專利名稱：具有纜繩驅(qū)動(dòng)的力反饋和四個(gè)接地致動(dòng)器的接口裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及到人和計(jì)算機(jī)之間的接口裝置，特別是給用戶提供力反饋的計(jì)算機(jī)接口裝置。
背景技術(shù)：
虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)給用戶提供他們成為“虛擬”環(huán)境中的一部分的幻覺(jué)。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)典型地包括一個(gè)計(jì)算機(jī)處理器、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件和虛擬現(xiàn)實(shí)輸入輸出設(shè)備，例如頭戴式顯示器，傳感手套，三維(“3D”)鼠標(biāo)等。
虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以用來(lái)進(jìn)行訓(xùn)練。在許多領(lǐng)域，例如航空、交通和系統(tǒng)操作，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)已經(jīng)成功地應(yīng)用使得用戶從中學(xué)習(xí)和經(jīng)歷一個(gè)現(xiàn)實(shí)的“虛擬”環(huán)境。使用虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練的吸引力部分地在于這樣的系統(tǒng)具有允許訓(xùn)練者在高度真實(shí)的環(huán)境中放心地操作以享受樂(lè)趣而犯錯(cuò)誤也不會(huì)帶來(lái)“真實(shí)世界”的后果的能力。例如，虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)允許實(shí)習(xí)醫(yī)生或其他人體操作者或用戶在一個(gè)計(jì)算機(jī)模擬的“人體”中操縱解剖刀或探測(cè)器，從而為一個(gè)虛擬的病人進(jìn)行醫(yī)療操作。在這個(gè)實(shí)例中，通常使用諸如3D鼠標(biāo)、觸筆等的輸入輸出設(shè)備代表手術(shù)器械如解剖刀或探測(cè)器。當(dāng)“解剖刀”或“探測(cè)器”在所提供的空間或結(jié)構(gòu)中移動(dòng)時(shí)，這些移動(dòng)的結(jié)果在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)屏幕中顯示的人體圖像中被更新并顯示，這樣操作者獲得了操作的經(jīng)驗(yàn)，而這種操作不需要在真實(shí)的人體或尸體上實(shí)施。在其他的應(yīng)用中，虛擬現(xiàn)實(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)允許用戶操作和操縱或控制復(fù)雜的和昂貴的交通工具和機(jī)器達(dá)到訓(xùn)練和/或娛樂(lè)的目的。
因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)為用戶提供了一個(gè)現(xiàn)實(shí)的(所以是有效的)經(jīng)歷，所以感覺(jué)反饋和人工交互應(yīng)該盡可能的自然。除了感知和跟蹤用戶的手動(dòng)行為并把這些信息反饋給計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以給用戶提供一個(gè)三維的可視化表現(xiàn)外，人體接口裝置還應(yīng)該給用戶提供力或感觸的(“觸覺(jué)的”)反饋。用戶得到真實(shí)的觸覺(jué)信息的這種需求在多種模擬和其他的應(yīng)用中是廣泛的。例如，在醫(yī)療/外科模擬中，當(dāng)探測(cè)器在模擬的體內(nèi)移動(dòng)時(shí)，探測(cè)器或手術(shù)刀模擬器的“感覺(jué)”非常重要。對(duì)于實(shí)習(xí)醫(yī)生來(lái)說(shuō)，沒(méi)有必要知道儀器在體內(nèi)如何移動(dòng)、進(jìn)行操作時(shí)需要多大的力、在體內(nèi)有多少空間可用于操作儀器等等。一種“高帶寬”的接口系統(tǒng)在這些和其他應(yīng)用中都是大家想要的，它是一個(gè)能夠精確的反映快速變化的和較寬范圍頻率的信號(hào)并且把這些信號(hào)精確的提供給控制系統(tǒng)的接口。
幾種現(xiàn)有的裝置為儀器或可操作的物體提供有多個(gè)移動(dòng)自由度并且包含有觸覺(jué)反饋。然而，許多這樣的裝置都局限于為力提供了幾個(gè)自由度的范疇，并且在特定的應(yīng)用中比所想的要更不精確和不現(xiàn)實(shí)。具有更高真實(shí)性和合理價(jià)格的裝置對(duì)于醫(yī)療和其他虛擬仿真應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是需要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)，通過(guò)提供抵抗力為用戶提供一種真實(shí)的感覺(jué)。本系統(tǒng)包括一個(gè)用戶接合的可接合的練習(xí)工具。一個(gè)機(jī)械模擬裝置連接在這個(gè)練習(xí)工具上，接口裝置連接在模擬裝置上。應(yīng)用程序?yàn)闄C(jī)械模擬裝置提供信號(hào)，在所感知的練習(xí)工具位置的基礎(chǔ)上為練習(xí)工具提供抵抗力。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，練習(xí)工具被設(shè)定為一個(gè)練習(xí)醫(yī)療工具。