[发明专利]用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置

说明书

本发明公开了用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，所述接口装置包括第一关节、第二关节，第一关节与第二关节之间设置有多根肌肉纤维，肌肉纤维两端分别通过第一关节肌腱、第二关节肌腱与第一关节、第二关节固定连接并于第一关节肌腱、第二关节肌腱一侧分别引出极性相反的电极，第一关节、第二关节以及肌肉纤维外包覆有密封外皮，密封外皮所围成的密闭空间内填充有磁流变液；本发明目的在于解决现有力触觉交互装置存在的弊端，进而提供一种具有高保真度、能够实现人体肌肉组织柔顺性和弹性特征的人机交互接口装置。

技术领域

本发明属于虚拟手术技术领域，具体涉及一种用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置。

背景技术

随着社会的进步，医学也日益共享着现代科技的发展成果，如远程机器人手术、远程诊疗、虚拟手术训练、虚拟触诊训练等。这些技术的发展都离不开一项关键技术的进步，即人机交互技术，而人机交互技术的关键是力触觉再现，目前力触觉技术已经得到长足的发展，但高保真度的力触觉再现仍不能够较好地满足远程医疗的要求，特别是机体组织的力触觉再现技术仍需要进一步研究和开发。

目前，对机体组织力触觉技术的研究较少，主要有以下几种：基于弹性梁柔性触觉再现、电磁驱动的交互设备和基于气动人工肌肉的触觉装置等。也有利用已商业化的力触觉交互设备如Sensable公司的Phantom、Immersion公司的CyberForce、Force Dimension公司的Delta、Omega手控器等，这些力触觉交互设备基本上是机械接触，在模拟肌体组织的柔顺性和黏性特征时容易产生失真。

磁流变液作为一种液体智能材料，在外加磁场作用下，其流变学特性将发生剧烈变化，屈服应力也随着磁场强度的增大不断增大，撤离磁场时能够同样快速地恢复到液体状态。磁流变液的这种特性能够较好的模拟肌体组织的柔顺性特征，可应用于肌体组织柔顺性力触觉接口装置的研制，但因其是耗散性的，无法模拟肌体组织的弹性特性。

总之，目前存在的用于实现人机交互的肌体组织再现接口装置中，不管是已商业化的力觉交互装置，还是基于这些设备开发的力触觉交互装置，或是其它新开发的力触觉交互装置，大多数由电机驱动的主动力触觉交互装置，主动型力触觉交互装置用于实现人机交互的肌体组织再现具有很大的灵活性，但存在着以下问题：（1）稳定性相对较差，这主要是由电机或其它主动驱动器自身固有的特性造成的；（2）保真性相对较差，在模拟人体肌体软组织时，因为人体肌体组织特别是内脏组织不是完全意义上的弹性体，在受压、切割或针刺时是非线性的弹性形变，存在一定的粘滞性特征，因此利用主动交互设备对这些组织模拟容易存在较大的失真；（3）体积较大，研究表明，产生相同大小的力，主动驱动器的体积要比被动驱动器大得多，由此造成驱动机构的惯量、摩擦力都比较大，也容易造成较大的失真；（4）能耗较大，一个电机驱动的小型商业化力反馈操纵杆对操作者施加连续的力消耗功率达到10~30瓦，而一个台式的力反馈设备消耗的能量将更多，因此需要配备外部电源适配器，使设备的便携性大打折扣，这也是主动力觉交互设备设计中一个很大的问题。（5）被动式力交互装置应用于虚拟手术训练中能够保持较好的稳定性、安全性和较低的能耗，但无法模拟肌体组织弹性特征。

发明内容

本发明提供一种用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，目的在于解决现有力触觉交互装置存在的弊端，进而提供一种具有高保真度、能够实现人体肌肉组织柔顺性和弹性特征的人机交互接口装置。

本发明通过以下技术方案实现：

用于实现人机交互的肌肉组织再现接口装置，所述接口装置包括第一关节（7）、第二关节（8），第一关节（7）与第二关节（8）之间设置有多根肌肉纤维（2），肌肉纤维（2）两端分别通过第一关节肌腱（4）、第二关节肌腱（3）与第一关节（7）、第二关节（8）固定连接并于第一关节肌腱（4）、第二关节肌腱（3）一侧分别引出极性相反的电极（6、5），第一关节（7）、第二关节（8）以及肌肉纤维（2）外包覆有密封外皮（1），密封外皮（1）所围成的密闭空间内填充有磁流变液（9）。