带有基于磁流变的致动器的力反馈夹持设备的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及力反馈夹持设备，特别是用于医疗介入的力反馈夹持设备。本 发明具体地涉及对致动机械夹具中的磁流变弹性体（"MRE"）的力反馈控制，用于向对象、 特别是解剖对象（例如，器官、血管、异物等）施加夹持力。
【背景技术】
[0002] 在医疗和工业操纵中使用的大多数常规夹具/镊子不提供力反馈。力受控制的运 动的缺乏能够导致被操纵的对象的损坏（例如，在医疗应用中的组织撕裂）或对夹具的损 坏（如果夹具的一部分保留在患者体内可能引起发炎）或者制造中的结构缺陷。
[0003] 在本领域中公知的力反馈夹具使用常规的致动，例如电子电机和机械传动。这些 致动器的响应时间通常较低，因为其依赖于传动单元的惯性力矩。此外，这些组件难以小型 化，因为它们是从大量的移动的部件来制造的。对于气动致动器也是同样的。
[0004] 备选地，例如电热致动器能够小型化，但是散热在医疗和制造的某些应用中是不 能被接受的。
【发明内容】
[0005] 本发明的一种形式是采用机械夹具和电磁致动器的磁流变弹性体（"MRE"）夹持 设备。所述机械夹具能够被致动到用于夹持对象的多个夹持姿势中的一个。电磁致动器包 括MRE，其中，MRE能够根据被施加到MRE的磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，并且 其中，MRE的每个形状使所述机械夹具致动到所述夹持姿势中的一个。
[0006] 针对本发明的目的，MRE的"形状"广泛地涵盖任何一般形状（例如，环形、球形、多 边形、棱柱、圆柱、圆锥等），并且MRE的"多个形状"广泛地涵盖（1)在相同的一般形状的一 个或多个维度上的变化，和/或（2)在两个（2) -般形状之间的转换。例如，MRE22a可以 具有一般的棱柱形状，其在磁场的最小强度被施加到MRE时是立方形式的，并且在磁场的 最大强度被施加到MRE时被拉长为矩形形式的，反之亦然。通过其他范例，当磁场的最小强 度被施加到MRE时MRE可以具有圆柱体形状，其在磁场的最大强度被施加到MRE时转换为 圆锥形状，或反之亦然。
[0007] 本发明的第二种形式是采用机械夹具、电磁致动器和力反馈控制器的力反馈夹持 设备。所述机械夹具能够被致动到用于夹持对象的多个夹持姿势中的一个。所述电磁致动 器包括MRE，其中，所述MRE能够根据被施加到MRE的磁场的可变强度在多个形状之间进行 转换，并且其中，所述MRE的每个形状使所述机械夹具致动到所述夹持姿势中的一个。所述 力反馈控制器能够基于对所述机械夹具的夹持力的估计并基于响应于所述机械夹具的夹 持力的对所述对象的负载力的感测来控制被施加到所述MRE的所述磁场的强度。
[0008] 本发明的第三种形式是一种控制上述力反馈夹持设备的方法。所述方法涉及向所 述MRE施加磁场，其中，所述MRE根据磁场的可变强度在多个形状之间进行转换，并且其中， 所述MRE的每个形状使机械夹具致动到用于夹持所述对象的多个夹持姿势中的一个。所述 方法还涉及基于对所述机械夹具的夹持力的估计并基于响应于所述夹具的夹持力的对所 述对象的负载力的感测来控制被施加到所述MRE的所述磁场的可变强度。
[0009] 根据与附图结合阅读的本发明的各种实施例的以下详细描述，本发明的上述形式 和其他形式，以及本发明的各种特征和优点将变得更加显而易见。详细的描述和附图仅仅 是对本发明的示意性说明而非限制，本发明的范围由所附权利要求及其等价方案限定。
【附图说明】
[0010] 图1图示了根据本发明的力反馈夹持设备的范例性实施例。
[0011] 图2A和图2B分别图不了在打开状态和关闭状态下不出的根据本发明的MRE夹持 设备的第一范例性实施例。
[0012] 图3A和图3B分别图不了在打开状态和关闭状态下不出的根据本发明的MRE夹持 设备的第二范例性实施例。
[0013] 图4图示了根据本发明的MRE电磁体的第一范例性实施例。
[0014] 图5图示了根据本发明的MRE电磁体的第二范例性实施例。
[0015] 图6图示了根据本发明的MRE电磁体的第三范例性实施例。
[0016] 图7图示了表示根据本发明的夹持力估计方法的范例性实施例的流程图。
[0017] 图8图示了根据本发明的力反馈控制方案的范例性实施例。
[0018] 图9图示了MRE的已知特征曲线。
【具体实施方式】