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，接口裝置包括在主機(jī)電腦中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，接口裝置與主機(jī)電腦是分離的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，接口裝置包含一個(gè)位于機(jī)械模擬裝置中的微處理器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)位于機(jī)械模擬裝置和用戶之間的擋板。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，練習(xí)工具被設(shè)定為一個(gè)腹腔鏡工具并且包括一根套針。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，練習(xí)工具被設(shè)定為一種導(dǎo)尿管、皮下注射用的針、金屬絲、光纖束、觸筆、游戲桿、螺絲刀、擊球桿和手柄。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，系統(tǒng)包括多個(gè)練習(xí)工具。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，機(jī)械模擬裝置包括一個(gè)接地部件、一個(gè)連接在接地部件上的機(jī)械連桿、一個(gè)連接著練習(xí)工具和機(jī)械連桿的直線軸部件、至少一個(gè)連接在接地部件上的致動(dòng)器、和一個(gè)與至少一個(gè)致動(dòng)器接合并與機(jī)械連桿連接的纜繩。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，系統(tǒng)包括至少四個(gè)致動(dòng)器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，致動(dòng)器含有直流電動(dòng)機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，系統(tǒng)包括至少三個(gè)纜繩與至少四個(gè)致動(dòng)器以各種形式接合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，至少提供了一個(gè)傳感器以感知致動(dòng)器和/或機(jī)械連桿的運(yùn)動(dòng)。
本發(fā)明也提供了一種方法，通過(guò)提供抵抗力為用戶提供真實(shí)的感覺(jué)。該方法包括提供一個(gè)連接在含有機(jī)械連桿的機(jī)械模擬裝置上的可接合的練習(xí)工具、至少一個(gè)致動(dòng)器、至少一個(gè)與該至少一個(gè)致動(dòng)器接合并與機(jī)械連桿連接的纜繩、和一個(gè)傳感器。該方法進(jìn)一步包括由用戶接合工具和由用戶向練習(xí)工具施加力。工具的位置利用傳感器感知。感知的位置提供給包括有應(yīng)用程序的主機(jī)電腦，信號(hào)從主機(jī)電腦中提供給至少一個(gè)致動(dòng)器來(lái)移動(dòng)至少一條纜繩，從而移動(dòng)機(jī)械連桿。信號(hào)是基于感知的位置和應(yīng)用程序的。
本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)通過(guò)閱讀和理解下文的優(yōu)選的和可仿效的實(shí)施例的描述以及參考附圖將得以理解，其中圖中相同的標(biāo)號(hào)代表相同的部件。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)示意圖，用于醫(yī)療模擬的目的；圖2A和2B是根據(jù)本發(fā)明的醫(yī)療模擬裝置的透視圖；圖2C和2D是底座結(jié)構(gòu)和機(jī)械模擬裝置的連桿機(jī)構(gòu)部分的正視圖；圖2E是根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械模擬裝置的后視圖；圖2F是根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械模擬裝置的頂視圖；圖2G是根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械模擬裝置的關(guān)閉頂部表面的視圖；圖3A是根據(jù)本發(fā)明的機(jī)械模擬裝置的機(jī)械連桿的透視圖；圖3B是機(jī)械連桿的頂視圖；圖3C是機(jī)械連桿的側(cè)視圖；圖3D是機(jī)械連桿的前視圖；圖3E是機(jī)械連桿的底視圖；圖4A和4B是機(jī)械連桿的透視圖；圖5A-5D是機(jī)械連桿的側(cè)視截面圖；圖6A和6B分別是機(jī)械連桿的底視圖和透視底視圖；圖7A-7C是機(jī)械連桿的另外的截面透視圖；圖8A和8B分別是機(jī)械連桿的截面透視圖和前視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1示例了本發(fā)明用于醫(yī)療模擬目的的一個(gè)例子。一個(gè)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)10用來(lái)模擬醫(yī)療過(guò)程，它包括人機(jī)接口裝置12、一個(gè)電子接口14、和一個(gè)主機(jī)電腦16。示例的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)10指的是腹腔的手術(shù)過(guò)程的虛擬現(xiàn)實(shí)模擬。
