WO2016182477A1 - Mechanism for generating a force on a simulator of a medical apparatus - Google Patents
Mechanism for generating a force on a simulator of a medical apparatus Download PDFInfo
- Publication number
- WO2016182477A1 WO2016182477A1 PCT/RU2016/000268 RU2016000268W WO2016182477A1 WO 2016182477 A1 WO2016182477 A1 WO 2016182477A1 RU 2016000268 W RU2016000268 W RU 2016000268W WO 2016182477 A1 WO2016182477 A1 WO 2016182477A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- motor
- stator
- simulator
- rotor
- linear
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
-
- G—PHYSICS
- G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
- G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
- G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
- G09B23/28—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for medicine
Definitions
- the technical field 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 modeling 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.
- a 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 connection between the rotational mechanism, the rotational mechanism and the spherical the mechanism and 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.
- 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 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 a fourth degree of freedom, and, in some cases, an articulated mechanism not fixed to the axis is connected to 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.
- 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 rotation shaft, interacting with 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 a linear electromagnetic motor is fixed, with a tubular tool 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.
- 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.
- the technical problem to be solved is in the mechanism for generating the force on the simulator of a medical instrument, comprising linear, rotational and angular movements of the instrument with sensors for tracking the movements of the instrument, where the linear displacement of the instrument is made in the form of a linear electromagnetic motor with an inside simulator a medical tool with magnets inside is achieved by the fact that the device for rotational and angular movement of the tool is made in the form of a base on which the stator of the first engine is fixed, to the rotor of which is attached a bracket with a stator of the second motor fixed to it, to the rotor of which is connected a linear electromagnetic motor connected to the block motor control, the first motor and the second motor are electromagnetic motors with a controlled magnetic field of the stator and are connected to Locke motor control.
- Figure 1 presents a General view of the mechanism for generating efforts on a simulator of a medical instrument.
- 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 tool tracking sensors 10, 1 1 are mounted on the base 1 and on the bracket 4, respectively, and are connected to the engine control unit 9.
- the first engine, the second engine and the linear electromagnetic motor 7 are connected to the engine control unit 9.
- the first and second motors are made in the form of motors with a controlled magnetic field of the stator (valve motor).
- 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.
- controlling the stator magnetic field vector allows you to keep the axis of freedom of the mechanism in a predetermined position, while setting the stator magnetic field vector to a constant direction, the rotor rotates in accordance with the set stator magnetic field vector and remains in this position, which is not possible in collector motors.
- 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, 1 1 are made on the basis of the linear encoder model AS531 1 of the company AMS AG (http: // www. Ams.com).
- the engine control unit 9 is based on a microprocessor.
- the medical instrument simulator 8 moves freely in three coordinates, due to the free rotation of the rotor of the first motor 3, the rotor of the second motor 6 and linear displacement in the linear electromagnetic motor 7, only the position of the medical instrument simulator 8 is tracked.
- the virtual medical instrument interacts with object in a simulated environment (with a virtual organ, other instrument or other) computer (not shown) sends to the engine control unit 9 a signal about direction and magnitude of effort, control unit motors 9 supplies a control voltage to the stator of the first motor 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 that prevents the tool from moving.
- first and second motors are motors with a controlled magnetic field of the stator, as well as the absence of transitional mechanisms between the motor and the axis of rotation ( esterenok or flexible coupling) force which they produce on the medical instrument 8 simulator will be uniform.
- 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 log values from the sensors for tracking the tool 10 and 11 for the first and second motor, respectively, as a result, for each motor an array of correspondence of the values of the "position of the stator magnetic field" with the "position of the rotor" is formed.
- 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 the linear electromagnetic motor 7 about the position of the medical tool simulator 8 inside the linear electromagnetic motor 7.
- the engine control unit 9 supplies the control voltage to the linear electromagnetic motor 7, the coils inside the engine generate a magnetic field that interacts with the magnets inside the medical simulator tool 8, thus creating a force on the simulator of a medical tool 8.
- the engine control unit 9 receives information about the position of the rotor of the first 3 and the rotor of the second 6 engines from the sensors for tracking the tool 10 and 1 1, respectively, using the array of matching values of the "position of the magnetic field of the stator" with the "position of the rotor” the engine control unit 9 feeds the control voltage to the stator coils of the first 2 or 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, as a result, there is no torque at the moment of rotation of the motor, it occurs when you try to rotate the rotor in one or the other direction from the specified position, when manipulating the simulator of a medical instrument 8.
- the control unit delivers a control voltage to the motor stator tends to rotate the rotor to a predetermined position.
- the engine control unit 9 captures information from the instrument tracking sensor (not shown) about the position of the simulator of the medical instrument 8 and, when displaced relative to the 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.
- 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.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Surgery (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Business, Economics & Management (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Algebra (AREA)
- Educational Administration (AREA)
- Educational Technology (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Instructional Devices (AREA)
- Linear Motors (AREA)
Abstract
Description
Механизм генерации усилия на имитатор медицинского Mechanism of generating effort on a medical simulator
инструмента instrument
Область техники 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 technical field 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 modeling 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.
