本發(fā)明屬于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的肌肉組織再現(xiàn)接口裝置。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的進(jìn)步，醫(yī)學(xué)也日益共享著現(xiàn)代科技的發(fā)展成果，如遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)、遠(yuǎn)程診療、虛擬手術(shù)訓(xùn)練、虛擬觸診訓(xùn)練等。這些技術(shù)的發(fā)展都離不開一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)步，即人機(jī)交互技術(shù)，而人機(jī)交互技術(shù)的關(guān)鍵是力觸覺再現(xiàn)，目前力觸覺技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，但高保真度的力觸覺再現(xiàn)仍不能夠較好地滿足遠(yuǎn)程醫(yī)療的要求，特別是機(jī)體組織的力觸覺再現(xiàn)技術(shù)仍需要進(jìn)一步研究和開發(fā)。

目前，對機(jī)體組織力觸覺技術(shù)的研究較少，主要有以下幾種：基于彈性梁柔性觸覺再現(xiàn)、電磁驅(qū)動(dòng)的交互設(shè)備和基于氣動(dòng)人工肌肉的觸覺裝置等。也有利用已商業(yè)化的力觸覺交互設(shè)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(shè)備基本上是機(jī)械接觸，在模擬肌體組織的柔順性和黏性特征時(shí)容易產(chǎn)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(xué)特性將發(fā)生劇烈變化，屈服應(yīng)力也隨著電場強(qiáng)度的增大不斷增大，撤離電場時(shí)能夠同樣快速地恢復(fù)到液體狀態(tài)。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(yīng)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的肌體組織再現(xiàn)接口裝置中，不管是已商業(yè)化的力覺交互裝置，還是基于這些設(shè)備開發(fā)的力觸覺交互裝置，或是其它新開發(fā)的力觸覺交互裝置，大多數(shù)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)力觸覺交互裝置，主動(dòng)型力觸覺交互裝置用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的肌體組織再現(xiàn)具有很大的靈活性，但存在著以下問題：（1）穩(wěn)定性相對較差，這主要是由電機(jī)或其它主動(dòng)驅(qū)動(dòng)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(shí)，因?yàn)槿梭w肌體組織特別是內(nèi)臟組織不是完全意義上的彈性體，在受壓、切割或針刺時(shí)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(dòng)交互設(shè)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(chǎn)生相同大小的力，主動(dòng)驅(qū)動(dòng)器的體積要比被動(dòng)驅(qū)動(dòng)器大得多，由此造成驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)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(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小型商業(yè)化力反饋操縱桿對操作者施加連續(xù)的力消耗功率達(dá)到10~30瓦，而一個(gè)臺式的力反饋設(shè)備消耗的能量將更多，因此需要配備外部電源適配器，使設(shè)備的便攜性大打折扣，這也是主動(dòng)力覺交互設(shè)備設(shè)計(jì)中一個(gè)很大的問題。（5）被動(dòng)式力交互裝置應(yīng)用于虛擬手術(shù)訓(xùn)練中能夠保持較好的穩(wěn)定性、安全性和較低的能耗，但無法模擬肌體組織彈性特征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的肌肉組織再現(xiàn)接口裝置，目的在于解決現(xiàn)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(shí)容易產(chǎn)生失真，進(jìn)而提供一種具有高保真度、能夠?qū)崿F(xiàn)人體肌肉組織柔順性和黏性特征的人機(jī)交互接口裝置。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種肌肉組織再現(xiàn)接口裝置，其特征在于：所述接口裝置包括第一關(guān)節(jié)（7）、第二關(guān)節(jié)（8），第一關(guān)節(jié)（7）與第二關(guān)節(jié)（8）之間設(shè)置有多根導(dǎo)電肌肉纖維（2），導(dǎo)電肌肉纖維（2）兩端分別通過第一關(guān)節(jié)肌腱（4）、第二關(guān)節(jié)肌腱（3）與第一關(guān)節(jié)（7）、第二關(guān)節(jié)（8）固定連接并于第一關(guān)節(jié)肌腱（4）、或?yàn)榈诙P(guān)節(jié)肌腱（3）一側(cè)端引出電極（6），第一關(guān)節(jié)（7）、第二關(guān)節(jié)（8）以及導(dǎo)電肌肉纖維（2）外包覆有密封導(dǎo)電外皮（1），密封導(dǎo)電外皮（1）所圍成的密閉空間內(nèi)填充有電流變液（9），密封導(dǎo)電外皮（1）與第一關(guān)節(jié)肌腱（4）或第二關(guān)節(jié)肌腱（3）分別引出極性相反的電極（5、6）。

本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述導(dǎo)電肌肉纖維（2）數(shù)量與關(guān)節(jié)肌腱數(shù)量相匹配。

本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述導(dǎo)電肌肉纖維（2）由彈性金屬導(dǎo)線材料制成。

本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述密封導(dǎo)電外皮（1）由柔性金屬材料制成。

本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述第一關(guān)節(jié)（7）、第二關(guān)節(jié)（8）由絕緣材料制成。