與本發(fā)明結(jié)合使用的腹腔檢查工具18的把手26由操作者操作，虛擬現(xiàn)實(shí)圖像根據(jù)這些操作顯示在數(shù)字處理系統(tǒng)的顯示裝置20中。例如，當(dāng)工具18被用戶移動(dòng)時(shí)，工具或部分工具的圖形化表示可以在裝置20中顯示的圖形化的環(huán)境中作相應(yīng)的移動(dòng)。顯示裝置20可以是標(biāo)準(zhǔn)的顯示屏幕或CRT顯示器、3D眼鏡、或任何其他可視化的接口。數(shù)字處理系統(tǒng)通常是主機(jī)電腦16。主機(jī)電腦可以是個(gè)人電腦或工作站或其他電腦裝置或處理器，例如通常連接在電視機(jī)上的家庭視頻游戲系統(tǒng)，如任天堂、世嘉或索尼的系統(tǒng)；一個(gè)“機(jī)頂盒”，它可以用來(lái)給用戶提供交互的電視功能；店鋪游戲機(jī)；手持式計(jì)算工具等等。作為下面描述的優(yōu)選實(shí)施例，也可以提供多個(gè)工具18，每個(gè)都可以由用戶操作。
主機(jī)電腦16執(zhí)行主機(jī)應(yīng)用程序，通過(guò)它用戶可以與外設(shè)和接口裝置14交互。例如，主機(jī)應(yīng)用程序可以是視頻游戲、醫(yī)療模擬、科學(xué)分析程序、或甚至一個(gè)操作系統(tǒng)或其他用來(lái)力反饋的應(yīng)用程序。典型地，主機(jī)應(yīng)用程序?yàn)轱@示輸出裝置提供顯示的圖像和/或其他反饋，如聽(tīng)覺(jué)信號(hào)，如下文所述。圖1的醫(yī)療模擬實(shí)例包括一個(gè)主機(jī)醫(yī)療模擬應(yīng)用程序。適合于這些應(yīng)用的軟件可以從加利福尼亞的ImmersionCorporation of San Jose得到。另外，顯示屏幕20可以顯示游戲應(yīng)用程序或其他程序的圖像。
這里示例的人/接口裝置12的例子用來(lái)模擬腹腔醫(yī)療過(guò)程。除了標(biāo)準(zhǔn)腹腔檢查工具18的把手外，人/接口裝置12可以包括一個(gè)擋板22和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的腹腔檢查套針24(或套針的仿制品)。擋板22被用來(lái)代表病人身體上覆蓋的皮膚。套針24被插入到虛擬病人的體內(nèi)為腹腔檢查工具18提供出入病人體內(nèi)的通道并且允許操縱腹腔檢查工具。擋板22和套針24可以根據(jù)需要在其他實(shí)施例的裝置12中省略。優(yōu)選地，腹腔檢查工具18被修改；在一個(gè)實(shí)施例中，軸被一個(gè)直線軸部件代替，如下所述。在另一個(gè)實(shí)施例中，工具(如任何的切割邊緣)的軸末端可以被除去。腹腔檢查工具18的遠(yuǎn)端對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)模擬而言可以不需要。
腹腔檢查工具18包括一個(gè)把手或“夾持”部分26和一個(gè)軸部分28。軸部分是一個(gè)加長(zhǎng)的機(jī)械物，下面有更詳細(xì)的描述。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明致力于在三維空間中跟蹤軸部分28的運(yùn)動(dòng)，舉例來(lái)說(shuō)就是四個(gè)自由度。軸28沿著它的長(zhǎng)度在一些點(diǎn)被約束，這樣它可以在模擬的病人體內(nèi)按四個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)。
一個(gè)用來(lái)與機(jī)械的輸入輸出接口連接的機(jī)械裝置25用虛線顯示在病人的“體內(nèi)”。當(dāng)在計(jì)算機(jī)上模擬交互作用時(shí)，計(jì)算機(jī)將把反饋信號(hào)發(fā)送到工具18和機(jī)械裝置25，其中該裝置具有致動(dòng)器用來(lái)根據(jù)虛擬的腹腔檢查工具相對(duì)于表面或顯示在計(jì)算機(jī)顯示裝置中的特征產(chǎn)生力。機(jī)械裝置25將在下文中詳細(xì)描述。信號(hào)可以通過(guò)接口30發(fā)送到或從裝置25中接收，與下文中描述的接口72相似。
雖然本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例將參考腹腔檢查工具18進(jìn)行討論，但是可以意識(shí)到許多其他類型的物體也可以用在本發(fā)明的方法和裝置中。事實(shí)上，本發(fā)明可以使用任何的機(jī)械物，只要它可以提供具有1-6個(gè)自由度的人機(jī)接口。這樣的物體可以包括內(nèi)窺鏡或其他相似的用于醫(yī)療過(guò)程的外科工具、導(dǎo)尿管、皮下注射用的針、金屬絲、光纖束、觸筆、游戲桿、螺絲刀、擊球桿、手柄等等。
電子接口14是人機(jī)接口裝置12的一個(gè)組件，可以把裝置12連接到主機(jī)電腦16上。電子接口14可以包含在機(jī)械裝置25的殼中、主機(jī)電腦16中、或被提供成獨(dú)立的單元。特別是，在優(yōu)選實(shí)施例中使用的接口14用來(lái)把裝置25的各種致動(dòng)器和傳感器(下面詳細(xì)描述)連接到電腦16上。在一些實(shí)施例中，接口可以包括一個(gè)位于裝置25中的微處理器來(lái)操作傳感器數(shù)據(jù)和致動(dòng)器的控制。合適的電子配置例如描述在美國(guó)專利No.5,623,582；5,821,920；5,731,804；5,734,373；5,828,197；和6,024,576中，所有的這些專利在此引作參考。