Предшествующий уровень техники State of the art
Известен патент (US 8764448 В2, 01.09.2010г.), «Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training)), «Роботизированное устройство для использования при хирургическом робото- ассистированном обучении под визуальным контролем». Роботизированное устройство для использования при хирургическом робото-ассистированном 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 ". A 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 connection between the rotational mechanism, the rotational mechanism and the spherical the mechanism and 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, 18.01.1995г.), 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 a fourth degree of freedom, and, in some cases, an articulated mechanism not fixed to the axis is connected to 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 for generating feedback tactile feedback on an instrument by force” taken by us as a prototype (patent for useful 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 rotation shaft, interacting with 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 a linear electromagnetic motor is fixed, with a tubular tool 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.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
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 is in the mechanism for generating the force on the simulator of a medical instrument, comprising linear, rotational and angular movements of the instrument with sensors for tracking the movements of the instrument, where the linear displacement of the instrument is made in the form of a linear electromagnetic motor with an inside simulator a medical tool with magnets inside is achieved by the fact that the device for rotational and angular movement of the tool is made in the form of a base on which the stator of the first engine is fixed, to the rotor of which is attached a bracket with a stator of the second motor fixed to it, to the rotor of which is connected a linear electromagnetic motor connected to the block motor control, the first motor and the second motor are electromagnetic motors with a controlled magnetic field of the stator and are connected to Locke motor control.
Краткое описание чертежей Brief Description of the Drawings
На фиг.1 представлен общий вид механизма генерации усилия на имитатор медицинского инструмента. Figure 1 presents a General view of the mechanism for generating efforts on a simulator of a medical instrument.
Осуществление изобретения The implementation of the invention
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, 1 1 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 tool tracking sensors 10, 1 1 are mounted on the base 1 and on the bracket 4, respectively, and are connected to the engine control unit 9. The first engine, the second engine and the linear electromagnetic motor 7 are 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. Так же 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 не возможно 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 you to keep the axis of freedom of the mechanism in a predetermined position, while setting the stator magnetic field vector to a constant direction, the rotor rotates in accordance with the set stator magnetic field vector and remains in this position, which is not possible 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-ое 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.— 64с. 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, 1 1 выполнены на основе линейного энкодера модель AS531 1 компании AMS AG (http://www. ams.com). Блок управления двигателями 9 выполнен на основе микропроцессора. 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. — SPb .: KORONA-Vek, 2008. — 368 pp. — ISBN 978-5-903383-39-9; Bortsov Yu.A., Sokolovsky G.G. Chapter 8. Adaptive-modal control in servo systems with contactless torque motors // Automated electric drive with elastic connections. - 2nd ed., Revised. and additional - 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 valve motors of low power: Textbook. - SPb: SPbGETU, 1997.— 64с. 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, 1 1 are made on the basis of the linear encoder model AS531 1 of the company 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. 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, 1 1 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. 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 так же отсутствие переходных механизмов между двигателем и осью вращения (шестеренок или гибкой связи), усилие которое они создают на имитаторе медицинского инструмента 8 будет равномерным. Consider in the work the mechanism of generating effort on a simulator of a medical instrument. 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, 1 1 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. With the engines turned off, the medical instrument simulator 8 moves freely in three coordinates, due to the free rotation of the rotor of the first motor 3, the rotor of the second motor 6 and linear displacement in the linear electromagnetic motor 7, only the position of the medical instrument simulator 8 is tracked. When the virtual medical instrument interacts with object in a simulated environment (with a virtual organ, other instrument or other) computer (not shown) sends to the engine control unit 9 a signal about direction and magnitude of effort, control unit motors 9 supplies a control voltage to the stator of the first motor 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 that prevents the tool from moving. 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 motor 5, the rotor of the second motor 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 magnetic field of the stator, as well as the absence of transitional mechanisms between the motor and the axis of rotation ( esterenok or flexible coupling) force which they produce on the medical instrument 8 simulator 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 log values from the sensors for tracking the tool 10 and 11 for the first and second motor, respectively, as a result, for each motor an array of correspondence of the values of the "position of the stator magnetic field" with the "position of the rotor" is formed. 