CN108354588A - 一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构，包括运动控制部分、探针固定平台部分和探针钢架结构部分，运动控制部分包括一个底座a，底座a上固设有多个制动器，该制动器包括外圈和内圈，外圈固定于底座a上，内圈能够在外圈内转动并上、下移动；底座a外周均匀固设有多个滚珠滑组，该滚珠滑组包括外层和内层，外层固定于底座a上，内层底端固定于制动器的内圈上，并随制动器的内圈一起上、下移动，滚珠滑组内层上设置有位移传感，本发明采用制动器驱动探针固定平台上下移动，从而使得探针在皮肤上产生连续的形变，再借助于传感器测出的数据以及有限元结构分析法，能用于精确地分析出皮肤的各向异性、粘弹性、非线性等特征。

Description

一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构

技术领域

本发明涉及应用在探究人体皮肤力学特性的微型机器人技术领域，特别是一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构。

背景技术

皮肤组织生物特性测试研究不仅有助于医生判别皮肤组织是否发生病变，而且能够有效地优化外科手术方案，提高手术的安全性。早期皮肤力学特性的测量多采用活体生物力学法，在活体状态下，将人体麻醉，用医学仪器直接测量皮肤特性。这种方法没有考虑到皮肤组织的各向异性以及神经、体液、代谢、理化环境等对皮肤力学特性的影响。

随着现代力学特性测量手段的不断改进，各种生物力学测试方法广泛应用于皮肤力学研究，最常见的是压痕测量法，即在皮肤组织表面进行拉伸或挤压，根据位移和负载之间的动态响应过程，在利用传感器测得点的数据以及数值方法，获取皮肤组织的力学特性参数。针对在皮肤组织表面产生适当的位移，并利用位移和负载之间的动态关系获得皮肤的力学特性参数，科研人员进行了大量的探究。科学家Lanir在文章《A structure theoryfor the homogeneous biaxial stress-strain relationships in flat collagenoustissues》提出对腹部皮肤做了二维拉伸试验，即在两个相互垂直的方向上对皮肤施加力进而产生形变，该装置使用不便，且只能垂直或水平方向对皮肤进行测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构，该机械结构能携带探针在皮肤表面产生一定量的连续且规则的位移与形变，再借助于传感器测出的数据以及有限元分析法，能精确地分析出皮肤的各向异性、粘弹性、非线性等特征。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构，包括运动控制部分、探针固定平台部分和探针钢架结构部分，其中，运动控制部分包括一个底座a，底座a上固设有多个制动器，该制动器包括外圈和内圈，外圈固定于底座a上，内圈能够在外圈内转动并上、下移动；底座a外周均匀固设有多个滚珠滑组，该滚珠滑组包括外层和内层，外层固定于底座a上，内层底端固定于制动器的内圈上，并随制动器的内圈一起上、下移动，滚珠滑组内层上设置有位移传感，内层顶端设置有定位销；

探针固定平台部分包括底座b，底座b的底面设置有导柱，通过将定位销设置于导柱中，将运动控制部分与探针固定平台部分连接在一起；底座b的顶面设置有用于连接探针钢架结构部分的磁铁，磁铁周围均匀设置有位移传感器；

探针钢架结构部分包括一个与磁铁吸附连接的底座c，底座c的顶面设置有一个支撑柱，该支撑柱顶面连接探针，探针的顶面设置有生物力学传感器，支撑柱的外圆周面上均布有加强筋，加强筋与底座b上的位移传感器接触连接。

优选地，底座a为六棱柱状刚体结构，底座a具有六个侧平面，便于定位和安装滚珠滑组。

进一步优选地，共有三个滚珠滑组，底座a具有六个侧平面，每间隔一个侧平面设置一个滚珠滑组，且三个滚珠滑组呈等边三角形设置。

更进一步优选地，共有三个制动器，制动器在底座a上呈等边三角形设置，制动器为美国BEI-KimcoLA15音圈式制动器。

本发明所述底座b为圆柱体结构，磁铁也为圆柱体形，磁铁周围呈等边三角形设置三个U型滑槽，滑槽内设置位移传感器。

本发明的原理是：

本发明采用型号相同的三个音圈式制动器驱动滚珠滑组内层上、下移动，三个制动器可以同时启动或任选启动，从而使得探针固定平台部分获得不同的空间位置和姿态，这样实现探针固定平台三自由度运动或两自由度运动，探针固定平台再带动探针钢架结构部分以及探针运动，探针就能使皮肤产生三维形变或二维形变。滚珠滑组内层和探针固定平台上的位移传感器测出制动器带动探针发生的位移，探针上的生物力学传感器测出皮肤表面发生的形变应力与应变的大小。测出的数据再使用有限元分析法，就得准确得出人体皮肤各向异性、粘弹性、非线性的特征。

本发明采用上述技术方案具有如下技术效果：

本发明采用制动器驱动探针固定平台上下移动，从而使得探针在皮肤上产生连续的形变，再借助于传感器测出的数据以及有限元结构分析法，能用于精确地分析出皮肤的各向异性、粘弹性、非线性等特征。

附图说明

图1为运动控制部分的结构示意图。

图2为探针固定平台部分的结构示意图。

图3为图2的俯视图结构。

图4为探针钢架结构部分的结构示意图。

图5为本发明整体结构示意图。

具体实施方法

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

如图5所示，本发明所述一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构包括运动控制部分、探针固定平台部分和探针钢架结构部分。

如图1所示，运动控制部分包括一个底座a1，底座a上固设有多个制动器2，该制动器包括外圈和内圈，外圈固定于底座a上，内圈能够在外圈内转动并上、下移动；底座a外周均匀固设有多个滚珠滑组3，该滚珠滑组包括外层4和内层5，外层固定于底座a上，内层底端固定于制动器的内圈上，并随制动器的内圈一起上、下移动，滚珠滑组内层上设置有位移传感；内层顶端设置有定位销6。