信號(hào)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口32(RS-232，USB，火線、串口、并口等)或無(wú)線傳輸和接受器發(fā)送到接口14和計(jì)算機(jī)16或從中接收。在本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例中，接口14可以作為唯一的計(jì)算機(jī)16的輸入裝置、唯一的計(jì)算機(jī)16的輸出裝置、或計(jì)算機(jī)16的輸入輸出裝置。接口14也可以從其他的與裝置12連接的輸入裝置或控制器中接收輸入并且可以把這些輸入傳遞給計(jì)算機(jī)16。例如，用戶發(fā)出命令通過(guò)激活裝置12上的一個(gè)按鈕傳遞給計(jì)算機(jī)16來(lái)執(zhí)行命令或使計(jì)算機(jī)16輸出一個(gè)命令給裝置12。
在圖2A和2B中，顯示了一幅根據(jù)本發(fā)明的提供有機(jī)械的輸入和輸出的機(jī)械裝置25的透視圖。裝置25可以包括兩個(gè)或多個(gè)工具18(圖中僅顯示了一個(gè))以允許用戶真實(shí)地模擬一個(gè)實(shí)際的使用腹腔檢查儀器的手術(shù)過(guò)程。用戶可以獨(dú)立地操作各個(gè)工具18，在本發(fā)明中各個(gè)工具是獨(dú)立感知和獨(dú)立傳動(dòng)的。
各個(gè)工具18都連接在一個(gè)直線的軸部件40上，其中部件40又連接在一個(gè)機(jī)械連桿38上，連桿38將在下文中詳述。用戶物體44，例如一個(gè)把手，優(yōu)選地連接在一個(gè)直線的軸部件40上。機(jī)械連桿通過(guò)底座結(jié)構(gòu)46接地。致動(dòng)器，例如直流電動(dòng)機(jī)40，它可以在各個(gè)直線的軸部件40和工具18上輸出外力，在所述的實(shí)施例中位于底座結(jié)構(gòu)46中，因此是完全接地的。這個(gè)配置允許裝置25產(chǎn)生高保真的和有效的觸覺(jué)反饋。致動(dòng)器也可以包括傳感器用來(lái)感知致動(dòng)器的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而探測(cè)工具在四個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)。在其他實(shí)施例中，傳感器可以連接在連桿38部分以更直接地感知工具的運(yùn)動(dòng)。
在所述的實(shí)施例中，每個(gè)直線的軸部件40/工具18可以在四個(gè)自由度上移動(dòng)，分別為插入的自由度50、扭曲的自由度52、第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(側(cè)轉(zhuǎn))64、第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(前后)56。其他的實(shí)施例可以把自由度限制為更少的數(shù)量或提供額外的自由度。
圖2C和2D進(jìn)一步示例了底座結(jié)構(gòu)46和連桿機(jī)構(gòu)38轉(zhuǎn)動(dòng)地連接在底座結(jié)構(gòu)上的部分。
圖2E示例了裝置25的后視圖，顯示了所述實(shí)施例的一些致動(dòng)器和傳感器。轉(zhuǎn)動(dòng)致動(dòng)器62，例如一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)，驅(qū)動(dòng)插入的自由度50，轉(zhuǎn)動(dòng)致動(dòng)器64驅(qū)動(dòng)側(cè)轉(zhuǎn)自由度54，在圖2E中位于致動(dòng)器64后面的轉(zhuǎn)動(dòng)致動(dòng)器66驅(qū)動(dòng)扭曲自由度52。致動(dòng)器和傳感器成對(duì)70驅(qū)動(dòng)前后轉(zhuǎn)動(dòng)自由度56。
圖2F示例了裝置25的頂視圖，圖2G示例了裝置關(guān)閉頂部表面的視圖?；?2連接著致動(dòng)器62并且纜繩160纏繞在其上?；?4與致動(dòng)器64連接并且纜繩106纏繞在其上?；?6連接著致動(dòng)器66并且纜繩130纏繞在其上。這些纜繩將在下文詳述。這些纜繩都通過(guò)底座結(jié)構(gòu)側(cè)面的縫77到達(dá)機(jī)械連桿38；在所述的實(shí)施例中，纜繩在到達(dá)它們各自的滑輪72、74、76之前可以分別纏繞在自身的中心軸上。在所述的實(shí)施例中，傳感器65感知致動(dòng)器64的軸的運(yùn)動(dòng)，傳感器67感知連接著致動(dòng)器62的軸的心軸78的運(yùn)動(dòng)，傳感器69感知致動(dòng)器66的軸的運(yùn)動(dòng)。這些傳感器是光學(xué)編碼器，具有發(fā)射器和探測(cè)器，其中探測(cè)器可以感知連接在滑輪或心軸的編碼器滾輪上的標(biāo)記，如圖所示。在所述的實(shí)施例中，感知前后轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度56的傳感器提供在致動(dòng)器/傳感器70的殼上以直接測(cè)量致動(dòng)器軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
基本上是作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換裝置的其他類型的致動(dòng)器和傳感器可以在其他實(shí)施例中使用，例如模擬電位計(jì)、Polhemus(磁性)傳感器、側(cè)向作用的光電二極管等等。另外，傳感器可以定位在相對(duì)運(yùn)動(dòng)或機(jī)械裝置25接頭的其他位置。應(yīng)該注意，本發(fā)明既可以使用絕對(duì)傳感器又可以使用相對(duì)傳感器。致動(dòng)器可以也可以是各種類型，例如主動(dòng)的致動(dòng)器和/或被動(dòng)的致動(dòng)器。主動(dòng)的致動(dòng)器可以包括直流電控制電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)機(jī)組、氣壓/液壓傳動(dòng)的致動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、不帶電刷的直流電動(dòng)機(jī)、氣壓/液壓致動(dòng)器、扭矩裝置(電動(dòng)機(jī)具有有限的轉(zhuǎn)角范圍)、音圈、和其他類型的可以傳遞力來(lái)移動(dòng)物體的致動(dòng)器。也可以使用被動(dòng)的致動(dòng)器。磁性粒子制動(dòng)器、摩擦制動(dòng)器、或氣壓/液壓的被動(dòng)致動(dòng)器也可以額外使用或代替電動(dòng)機(jī)來(lái)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的阻尼抵抗力或摩擦力。另外，在一些實(shí)施例中，被動(dòng)的(或“粘滯的”)阻尼器部件可以提供在裝置25的軸承處以便從系統(tǒng)中吸收能量并且可以有意的增加機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。在其他實(shí)施例中，這種被動(dòng)的阻尼可以利用致動(dòng)器的反向電動(dòng)勢(shì)(EMF)來(lái)產(chǎn)生以吸收系統(tǒng)的能量。另外，在音圈的實(shí)施例中，可以使用多重線圈，這些線圈可以用來(lái)提供反向電動(dòng)勢(shì)和阻尼力。
致動(dòng)器和傳感器被分離意味著這些變換器被直接連接到了與地面47相接的接地部件46上了，也就是，地面而不是用戶接合的工具18承載了變換器的重量。因此，變換器的重量和慣性基本上在用戶操作和移動(dòng)工具是可以被忽略。這為虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供了更加真實(shí)的接口，因?yàn)橛?jì)算機(jī)可以控制變換器在這些運(yùn)動(dòng)的自由度上為用戶提供各種力。相對(duì)而言，在在先技術(shù)的典型的多自由度接口的配置中，一個(gè)致動(dòng)器“騎”在另一個(gè)致動(dòng)器上，形成一條串連的鏈子。這種低帶寬的配置使得用戶在操作物體時(shí)感覺(jué)到了連接在一起的致動(dòng)器的慣性。
可選地，額外的變換器可以增加到裝置25中為工具18提供額外的自由度。例如，可以給腹腔檢查工具18的把手增加一個(gè)變換器來(lái)感知和/或輸出傳遞到用戶相對(duì)移動(dòng)工具18的兩部分這個(gè)自由度的力，來(lái)模擬例如工具切割刀刃的展開(kāi)。
圖3A(透視圖)、3B(頂視圖)、3C(側(cè)視圖)、3D(前視圖)和3E(底視圖)示例了裝置25的機(jī)械連桿38。連桿38可轉(zhuǎn)動(dòng)的連接在底座結(jié)構(gòu)46上以允許第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)56，纜繩從連桿38的各個(gè)移動(dòng)部件延伸到底座結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器上，下文將詳述。直線的軸部件40可以相對(duì)于連桿38移動(dòng)以提供兩個(gè)自由度50和52，并且隨著連桿的兩個(gè)部分移動(dòng)來(lái)提供另外兩個(gè)自由度54和56。
圖4A和4B顯示了機(jī)械連桿38的透視圖。第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(前后)56通過(guò)一個(gè)位于連桿38和底座結(jié)構(gòu)46之間的機(jī)械軸承來(lái)提供。為了從接地的致動(dòng)器70給第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)56提供力，絞盤驅(qū)動(dòng)器80可以作為一個(gè)機(jī)械的傳輸部件把力從致動(dòng)器傳遞到連桿38。絞盤輪82可以剛性地連接在致動(dòng)器70的轉(zhuǎn)動(dòng)軸71上，絞盤輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與連桿38的轉(zhuǎn)動(dòng)軸A平行具有自由度56，同時(shí)絞盤輪的位置臨近于剛性地連接在連桿38上的鼓84，如圖所示。纜繩86連接在鼓84的一端，沿著鼓84的邊緣在鼓84上纏繞一圈或多圈沿著鼓剩下的邊緣到達(dá)它的另一邊。纜繩可以利用張拉螺母88張拉。在其他的實(shí)施例中可以使用其他類型的傳輸裝置，如齒輪、摩擦輪、皮帶驅(qū)動(dòng)器等等。
連桿38的第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)(側(cè)向)通過(guò)不同的纜繩驅(qū)動(dòng)器100來(lái)提供。纜繩驅(qū)動(dòng)器100包括一個(gè)剛性地連接在連桿部件110上的鼓102，它可以相對(duì)于連桿部件112繞著軸B在自由度54上轉(zhuǎn)動(dòng)。兩個(gè)惰輪104a和104b轉(zhuǎn)動(dòng)地連接在連桿部件112上并且繞著平行于軸B的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中用虛線表示的纜繩106從鼓102的一端繞過(guò)惰輪104a穿過(guò)連桿部件38向外到達(dá)底座結(jié)構(gòu)并驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器64的滑輪74，在該處纜繩繞了多次。然后，纜繩繞回，穿過(guò)連桿38繞著惰輪104b沿著鼓102的邊緣到達(dá)張力器114。這種配置允許致動(dòng)器通過(guò)纜繩106推動(dòng)所需的鼓102的一側(cè)來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)連桿部件110。