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 the linear electromagnetic motor 7 about the position of the medical tool simulator 8 inside the linear electromagnetic motor 7. The engine control unit 9 supplies the control voltage to the linear electromagnetic motor 7, the coils inside the engine generate a magnetic field that interacts with the magnets inside the medical simulator 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 1 1 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 линеный 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 engines from the sensors for tracking the tool 10 and 1 1, respectively, using the array of matching values of the "position of the magnetic field of the stator" with the "position of the rotor" the engine control unit 9 feeds the control voltage to the stator coils of the first 2 or 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, as a result, there is no torque at the moment of rotation of the motor, it occurs when you try to rotate the rotor in one or the other direction from the specified position, when manipulating the simulator of a medical instrument 8. When the rotor of the first 3 or rotor of the second 6 engine is strongly deflected, predetermined position, motor 9, the control unit delivers a control voltage to the motor stator tends to rotate the rotor to a predetermined position. To hold the simulator of the medical instrument 8 inside the 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 the medical instrument 8 and, when displaced relative to the 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
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015117826 | 2015-05-12 | ||
| RU2015117826A RU2639800C2 (en) | 2015-05-12 | 2015-05-12 | Mechanism for effort generation on medical instrument simulator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2016182477A1 true WO2016182477A1 (en) | 2016-11-17 |
Family
ID=57248233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2016/000268 Ceased WO2016182477A1 (en) | 2015-05-12 | 2016-05-04 | Mechanism for generating a force on a simulator of a medical apparatus |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2639800C2 (en) |
| WO (1) | WO2016182477A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10810907B2 (en) | 2016-12-19 | 2020-10-20 | National Board Of Medical Examiners | Medical training and performance assessment instruments, methods, and systems |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2679110C1 (en) * | 2017-11-29 | 2019-02-05 | Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос - Медицина" | Ventriculoscope simulator |
| RU181387U1 (en) * | 2017-11-29 | 2018-07-11 | Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Медицина" | Ventriculoscope simulator |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020018046A1 (en) * | 1995-01-18 | 2002-02-14 | Immersion Corporation | Laparoscopic simulation interface |
| RU128762U1 (en) * | 2012-11-13 | 2013-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Медицина" | HYBRID MEDICAL SIMULATOR LAPAROSCOPY |
| US20130224710A1 (en) * | 2010-09-01 | 2013-08-29 | Agency For Science, Technology And Research | Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training |
| RU139350U1 (en) * | 2013-12-16 | 2014-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Медицина" | TACTICAL FEEDBACK GENERATION MECHANISM FOR EFFORT TOOL |
-
2015
- 2015-05-12 RU RU2015117826A patent/RU2639800C2/en active
-
2016
- 2016-05-04 WO PCT/RU2016/000268 patent/WO2016182477A1/en not_active Ceased
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20020018046A1 (en) * | 1995-01-18 | 2002-02-14 | Immersion Corporation | Laparoscopic simulation interface |
| US20130224710A1 (en) * | 2010-09-01 | 2013-08-29 | Agency For Science, Technology And Research | Robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training |
| RU128762U1 (en) * | 2012-11-13 | 2013-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Медицина" | HYBRID MEDICAL SIMULATOR LAPAROSCOPY |
| RU139350U1 (en) * | 2013-12-16 | 2014-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Эйдос-Медицина" | TACTICAL FEEDBACK GENERATION MECHANISM FOR EFFORT TOOL |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10810907B2 (en) | 2016-12-19 | 2020-10-20 | National Board Of Medical Examiners | Medical training and performance assessment instruments, methods, and systems |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2639800C2 (en) | 2017-12-22 |
| RU2015117826A (en) | 2016-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Casadio et al. | Braccio di Ferro: a new haptic workstation for neuromotor rehabilitation | |
| Salcudean et al. | A robot system for medical ultrasound | |
| CN108430375B (en) | Robotic system and method of back-driving the same | |
| EP3123284B1 (en) | System and method for virtual feedback with haptic devices | |
| US20100032255A1 (en) | Force-feedback device and method | |
| WO2012030304A1 (en) | A robotic device for use in image-guided robot assisted surgical training | |
| US10559226B2 (en) | Drive for generating force-related tactile feedback on an instrument | |
| RU154843U1 (en) | EFFORT GENERATION MECHANISM FOR A MEDICAL INSTRUMENT SIMULATOR | |
| RU2639800C2 (en) | Mechanism for effort generation on medical instrument simulator | |
| Chu et al. | Co-actuation: A method for achieving high stiffness and low inertia for haptic devices | |
| Rauter et al. | A tendon-based parallel robot applied to motor learning in sports | |
| RU139350U1 (en) | TACTICAL FEEDBACK GENERATION MECHANISM FOR EFFORT TOOL | |
| Mintenbeck et al. | Design of a modular, flexible instrument with integrated DC-motors for minimal invasive robotic surgery | |
| Bauer et al. | Direct drive hand exoskeleton for robot-assisted post stroke rehabilitation | |
| Alruwaili et al. | Haptic-Enhanced Virtual Reality Simulator for Robot-Assisted Femur Fracture Surgery | |
| Rizun et al. | Mechatronic design of haptic forceps for robotic surgery | |
| Pillai et al. | Sensorless based gravity torque estimation and friction compensation for surgical robotic system | |
| Dusarlapudi et al. | Design and prototyping of an accelerometer based parallel manipulator for endoscope position control | |
| CN107945603A (en) | A kind of device for force feedback of two-freedom virtual operation | |
| Barbé et al. | Design and evaluation of a linear haptic device | |
| RU167391U1 (en) | The mechanism for generating efforts on a simulator of a medical instrument | |
| Łacki et al. | Towards the Ideal Haptic Device: Review of Actuation Techniques for Human-Machine Interfaces | |
| Korayem et al. | Design and programming a graphical user interface for the IcasBot robot using LabVIEW | |
| RU139309U1 (en) | DRIVE TACTICAL FEEDBACK DRIVE FOR EFFORT TOOL | |
| Pisla et al. | On the dynamics of a 5 DOF parallel hybrid robot used in minimally invasive surgery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 16793081 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 16793081 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |