双驱动离体软组织多维力学响应测量平台及其测量方法技术

本发明专利技术公开了双驱动离体软组织多维力学响应测量平台及其测量方法。目前，对软组织力学响应的测量基本都集中在单轴特性上，而且依赖于专业的材料试验机。本发明专利技术的实验平台包括上平台底板、相机、相机支架一、相机支架二、钢丝绳、空气加热装置、滑轮组件和固定夹具；实验辅助平台包括双向拉伸机构、支柱、垫块和基座；双向拉伸机构共有两个。本发明专利技术利用滑轮和钢丝绳实现力的传递，通过双旋向丝杠实现单驱动条件下的双向同步位移，相比常见的拉伸试验平台只需要两个电机即可实现正交方向的双向同步位移；且可进行不同温度下的拉伸试验。

Multi-dimensional mechanical response measurement platform of double-drive soft tissue in vitro and its measurement method

【技术实现步骤摘要】
双驱动离体软组织多维力学响应测量平台及其测量方法
本专利技术属于测量
，具体涉及一种离体生物软组织的多维力学响应测量平台及其测量方法，能够在可控温度条件下通过软组织的单轴和双轴的拉伸实验来测量其力学响应。
技术介绍
虚拟手术模拟仿真作为医生训练操作机器人辅助手术系统的一个重要手段，其模拟的真实性主要依赖于软组织的模型准确性，而虚拟软组织模型的基础则是真实的软组织力学响应。目前，对软组织力学响应的测量基本都集中在单轴特性上，而且依赖于专业的材料试验机。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种结构简单的，能够测量离体软组织的多维力学响应测量平台及其测量方法，机构整体结构简单，通过螺纹传动实现相反方向的同步位移，通过滑轮组件和钢丝绳实现对软组织的拉伸过程，易于控制。本专利技术双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，由实验平台、温度传感器、保温箱和实验辅助平台组成；温度传感器固定在保温箱上。所述的实验平台包括上平台底板、相机、相机支架一、相机支架二、钢丝绳、空气加热装置、滑轮组件和固定夹具。所述的保温箱通过螺钉固定连接在上平台底板上，保温箱采用透明材质；空气加热装置、滑轮组件和固定夹具均设置在保温箱内；所述的空气加热装置通过螺钉固定在上平台底板上；固定夹具共有沿周向均布的四个；实验辅助平台设有两个双向拉伸机构，相对设置的每两个固定夹具为一组，每组的两个固定夹具由一个双向拉伸机构通过两根钢丝绳提供相等的拉力；每根钢丝绳绕过一个滑轮组件的绳轮。所述的相机支架一与相机支架二固定，相机支架二固定在上平台底板上，所述的相机通过螺钉固定在相机支架一上。所述的滑轮组件包括绳轮支架、绳轮、螺母一、螺栓一和垫圈。所述的绳轮通过轴承与螺栓一构成转动副，螺栓一穿过绳轮支架的过孔，并与螺母一连接；所述的螺栓一与螺母一之间设有垫圈。所述的固定夹具包括螺栓二、螺母二、夹爪和砂纸。所述的夹爪设有两块夹板；两块夹板的尾部通过连接板连接，两块夹板的头部相对的两个面上均粘有砂纸。螺栓二穿过两块夹板的过孔，并与螺母二连接。所述的实验辅助平台包括双向拉伸机构、支柱、垫块和基座。所述的基座与实验平台的上平台底板通过支柱固定连接。所述的双向拉伸机构包括轴承支架、螺母块连接架、线性滑块、双旋向丝杠、线性滑轨、联轴器、电机支架、电机、螺母块、拉力传感器和轴承。两个轴承支架通过螺钉间距固定在基座上，双旋向丝杠两端通过轴承支承在两个轴承支架上；电机的输出轴与双旋向丝杠的一端通过联轴器连接；电机的底座通过螺钉固定在电机支架上，电机支架通过螺钉固定在基座上；双旋向丝杠的两端螺纹旋向相反，双旋向丝杠的两端螺纹与两个螺母块分别构成螺旋副；每个螺母块与一个螺母块连接架下端通过螺钉固定连接，每个螺母块连接架上端与一个线性滑块通过螺钉固定连接。两个线性滑轨均通过螺钉固定在实验平台的上平台底板上，两个线性滑块与两个线性滑轨分别构成滑动副；两个拉力传感器的一端与两个螺母块连接架分别通过螺钉固定连接。所述的双向拉伸机构共有两个，两个双向拉伸机构的双旋向丝杠相互垂直；其中一个双向拉伸机构的轴承支架和电机支架与基座之间均设置垫块；每个双向拉伸机构的两个拉力传感器另一端与一组相对设置的两个固定夹具通过两根钢丝绳连接。所述的空气加热装置设有控制芯片，控制芯片接收温度传感器的信号，并对保温箱内的温度进行控制。所述保温箱内的温度为37℃。