圖5A、5B、5C、5D是連桿38的其他側(cè)視截面圖，所示的例子為連桿部件110相對(duì)于連桿部件112轉(zhuǎn)動(dòng)到了盡頭的樣子。該運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)在鼓102的運(yùn)動(dòng)路徑上提供一個(gè)制動(dòng)器來(lái)限制。例如，如圖5A所示，可以在鼓102上放置一個(gè)開(kāi)口118。一個(gè)制動(dòng)部件120，例如一個(gè)圓柱體，可以連接在連桿部件112上并且位于開(kāi)口118內(nèi)，這樣，制動(dòng)部件120將與開(kāi)口118的末端接合以提供對(duì)鼓的運(yùn)動(dòng)的限制。
圖6A和6B分別是連桿機(jī)構(gòu)38的底視圖和底視透視圖。為了使力能被輸出到扭轉(zhuǎn)自由度52，纜繩130的第一端(用虛線表示)纏繞在底座結(jié)構(gòu)46中的致動(dòng)器66的被直接驅(qū)動(dòng)的滑輪76上并且穿過(guò)連桿機(jī)構(gòu)38。纜繩130繞在一個(gè)惰輪132上，繞著另一個(gè)惰輪134和136。然后，纜繩130逆時(shí)針地(如圖6a所示)繞在一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓138上并在一個(gè)點(diǎn)140(在其他實(shí)施例中，點(diǎn)140可以位于別處)處與鼓相連。纜繩130的第二端也在點(diǎn)140處與鼓138相連，它也可以被逆時(shí)針地(如圖6a所示)繞著鼓138剩下的邊緣到達(dá)滑輪142。纜繩130從第二端纏繞著惰輪142接著是惰輪144，其中惰輪144和惰輪134相互鄰接并且具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。纜繩130然后繞著惰輪146，它與惰輪132鄰接并具有相同的轉(zhuǎn)動(dòng)軸。然后，纜繩130穿過(guò)連桿部件38，兩端都用線130代表，到達(dá)底座結(jié)構(gòu)的致動(dòng)器66，在該處纜繩繞著被致動(dòng)器66直接驅(qū)動(dòng)的滑輪76多次。
在運(yùn)行中，致動(dòng)器66可以沿兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)鼓138，借此轉(zhuǎn)動(dòng)直線軸部件40和工具18。當(dāng)致動(dòng)器的軸沿一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，纏繞著滑輪136的纜繩130的第一端被拖動(dòng)，使得鼓繞著中心點(diǎn)170在相應(yīng)的方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)致動(dòng)器的軸沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，纏繞著滑輪142的纜繩130的第二端被拖動(dòng)，使得鼓繞著中心點(diǎn)170在另一個(gè)方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。
為了使力輸出到線性插入的自由度50上，纜繩160的第一端(在圖6a中用點(diǎn)劃線表示)從底座結(jié)構(gòu)46中的致動(dòng)器62的直接驅(qū)動(dòng)的滑輪72穿過(guò)連桿機(jī)構(gòu)38。纜繩160纏繞著惰輪162，接下來(lái)是惰輪164和惰輪166。然后，纜繩160的第一端161繞著惰輪169(如圖7a所示)并與直線軸部件40相連。纜繩160的第二端162在中心點(diǎn)170的另一邊與直線軸部件40相連。纜繩160從第二端繞著滑輪168、繞著與滑輪164相鄰并沿相同的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的滑輪172、繞著與滑輪162相鄰并沿相同的軸轉(zhuǎn)動(dòng)的滑輪174。然后，纜繩穿過(guò)連桿機(jī)構(gòu)38到達(dá)由致動(dòng)器62驅(qū)動(dòng)的滑輪72，在此處纜繩纏繞多次。
在運(yùn)行中，致動(dòng)器62可以沿兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)它的驅(qū)動(dòng)輪并相應(yīng)地拖動(dòng)纜繩160的第一端或第二端。如果第一端被拖動(dòng)，在直線軸部件40(如圖3所示的方向)上輸出向下的力，而如果第二端被拖動(dòng)，在直線軸部件上輸出向上的力。
圖7A-7C是上文描述的連桿機(jī)構(gòu)38、纜繩和滑輪額外的截面透視圖，示例了機(jī)構(gòu)的插入自由度50。
圖8A和8B是連桿機(jī)構(gòu)38的截面透視圖和前視圖，顯示了上述特征。
因此，本發(fā)明的機(jī)構(gòu)優(yōu)選地提供了四個(gè)接地的致動(dòng)器為工具18在四個(gè)自由度上提供力。為了使致動(dòng)器接地，可以利用纜繩把力輸出到遠(yuǎn)程的機(jī)械運(yùn)動(dòng)上，也就是，轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓或移動(dòng)的直線軸部件遠(yuǎn)離驅(qū)動(dòng)滑輪，不像標(biāo)準(zhǔn)的絞盤驅(qū)動(dòng)那樣。穿過(guò)機(jī)械連桿內(nèi)部向外到達(dá)底座結(jié)構(gòu)的三條纜繩(六個(gè)端點(diǎn))被彎曲成各種路徑繞著惰輪和它們的縱軸；然而，這不會(huì)使纜繩產(chǎn)生顯著的伸長(zhǎng)。纜繩的六端安排的緊靠在一起并臨近前后轉(zhuǎn)動(dòng)的軸A，以使纜繩的彎曲最小。例如，六條纜繩的長(zhǎng)度可以被設(shè)置為這樣，即它們的橫截面大致形成繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸A的一個(gè)圈。
