control unit 9. The first motor, a second motor and a linear electromagnetic motor 7 connected to the engine control unit 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.The first and second motors are made in the form of motors with a controlled magnetic field of the stator (valve motor). In valve motors, the microprocessor controls the currents in the stator windings by controlling power switches (valves). The microprocessor analyzes the information from the rotor position sensors and, due to the PWM signal and power key control, supplies the necessary voltage to the stator coils, thus controlling the stator magnetic field vector so as to maintain the maximum rotor torque. Electronic control of the stator magnetic field vector allows at any time to maintain the same force on the rotor when it rotates, unlike collector motors, where the stator coils are mechanically switched, as a result of which the rotor forces are uneven at every moment of time. Also, controlling the stator magnetic field vector allows the axis of freedom of the mechanism to be held in a predetermined position, while the stator magnetic field vector is in a constant direction, the rotor rotates in accordance with the set stator magnetic field vector and remains in this position, which is impossible in collector motors.

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.A description of the operation and control of valve motors is published in the following sources: German-Galkin S.G. Chapter 9. Model design of synchronous mechatronic systems // Matlab & Simulink. Design of mechatronic systems on a PC. - St. Petersburg: CORONA-VEC, 2008. - 368 s - ISBN 978-5-903383-39-9; Bortsov Yu.A., Sokolovsky G.G. Chapter 8. Adaptively modal control in servo systems with contactless torque motors // Automated electric drive with elastic couplings. - 2nd ed., Revised. and add. - St. Petersburg: Energoatomizdat, 1992. - 288 s - ISBN 5-283-04544-7; Sokolovsky G.G. Electric drives of alternating current with frequency regulation. - M .: "Academy", 2006. - 272 s-ISBN 5-7695-2306-9. Mikerov A.G. Controlled Low-Power Valve Motors: A Training Manual. - SPb: SPbGETU, 1997. - 64 p.

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.The first and second motors are made in the form of a brushless synchronous three-phase motor, which is a stator magnetic field controlled motor, model iPower GBM8108-90T from iFlight-RC Ltd (http://www.iflight-rc.com). The tool tracking sensors 10, 11 are based on the linear encoder model AS5311 of AMS AG (http://www.ams.com). The engine control unit 9 is based on a microprocessor.

Рассмотрим в работе механизм генерации усилия на имитатор медицинского инструмента.Consider in the work the mechanism of generating effort on a simulator of a medical instrument.

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.During work, the student makes manipulations with the simulator of the medical instrument 8 installed in the mechanism, performing a surgical training operation in a virtual environment simulated, for example, by a computer (not shown), while the position of the simulator of the medical instrument 8 is synchronized with the position of the virtual instrument. A simulator of a medical instrument 8 is installed in the mechanism, its position is monitored in three coordinates by sensors for tracking the tool 10, 11 and a sensor for tracking the tool (not shown) in a linear electromagnetic motor 7 and is used to build a virtual picture of the operation. When the engines are off, the simulator of the medical instrument 8 moves freely in three coordinates, due to the free rotation of the rotor of the first engine 3, the rotor of the second motor 6 and linear displacement in the linear electromagnetic motor 7, only the position of the simulator of the medical instrument 8 is monitored.

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.In the interaction of a virtual medical instrument with an object in a simulated environment (with a virtual organ, other instrument or other), a computer (not shown) sends a signal to the engine control unit 9 about the direction and magnitude of the force, the engine control unit 9 supplies a control voltage to the stator of the first engine 2, the stator of the second motor 5 or the linear electromagnetic motor 7, while a force is generated on the simulator of the medical instrument 8, which impedes the movement of the instrument. When a control voltage is applied to the stator of the first engine 2, the base 1 and the stator of the first engine 2 remain stationary, and the rotor of the first engine 3 starts to rotate together with the bracket 4, the second motor and the linear electromagnetic motor 7, thus simulating the force on the simulator medical instrument 8. When a control voltage is applied to the stator of the second engine 5, the rotor of the second engine 6 begins to rotate together with the linear electromagnetic motor 7, thus simulating the force on the simulator of the medical instrument 8. When a control voltage is applied to the linear electromagnetic motor 7, the simulator of the medical instrument 8 with magnets inside begins to translate along the axis of the linear electromagnetic motor 7, thereby simulating the force on the simulator of the medical instrument 8 Due to the fact that the first and second motors are motors with a controlled stator magnetic field, as well as the absence of transitional mechanisms between the motor and the axis of rotation ( stereochki or flexible connection), the effort that they create on the simulator of a medical instrument 8 will be uniform.

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.Let us consider the operation algorithm of the engine control unit 9. The first and second engines are calibrated by applying a control voltage to the stator of the first 2 and the stator of the second 5 engine with a discrete step, they rotate the magnetic field vector of the stator of each engine, after which the rotor of the corresponding engine rotates, during rotation register values from the tool tracking sensors 10 and 11 for the first and second engine, respectively, as a result, an array is formed for each engine, respectively Corollary values "position of the magnetic field of the stator" a "position of the rotor." An array of correspondence between the values of the “position of the stator magnetic field” and the “position of the rotor” allows precise control of the engine and at any time to create the necessary direction and magnitude of force on the motor rotor. The engine control unit 9 receives information about the position of the rotor of the first 3 and second 6 engines from the sensors for tracking the tool 10 and 11, using an array of matching values of the "position of the magnetic field of the stator" with the "position of the rotor" supplies the control voltage to the stator of the first 2 or stator of the second 5 engine, so that on the rotor of the first 3 or rotor of the second 6 engine, respectively, a torque occurs, to create a force on the simulator of the medical instrument 8. The engine control unit 9 receives information from a tracking sensor (not shown) in a linear electromagnetic motor 7 about the position of the simulator of a medical instrument 8 inside the linear electromagnetic motor 7. The engine control unit 9 supplies a control voltage to the linear electromagnetic motor 7, the coils inside the engine generate a magnetic field that interacts with the magnets inside the simulator medical tool 8, thus creating a force on the simulator of a medical tool 8.

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.The retention of the axes of freedom of the mechanism in a given position is as follows. The engine control unit 9 receives information about the position of the rotor of the first 3 and the rotor of the second 6 engine from the sensors for tracking the tool 10 and 11, respectively, using the array of correspondence of the values of the “stator magnetic field position” with the “rotor position”, the engine control unit 9 supplies the control voltage to the coils the stator of the first 2 or the stator of the second 5 engine, so that the position of the stator magnetic field corresponds to the current position of the rotor, while fixing the position of the stator magnetic field in When the rotate of the first 3 or rotor of the second 6 engine from the preset position, the control unit does not have a torque, it occurs when you try to rotate the rotor in one or the other direction from the specified position when manipulating the simulator of the medical instrument 8. motors 9 supplies the control voltage to the stator of the engine, seeking to rotate the rotor to a predetermined position. To hold the simulator of a medical instrument 8 inside a linear electromagnetic motor 7, the engine control unit 9 captures information from the instrument tracking sensor (not shown) about the position of the simulator of a medical instrument 8 and, when displaced relative to a fixed position, supplies a control voltage to the linear electromagnetic motor 7 so that return the simulator of the medical instrument 8 to a predetermined position. Keeping the axes of freedom of the mechanism in a predetermined position allows you to simulate the force on the simulator of a medical instrument 8, which occurs when a medical instrument grabs an object in a virtual environment, which cannot be done using collector engines.

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.The mechanism for generating the force on the simulator of a medical instrument contains motors with a controlled stator magnetic field, the precise control of which makes it possible to generate uniform force on the simulator of a medical instrument and keep the axis of freedom of the mechanism in a predetermined position.

Claims

A mechanism for generating a force on a medical tool simulator containing linear, rotational and angular tool movements with instrument movement tracking sensors, where the tool linear movement device is made in the form of a linear electromagnetic motor with a medical tool simulator placed inside with magnets inside, characterized in that rotational and angular movement of the tool is made in the form of a base on which the stator of the first motor is fixed , The rotor of which is fixed bracket mounted thereon the stator of the second motor, to which rotor is secured a linear electromagnetic motor coupled to the engine control unit, wherein the first motor and second motor are electromagnetic motors controlled by the magnetic field of the stator and connected to the engine control unit.