[實用新型]一種基于電流變液的肌肉組織再現接口裝置

有效

• 申請號: 201720275019.6
• 申請日: 2017-03-21
• 公開（公告）號: CN206628187U
• 公開（公告）日: 2017-11-10
• 發明（設計）人: 戴金橋;俞阿龍;孫紅兵;葛恒清;姬保衛
• 申請（專利權）人: 淮陰師范學院
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 淮安市科文知識產權事務所32223
• 代理人: 李鋒

技術領域

本實用新型屬于虛擬現實技術領域，具體涉及一種基于電流變液的肌肉組織再現接口裝置。

背景技術

隨著社會的進步，醫學也日益共享著現代科技的發展成果，如遠程機器人手術、遠程診療、虛擬手術訓練、虛擬觸診訓練等。這些技術的發展都離不開一項關鍵技術的進步，即人機交互技術，而人機交互技術的關鍵是力觸覺再現，目前力觸覺技術已經得到長足的發展，但高保真度的力觸覺再現仍不能夠較好地滿足遠程醫療的要求，特別是機體組織的力觸覺再現技術仍需要進一步研究和開發。

目前，對機體組織力觸覺技術的研究較少，主要有以下幾種：基于彈性梁柔性觸覺再現、電磁驅動的交互設備和基于氣動人工肌肉的觸覺裝置等。也有利用已商業化的力觸覺交互設備如Sensable公司的Phantom、Immersion公司的CyberForce、Force Dimension公司的Delta、Omega手控器等，這些力觸覺交互設備基本上是機械接觸，在模擬肌體組織的柔順性和黏性特征時容易產生失真。

電流變液作為一種液體智能材料，在外加電場作用下，其流變學特性將發生劇烈變化，屈服應力也隨著電場強度的增大不斷增大，撤離電場時能夠同樣快速地恢復到液體狀態。電流變液的這種特性能夠較好的模擬肌體組織的柔順性特征，可應用于肌體組織柔順性力觸覺接口裝置的研制，但因其是耗散性的，無法模擬肌體組織的彈性特性。

總之，目前存在的用于實現人機交互的肌體組織再現接口裝置中，不管是已商業化的力覺交互裝置，還是基于這些設備開發的力觸覺交互裝置，或是其它新開發的力觸覺交互裝置，大多數由電機驅動的主動力觸覺交互裝置，主動型力觸覺交互裝置用于實現人機交互的肌體組織再現具有很大的靈活性，但存在著以下問題：（1）穩定性相對較差，這主要是由電機或其它主動驅動器自身固有的特性造成的；（2）保真性相對較差，在模擬人體肌體軟組織時，因為人體肌體組織特別是內臟組織不是完全意義上的彈性體，在受壓、切割或針刺時是非線性的彈性形變，存在一定的粘滯性特征，因此利用主動交互設備對這些組織模擬容易存在較大的失真；（3）體積較大，研究表明，產生相同大小的力，主動驅動器的體積要比被動驅動器大得多，由此造成驅動機構的慣量、摩擦力都比較大，也容易造成較大的失真；（4）能耗較大，一個電機驅動的小型商業化力反饋操縱桿對操作者施加連續的力消耗功率達到10~30瓦，而一個臺式的力反饋設備消耗的能量將更多，因此需要配備外部電源適配器，使設備的便攜性大打折扣，這也是主動力覺交互設備設計中一個很大的問題。（5）被動式力交互裝置應用于虛擬手術訓練中能夠保持較好的穩定性、安全性和較低的能耗，但無法模擬肌體組織彈性特征。

發明內容

本實用新型提供一種用于實現人機交互的基于電流變液的肌肉組織再現接口裝置，目的在于解決現有力觸覺交互裝置在模擬肌體組織的柔順性和黏性特征時容易產生失真，進而提供一種具有高保真度、能夠實現人體肌肉組織柔順性和黏性特征的人機交互接口裝置。

本實用新型通過以下技術方案實現：

一種基于電流變液的肌肉組織再現接口裝置，所述接口裝置包括第一關節（7）、第二關節（8），第一關節（7）與第二關節（8）之間設置有五根導電肌肉纖維（2），導電肌肉纖維（2）兩端分別通過第一關節肌腱（4）、第二關節肌腱（3）與第一關節（7）、第二關節（8）固定連接并于第一關節肌腱（4）、或為第二關節肌腱（3）一側端引出電極（6），第一關節（7）、第二關節（8）以及導電肌肉纖維（2）外包覆有密封導電外皮（1），密封導電外皮（1）所圍成的密閉空間內填充有電流變液（9），密封導電外皮（1）與第一關節肌腱（4）或第二關節肌腱（3）分別引出極性相反的電極（5、6），在電場作用下電流變液（9）在沿電場方向形成鏈狀結構。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述導電肌肉纖維（2）數量與關節肌腱數量相匹配。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述導電肌肉纖維（2）由彈性金屬導線材料制成。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述密封導電外皮（1）由柔性金屬材料制成。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述第一關節（7）、第二關節（8）由絕緣材料制成。

本實用新型進一步技術改進方案是：

所述導電肌肉纖維（2）、密封導電外皮（1）分別與電極（5、6）電氣連接。

本實用新型與現有技術相比，具有以下明顯優點：