雖然結(jié)合幾個(gè)優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，但是可以預(yù)想，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員以及閱讀和研究了本發(fā)明的說(shuō)明書和附圖的人來(lái)說(shuō)，對(duì)它進(jìn)行改變、修改和變更是顯而易見(jiàn)的。例如，裝置25的連桿部件可以采取多個(gè)實(shí)際的物理尺寸和形狀而仍然保持所揭露的連桿結(jié)構(gòu)。相似地，也可以使用其他類型的萬(wàn)向機(jī)構(gòu)或不同的提供多個(gè)自由度的機(jī)構(gòu)，再結(jié)合所揭示的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)減小系統(tǒng)的慣性、摩擦和反沖。很多裝置也可以用來(lái)感知物體在所提供的自由度上的位置和沿著這些自由度驅(qū)動(dòng)物體。另外，用在具有想要功能的變換器系統(tǒng)中的傳感器和致動(dòng)器可以采取各種形式。相似地，也可以使用其他類型的連接在物體和致動(dòng)器之間提供想要的功能。此外，所用的特定術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述清晰的目的，并不限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種通過(guò)提供抵抗力為用戶提供真實(shí)感覺(jué)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)用戶接合的可接合的練習(xí)工具；含有連接著練習(xí)工具的機(jī)械連桿的機(jī)械模擬裝置；一個(gè)連接著模擬裝置的接口裝置；一個(gè)連接著接口裝置的主機(jī)電腦，用來(lái)執(zhí)行應(yīng)用程序，應(yīng)用程序?yàn)橹聞?dòng)器提供移動(dòng)機(jī)械連桿的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，練習(xí)工具設(shè)定成一個(gè)練習(xí)醫(yī)療的工具。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，接口裝置包括在主機(jī)電腦和機(jī)械模擬裝置之一中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，接口裝置獨(dú)立于主機(jī)電腦和機(jī)械模擬裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，接口裝置包含一個(gè)位于機(jī)械模擬裝置之中的微處理器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)進(jìn)一步包含一個(gè)位于機(jī)械模擬裝置和用戶之間的擋板。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，練習(xí)工具設(shè)定為一個(gè)腹腔檢查工具并且包括一個(gè)套針。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，練習(xí)工具設(shè)定為導(dǎo)尿管、皮下注射用的針、金屬絲、光纖束、觸筆、游戲桿、螺絲刀、擊球桿和手柄。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括多個(gè)練習(xí)工具。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其特征在于，機(jī)械模擬裝置包含一個(gè)接地部件；一個(gè)連接在接地部件上的機(jī)械連桿；一個(gè)連接著練習(xí)工具和機(jī)械連桿的直線軸部件；至少一個(gè)連接在接地部件上的致動(dòng)器；和一個(gè)與所述至少一個(gè)致動(dòng)器接合并與機(jī)械連桿連接的纜繩。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括至少四個(gè)致動(dòng)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其特征在于，該至少四個(gè)致動(dòng)器含有直流電動(dòng)機(jī)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括至少三個(gè)纜繩，與該至少四個(gè)致動(dòng)器以各種形式接合。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含至少一個(gè)傳感器以感知至少一個(gè)致動(dòng)器和機(jī)械連桿中的至少一個(gè)的運(yùn)動(dòng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的系統(tǒng)，進(jìn)一步包含至少四個(gè)傳感器以感知至少四個(gè)致動(dòng)器和機(jī)械連桿中的至少一個(gè)的運(yùn)動(dòng)。