[0019] 参考图1，本发明的力反馈夹持设备20采用力反馈控制器21、电磁致动器22、机械 夹具23和负载传感器24,用于夹持对象10、特别是解剖对象（例如，器官、血管、异物等）。 针对本发明的目的，术语"夹持"在本文中广泛地被限定为对象10上的设备20的任何有力 接触，包括但不限于，设备20夹持、抓紧、夹紧、挤压、抓住和/或保持对象10。
[0020] 在通常的操作中，力反馈控制器21向电磁致动器22通信致动信号AS，以通过电磁 致动器22控制被施加到磁流变弹性体（"MRE"）22a的可变强度的磁场Hvfs的生成。磁场 Hvfs的强度确定MRE22a的二维（"2D"）或三维（"3D"）形状，并且在磁场Hvfs的强度中 的任何变化使MRE22a的形状在与磁场Hvfs的最小强度（例如，MRE22a的零磁通密度B) 相关联的基线形状与磁场Hvfs的最大强度（例如，MRE22a的饱和磁通密度B)相关联的完 全致动的形状之间进行变更。
[0021 ] 在实践中，MRE22a的"形状"广泛地涵盖任何一般形状（例如，环形、球形、多边 形、棱柱、圆柱、圆锥等），并且MRE的"多个形状"广泛地涵盖（1)在相同的一般形状的一个 或多个维度上的变化，和/或（2)在两个（2) -般形状之间的转换。例如，MRE22a可以具 有一般的棱柱形状，其在磁场Hvfs的最小强度被施加到MRE22a时是立方形式的，并且在磁 场Hvfs的最大强度被施加到MRE22a时是被拉长为矩形形式的，或反之亦然。通过其他范 例，当磁场Hvfs的最小强度被施加到MRE22a时，MRE22a可以具有圆柱体形状，其在磁场 Hvfs的最大强度被施加到MRE22a时转换为圆锥形状，或反之亦然。
[0022] 此外，用于磁场Hvfs的强度的术语"最小"和"最大"的使用是用于相对值的目的， 并非是能够通过电磁致动器22生成的绝对的最小和最大的磁场强度值。因此，在实践中， 磁场Hvfs的最小强度可以是非零磁场，并且磁场Hvfs的最大强度可以对应或不对应于MRE22a的饱和磁通密度B。
[0023] 仍然参考图1，机械夹具23被耦合到至MRE22a，由此，MRE22a的每个形状使机 械夹具23致动到在对应于MRE22a的基线形状的最小夹持姿势与对应于MRE22的完全致 动形状的最大夹持姿势之间的多个夹持姿势中的一个。当机械夹具23被致动为夹持对象 10时，对象10经受负载力LF，所述负载力LF取决于机械夹具23的夹持力GF、机械夹具23 和对象10的接触表面、机械夹具23和对象10的材料特性（例如，屈服强度、疲劳强度、拉 伸强度、压缩强度、韧性、弹性模数、延展性等）以及机械夹具23和对象10的物理特性（例 如，质量、横截面积等）。负载传感器24向力反馈控制器21通信负载信号LS，其指示负载 力LF，并且响应于所述负载力LF，力反馈控制器21经由负载信号LS利用负载力LF的感测 和对夹持力GF的估计来经由致动信号AS控制磁场Hvsf的可变强度，以机械夹具23牢固地 夹持对象10而不对对象10造成任何损坏为目标。
[0024] 下文对力反馈控制器21、电磁驱动器22、机械夹具23和负载传感器24进行定义 性描述。
[0025] 针对本发明的目的，力反馈控制器21在本文中被广泛地定义为被配置为基于对 夹持力GF的估计并基于对经由负载信号LS的负载力LF的感测经由致动信号AS来控制磁 场Hvsf的可变强度的任何数据处理结构。力反馈控制器21的范例包括但不限于，微处理器 (例如，数字信号处理器）、微控制器、专用硬件/固件、可编程的硬件和可重新编程的固件。 在实践中，致动信号AS可以具有任何的电信号形式（例如，电压或电流、DC或AC等）并且 可以通过任何形式的电信号传输（例如，电的或光学的、有线或无线等）与电磁致动器22 进行通信。此外，在实践中，力反馈控制器21可以与磁致动器22和/或机械夹具23集成， 或者在物理上远离磁致动器22和机械夹具23。
[0026] 针对本发明的目的，电磁致动器22在本文中被广泛地定义为采用具有磁流变流 体/颗粒的任何类型的弹性体的任何电磁结构，由此，弹性体的弹性特性通过局部生成的 可变强度磁场Hvrf是可控的。在实践中，MRE22a可以具有适合于设备20的所需应用的任 何材料组份。在一个实施例中，MRE22a包括嵌入聚合物基体中的铁磁性颗粒。例如，所述 铁磁性颗粒为嵌入在橡胶基体（例如，硅橡胶）中的3-5ym的纯铁。
[0027] 此外，在实践中，MRE22a可以具有相对于局部生成的可变磁场Hvfs的任何对齐。 另外，MRE22a可以被直接耦合至机械夹具23,或者电磁致动器22可以额外地包括将MRE 22a耦合至机械夹具23 (例如，弹簧、杆等）的（多个）部件。
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