所述的支柱共有沿周向均布的四根。所述的两个轴承支架分别通过螺钉固定有轴承端盖一和轴承端盖二，轴承端盖一、轴承端盖二以及双旋向丝杠上的两个轴肩对支承双旋向丝杠的两个轴承实现轴向限位。所述每个双向拉伸机构的两个轴承支架上均铰接有定滑轮；每个双向拉伸机构连接的两根钢丝绳中，每个钢丝绳绕过该双向拉伸机构对应端的一个定滑轮。该双驱动离体软组织多维力学响应测量平台的测量方法，具体如下：单轴拉伸测量过程具体如下：在软组织样本上标记两个标记点，然后将软组织样本由相对设置的两个固定夹具夹紧，并保证两个标记点均位于连接固定夹具的钢丝绳所在直线上；固定夹具夹紧时通过松、紧螺母二实现固定夹具的两块夹板对软组织样本的夹持力，并保证两个固定夹具对软组织样本的夹持力相等。与该两个固定夹具通过钢丝绳连接的那个双向拉伸机构中，电机驱动双旋向丝杠旋转，从而带动两块螺母块直线相向移动，螺母块带动螺母块连接架和拉力传感器同步移动，使得两根钢丝绳同步拉动软组织样本两侧，实现软组织样本的拉伸形变，形变量通过相机拍摄软组织样本两个标记点之间的位移得到，拉力则通过两个拉力传感器的测量值均值得到。双轴拉伸测量过程具体如下：在软组织样本上标记沿周向均布的四个标记点，然后将软组织样本由沿周向均布的四个固定夹具夹紧，并保证相对的其中两个标记点位于同一根钢丝绳所在直线上；固定夹具夹紧时通过松、紧螺母二实现固定夹具的两块夹板对软组织样本的夹持力，并保证四个固定夹具对软组织样本的夹持力相等。每个双向拉伸机构中，电机驱动双旋向丝杠旋转，从而带动两块螺母块直线相向移动，螺母块带动螺母块连接架和拉力传感器同步移动，使得两根钢丝绳同步拉动软组织样本两侧；两个双向拉伸机构实现软组织样本的双轴拉伸形变，每个轴向的形变量通过相机拍摄软组织样本位于该轴向上的两个标记点之间的位移得到，每个轴向的拉力则通过该轴向上的两个拉力传感器的测量值均值得到。所述夹持力的具体值采用力矩扳手拧螺母二的方式来保证。本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术是一种结构紧凑，易于控制的离体软组织双轴拉伸测量平台。2、本专利技术结构简单，利用滑轮和钢丝绳实现力的传递，通过双旋向丝杠实现单驱动条件下的双向同步位移，相比常见的拉伸试验平台只需要两个电机即可实现正交方向的双向同步位移。3、本专利技术将实验平台和实验辅助平台分离，另传动机构处于实验平台下方，避免传动机构影响实验区域，更利于相机对软组织样本标记点数据的采集。4、本专利技术的实验平台设有空气加热装置和温度传感器，可进行不同温度下的拉伸试验，研究温度对软组织力学特性的影响。5、本专利技术的各部分部件易于装卸，维修方便。附图说明图1是本专利技术的整体结构图。图2是本专利技术的实验平台结构图。图3是本专利技术的滑轮组件结构图。图4是本专利技术的固定夹具结构图。图5是本专利技术的实验辅助平台结构图。图6是本专利技术的双向拉伸机构结构图。具体实施方式下面给出本专利技术的具体实施方式，并结合附图加以说明。结合图1，双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，由实验平台1、温度传感器2、保温箱3和实验辅助平台4组成。实验平台1用于实现对软组织样本的正交拉伸，并通过相机记录拉伸过程中软组织样本标记点的变化情况；温度传感器2固定在保温箱3上，用于测量保温箱3内的温度，以保证实验环境的温度能够稳定在37℃左右(模拟人体腹腔内的环境温度)；保温箱3用于使实验环境实现保温的效果；实验辅助平台4作为实验平台1的驱动输入。结合图2，实验平台1包括上平台底板1-1、相机1-2、相机支架一1-3、相机支架二1-4、钢丝绳1-5、空气加热装置1-6、滑轮组件1-7和固定夹具1-8。保温箱3通过螺钉固定连接在上平台底板1-1上，保温箱3采用透明材质；空气加热装置1-6、滑轮组件1-7和固定夹具1-8均设置在保温箱3内；空气加热装置1-6通过螺钉固定在上平台底板1-1上；空气加热装置1-6设有控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，由实验平台、温度传感器、保温箱和实验辅助平台组成，温度传感器固定在保温箱上；其特征在于：所述的实验平台包括上平台底板、相机、相机支架一、相机支架二、钢丝绳、空气加热装置、滑轮组件和固定夹具；所述的保温箱通过螺钉固定连接在上平台底板上，保温箱采用透明材质；空气加热装置、滑轮组件和固定夹具均设置在保温箱内；所