16.一種通過(guò)提供抵抗力為用戶提供真實(shí)感覺(jué)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個(gè)用戶接合的可接合的練習(xí)工具；一個(gè)連接著練習(xí)工具的機(jī)械模擬裝置，機(jī)械模擬裝置包含一個(gè)接地部件；一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)地連接在接地部件上的機(jī)械連桿；一個(gè)連接著練習(xí)工具和機(jī)械連桿的直線軸部件；至少四個(gè)連接著接地部件的致動(dòng)器；至少一個(gè)傳感器，用來(lái)感知致動(dòng)器和機(jī)械連桿中的至少一個(gè)的移動(dòng)；和至少三條與至少四個(gè)致動(dòng)器接觸的纜繩，并且連接在機(jī)械連桿上；一個(gè)連接在模擬裝置上的接口裝置；以及一個(gè)連接著接口裝置的主機(jī)電腦，用來(lái)執(zhí)行應(yīng)用程序，應(yīng)用程序?yàn)橹聞?dòng)器提供移動(dòng)纜繩的信號(hào)并借此移動(dòng)機(jī)械連桿。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，練習(xí)工具設(shè)定成一個(gè)練習(xí)醫(yī)療的工具。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，接口裝置包括在主機(jī)電腦和機(jī)械模擬裝置之一中。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，接口裝置獨(dú)立于主機(jī)電腦和機(jī)械模擬裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少四個(gè)致動(dòng)器包含直流電動(dòng)機(jī)。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，接口裝置包含一個(gè)位于機(jī)械模擬裝置之中的微處理器。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)進(jìn)一步包含一個(gè)位于機(jī)械模擬裝置和用戶之間的擋板。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，練習(xí)工具設(shè)定為一個(gè)腹腔檢查工具并且包括一個(gè)套針。
24.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，練習(xí)工具設(shè)定為導(dǎo)尿管、皮下注射用的針、金屬絲、光纖束、觸筆、游戲桿、螺絲刀、擊球桿和手柄。
25.根據(jù)權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其特征在于，系統(tǒng)包括多個(gè)練習(xí)工具。
26.一種通過(guò)提供抵抗力為用戶提供真實(shí)的感覺(jué)的方法，方法包括提供一個(gè)連接在含有機(jī)械連桿的機(jī)械模擬裝置上的可接合的練習(xí)工具、至少一個(gè)致動(dòng)器、至少一個(gè)與所述至少一個(gè)致動(dòng)器接合并與機(jī)械連桿連接的纜繩、和一個(gè)傳感器；由用戶接合工具；用戶象練習(xí)工具施加力；用傳感器感知工具的位置；把感知的位置提供到包括應(yīng)用程序的主機(jī)電腦；和把來(lái)自主機(jī)電腦的信號(hào)提供給所述至少一個(gè)致動(dòng)器以移動(dòng)至少一個(gè)纜繩，從而移動(dòng)機(jī)械連桿，信號(hào)是基于感知的位置和應(yīng)用程序的。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其特征在于，機(jī)械模擬裝置包含至少四個(gè)致動(dòng)器、和至少三條與該至少四個(gè)致動(dòng)器以各種形式接合并且與機(jī)械連桿連接的纜繩，其中來(lái)自主機(jī)電腦的信號(hào)提供給所述至少四個(gè)致動(dòng)器中的至少一個(gè)來(lái)移動(dòng)至少三條纜繩中的至少一條，從而移動(dòng)機(jī)械連桿，信號(hào)是基于感知的位置和應(yīng)用程序的。
全文摘要
一種在一個(gè)模擬系統(tǒng)中通過(guò)給用戶提供感觸的(觸覺(jué)的)反饋來(lái)提供真實(shí)感覺(jué)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括一個(gè)由用戶接合的可接合的練習(xí)工具和一個(gè)連接著練習(xí)工具的機(jī)械模擬裝置。機(jī)械模擬裝置包括一個(gè)接地部件(46)、一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)地連接在接地部件(47)上的機(jī)械連桿(38)、一個(gè)連接著練習(xí)工具和機(jī)械連桿(38)的直線軸部件、至少四個(gè)連接著接地部件的致動(dòng)器(62、64、66、70)、用來(lái)感知致動(dòng)器的移動(dòng)的傳感器(65、67、69)、和至少三條與該至少四個(gè)致動(dòng)器(65、64、66、70)接觸并且連接著機(jī)械連桿(38)的纜繩。接口裝置連接著模擬裝置，主機(jī)電腦(20)連接著接口裝置(14)用來(lái)執(zhí)行應(yīng)用程序。應(yīng)用程序?yàn)橹聞?dòng)器(62、64、66、70)提供信號(hào)來(lái)移動(dòng)纜繩(130)，從而移動(dòng)機(jī)械連桿(38)。
文檔編號(hào)G05D3/12GK1531670SQ02814351
公開(kāi)日2004年9月22日 申請(qǐng)日期2002年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月16日
發(fā)明者佩德羅·格雷戈里奧, 尼爾·T·奧列恩, 戴維·W·貝雷, 史蒂文·P·瓦薩洛, P 瓦薩洛, T 奧列恩, W 貝雷, 佩德羅 格雷戈里奧 申請(qǐng)人:伊梅森公司