本發(fā)明進(jìn)一步技術(shù)改進(jìn)方案是：

所述導(dǎo)電肌肉纖維（2）、密封導(dǎo)電外皮（1）分別與電極（5、6）電氣連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下明顯優(yōu)點(diǎn)：

一、本發(fā)明采用新興的電流變技術(shù)，電流變液在電場作用下產(chǎn)生電流變效應(yīng)，使表征電流變液流變特性的表觀粘度發(fā)生變化，能夠在瞬間從牛頓液體狀態(tài)變化為類固體狀態(tài)，并且該過程可逆，因此電流變液在模擬肌肉組織柔順性方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

二、本發(fā)明利用彈性金屬材料模擬肌肉組織的彈性特征，利用金屬材料產(chǎn)生的電場控制電流變液的粘滯性特征，能夠?qū)崿F(xiàn)肌肉組織柔順性和粘滯性的模擬，從而有效提高機(jī)體組織再現(xiàn)的保真度。

三、本發(fā)明整個(gè)接口裝置是耗散性的，可有效提高其穩(wěn)定性。

四、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，整個(gè)裝置無電機(jī)、電磁、氣動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，機(jī)械加工精度要求也不高。

五、本發(fā)明整個(gè)裝置利用電場直接控制輸出力，無需轉(zhuǎn)換和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使其能耗極低。

六、本發(fā)明控制簡單，電場信號與電流變液輸出力信號存在明確的函數(shù)關(guān)系，因此非常容易控制。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明原理示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1、2所示，本發(fā)明包括一個(gè)絕緣材料制成的第一關(guān)節(jié)7，一個(gè)絕緣材料制成的第二關(guān)節(jié)8，五根由彈性金屬導(dǎo)線材料制成的導(dǎo)電肌肉纖維2，五個(gè)第一關(guān)節(jié)肌腱4，五個(gè)第二關(guān)節(jié)肌腱3，五個(gè)正電極6，一個(gè)負(fù)電極5，由柔性金屬材料制成的密封導(dǎo)電外皮1，適量的電流變液9。在第一關(guān)節(jié)7和第二關(guān)節(jié)8之間設(shè)置有五個(gè)導(dǎo)電肌肉纖維2（根據(jù)需要可適當(dāng)增減導(dǎo)電肌肉纖維數(shù)量），導(dǎo)電肌肉纖維2的一端通過第一關(guān)節(jié)肌腱4固定于第一關(guān)節(jié)7上，導(dǎo)電肌肉纖維2的另一端通過第二關(guān)節(jié)肌腱3固定于第二關(guān)節(jié)8上，在第一關(guān)節(jié)肌腱4處引出正電極6，在密封導(dǎo)電外皮1上引出負(fù)電極5，密封導(dǎo)電外皮1覆蓋于肌肉組織外層，在密封導(dǎo)電外皮1圍成的密閉空間內(nèi)充滿電流變液9。

本發(fā)明肌肉組織再現(xiàn)接口裝置工作原理如下：肌肉組織再現(xiàn)接口裝置如圖1、圖2所示。遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)、遠(yuǎn)程診療、虛擬手術(shù)訓(xùn)練、虛擬觸診訓(xùn)練等都通過人與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，當(dāng)虛擬環(huán)境中的肌肉處于放松狀態(tài)時(shí)，肌肉組織再現(xiàn)接口裝置的導(dǎo)電肌肉纖維2可以模擬真實(shí)肌肉組織的彈性，密封導(dǎo)電外皮1內(nèi)充滿電流變液9，可以模擬肌肉組織的柔順性特性，密封導(dǎo)電外皮1可以模擬肌肉外層皮膚；當(dāng)虛擬環(huán)境中的肌肉組織收縮變硬時(shí)，在正負(fù)電極之間施加電壓，該電壓在導(dǎo)電肌肉纖維2和密封導(dǎo)電外皮1之間產(chǎn)生一個(gè)垂直于導(dǎo)電肌肉纖維2的電場，在該電場作用下電流變液9在沿電場方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電肌肉纖維2上方的電流變液硬度變大，電壓越大，電場越強(qiáng)，鏈狀結(jié)構(gòu)越強(qiáng)，硬度越大，當(dāng)操作者觸摸時(shí)就能夠感覺到肌肉收縮時(shí)硬度變化；當(dāng)虛擬環(huán)境中的肌肉組織某部分發(fā)生病變而變硬時(shí)，給發(fā)生病變的導(dǎo)電肌肉纖維2和密封導(dǎo)電外皮1之間施加電壓，其他導(dǎo)電肌肉纖維2不施加電壓，在該導(dǎo)電肌肉纖維2的上方的電流變液變硬，操作者即能夠感受到特定部分的肌肉硬度的變化。

本發(fā)明方案所公開的技術(shù)手段不僅限于上述實(shí)施方式所公開的技術(shù)手段，還包括由以上技術(shù)特征任意組合所組成的技術(shù)方案。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。