本实施例中优选底座为六棱柱状刚体结构。

本实施例中共有三个滚珠滑组，六棱柱底座具有六个侧平面，每间隔一个侧平面设置一个滚珠滑组，且三个滚珠滑组呈等边三角形设置。所述滚珠滑组为现有结构，本实施例中优选日本IKO直线导轨BSP1035 SL。

本实施例中共有三个制动器，制动器在底座上呈等边三角形设置，制动器为现有技术，本实施例中优选美国BEI-KimcoLA15音圈式制动器，它能产生大于3mm的位移以及大于100Hz的频率，动作精度高。该制动器包括外圈和内圈，外圈固定于底座上，内圈能够转动，并能在外圈内相对上下移动。

本实施例中在滚珠滑组内层上放置三个位移传感器，用来动态的测量运动时制动器内圈的上下位移，以此来分析对机器人工作顶点的控制，通过位移传感器输出的电压可以推算出制动器内圈的位移。本实施例中选用光电二极管式传感器，优选日本KODENSHI公司的SG-2BC，它具有测量精度高，价格低等优点。将光电二极管式传感器安装在制动器上，把发光二极管发出的光射入到塑性光纤上，光纤的自由端安装在制动器的运动部分，这样就可以照亮光电二极管。使用塑型光纤可以很有效的控制光照方向，并且在制动器的内圈上不需要安装其他设备。在光纤的末端安装一个显微镜，这样可以把光线全部聚集到光电二极管上。

如图2、3所示，探针固定平台部分包括底座b7,底座b的底面设置有导柱8，通过将定位销设置于导柱中，将运动控制部分与探针固定平台部分连接在一起；底座b的顶面设置有用于连接探针钢架结构部分的磁铁9，磁铁周围均匀设置有位移传感器10。

磁铁周围设置的位移传感器与滚珠滑组内层上的位移传感器均可用于测量探针的位移量，单纯以滚珠滑组内层上的位移传感器测量探针的位移量会因结构件之间的安装及相对滑动造成误差，故在底座b上再设置位移传感器。

如图3所示，本实施例中优选底座b为圆柱体结构，磁铁也为圆柱体形，磁铁周围呈等边三角形设置三个U型滑槽11，滑槽内设置位移传感器。制动器的运动与探针的运动存在一一对应的关系，制动器呈等边三角形状放置，所以位移传感器也这样设置，能更准确的测出探针各个方向上的位移。

底座a、底座b均选用轻质的硬性材料以减小惯性，以减小制动器内圈转动带着探针上下移动时产生的弹性偏差，另外还须考虑防止底座与制动器的工作频率产生共振。

如图4所示，探针钢架结构部分包括一个与磁铁吸附连接的底座c12，底座c的顶面设置有一个支撑柱，该支撑柱顶面连接探针13，探针的顶面设置有生物力学传感器，支撑柱的外圆周面上均布有加强筋14，加强筋与底座b上的位移传感器接触连接，加强筋可以为探针的支撑柱提供刚性强度，防止因探针与皮肤挤压，使支撑柱应力分配不均造成扭曲变形。

探针与皮肤接触，为减小探针对皮肤的伤害，探针的接触面可设计成圆形，当制动器启动时，带动探针运动，从而对皮肤表面产生位移。

本实施例中加强筋为直角梯形结构，加强筋的斜边自支撑柱外圆周面向底座c倾斜， 加强筋呈直角梯形设计主要为避免应力集中，梯形能提供的支撑力更大，且更加美观。

以上所述生物力学传感器可选用本申请人自主研发设计的传感器，亦可选用美国AMTI六维力传感器等商用传感器。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构，其特征在于，包括运动控制部分、探针固定平台部分和探针钢架结构部分，其中，运动控制部分包括一个底座a，底座a上固设有多个制动器，该制动器包括外圈和内圈，外圈固定于底座a上，内圈能够在外圈内转动并上、下移动；底座a外周均匀固设有多个滚珠滑组，该滚珠滑组包括外层和内层，外层固定于底座a上，内层底端固定于制动器的内圈上，并随制动器的内圈一起上、下移动，滚珠滑组内层上设置有位移传感，内层顶端设置有定位销；

探针固定平台部分包括底座b，底座b的底面设置有导柱，通过将定位销设置于导柱中，将运动控制部分与探针固定平台部分连接在一起；底座b的顶面设置有用于连接探针钢架结构部分的磁铁，磁铁周围均匀设置有位移传感器；

探针钢架结构部分包括一个与磁铁吸附连接的底座c，底座c的顶面设置有一个支撑柱，该支撑柱顶面连接探针，探针的顶面设置有生物力学传感器，支撑柱的外圆周面上均布有加强筋，加强筋与底座b上的位移传感器接触连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构，其特征在于，底座a为六棱柱状刚体结构。

3.根据权利要求2所述的一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构，其特征在于，共有三个滚珠滑组，底座a具有六个侧平面，每间隔一个侧平面设置一个滚珠滑组，且三个滚珠滑组呈等边三角形设置。

4.根据权利要求3所述的一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构，其特征在于，共有三个制动器，制动器在底座a上呈等边三角形设置，制动器为美国BEI-KimcoLA15音圈式制动器。

5.根据权利要求1所述的一种用于探究人体皮肤力学特性微型机器人的机械结构，其特征在于，底座b为圆柱体结构，磁铁也为圆柱体形，磁铁周围呈等边三角形设置三个U型的滑槽，滑槽内设置位移传感器。