述的空气加热装置通过螺钉固定在上平台底板上；固定夹具共有沿周向均布的四个；实验辅助平台设有两个双向拉伸机构，相对设置的每两个固定夹具为一组，每组的两个固定夹具由一个双向拉伸机构通过两根钢丝绳提供相等的拉力；每根钢丝绳绕过一个滑轮组件的绳轮；所述的相机支架一与相机支架二固定，相机支架二固定在上平台底板上，所述的相机通过螺钉固定在相机支架一上；所述的滑轮组件包括绳轮支架、绳轮、螺母一、螺栓一和垫圈；所述的绳轮通过轴承与螺栓一构成转动副，螺栓一穿过绳轮支架的过孔，并与螺母一连接；所述的螺栓一与螺母一之间设有垫圈；所述的固定夹具包括螺栓二、螺母二、夹爪和砂纸；所述的夹爪设有两块夹板；两块夹板的尾部通过连接板连接，两块夹板的头部相对的两个面上均粘有砂纸；螺栓二穿过两块夹板的过孔，并与螺母二连接；所述的实验辅助平台包括双向拉伸机构、支柱、垫块和基座；所述的基座与实验平台的上平台底板通过支柱固定连接；所述的双向拉伸机构包括轴承支架、螺母块连接架、线性滑块、双旋向丝杠、线性滑轨、联轴器、电机支架、电机、螺母块、拉力传感器和轴承；两个轴承支架通过螺钉间距固定在基座上，双旋向丝杠两端通过轴承支承在两个轴承支架上；电机的输出轴与双旋向丝杠的一端通过联轴器连接；电机的底座通过螺钉固定在电机支架上，电机支架通过螺钉固定在基座上；双旋向丝杠的两端螺纹旋向相反，双旋向丝杠的两端螺纹与两个螺母块分别构成螺旋副；每个螺母块与一个螺母块连接架下端通过螺钉固定连接，每个螺母块连接架上端与一个线性滑块通过螺钉固定连接；两个线性滑轨均通过螺钉固定在实验平台的上平台底板上，两个线性滑块与两个线性滑轨分别构成滑动副；两个拉力传感器的一端与两个螺母块连接架分别通过螺钉固定连接；所述的双向拉伸机构共有两个，两个双向拉伸机构的双旋向丝杠相互垂直；其中一个双向拉伸机构的轴承支架和电机支架与基座之间均设置垫块；每个双向拉伸机构的两个拉力传感器另一端与一组相对设置的两个固定夹具通过两根钢丝绳连接。...

【技术特征摘要】
1.双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，由实验平台、温度传感器、保温箱和实验辅助平台组成，温度传感器固定在保温箱上；其特征在于：所述的实验平台包括上平台底板、相机、相机支架一、相机支架二、钢丝绳、空气加热装置、滑轮组件和固定夹具；所述的保温箱通过螺钉固定连接在上平台底板上，保温箱采用透明材质；空气加热装置、滑轮组件和固定夹具均设置在保温箱内；所述的空气加热装置通过螺钉固定在上平台底板上；固定夹具共有沿周向均布的四个；实验辅助平台设有两个双向拉伸机构，相对设置的每两个固定夹具为一组，每组的两个固定夹具由一个双向拉伸机构通过两根钢丝绳提供相等的拉力；每根钢丝绳绕过一个滑轮组件的绳轮；所述的相机支架一与相机支架二固定，相机支架二固定在上平台底板上，所述的相机通过螺钉固定在相机支架一上；所述的滑轮组件包括绳轮支架、绳轮、螺母一、螺栓一和垫圈；所述的绳轮通过轴承与螺栓一构成转动副，螺栓一穿过绳轮支架的过孔，并与螺母一连接；所述的螺栓一与螺母一之间设有垫圈；所述的固定夹具包括螺栓二、螺母二、夹爪和砂纸；所述的夹爪设有两块夹板；两块夹板的尾部通过连接板连接，两块夹板的头部相对的两个面上均粘有砂纸；螺栓二穿过两块夹板的过孔，并与螺母二连接；所述的实验辅助平台包括双向拉伸机构、支柱、垫块和基座；所述的基座与实验平台的上平台底板通过支柱固定连接；所述的双向拉伸机构包括轴承支架、螺母块连接架、线性滑块、双旋向丝杠、线性滑轨、联轴器、电机支架、电机、螺母块、拉力传感器和轴承；两个轴承支架通过螺钉间距固定在基座上，双旋向丝杠两端通过轴承支承在两个轴承支架上；电机的输出轴与双旋向丝杠的一端通过联轴器连接；电机的底座通过螺钉固定在电机支架上，电机支架通过螺钉固定在基座上；双旋向丝杠的两端螺纹旋向相反，双旋向丝杠的两端螺纹与两个螺母块分别构成螺旋副；每个螺母块与一个螺母块连接架下端通过螺钉固定连接，每个螺母块连接架上端与一个线性滑块通过螺钉固定连接；两个线性滑轨均通过螺钉固定在实验平台的上平台底板上，两个线性滑块与两个线性滑轨分别构成滑动副；两个拉力传感器的一端与两个螺母块连接架分别通过螺钉固定连接；所述的双向拉伸机构共有两个，两个双向拉伸机构的双旋向丝杠相互垂直；其中一个双向拉伸机构的轴承支架和电机支架与基座之间均设置垫块；每个双向拉伸机构的两个拉力传感器另一端与一组相对设置的两个固定夹具通过两根钢丝绳连接。2.根据权利要求1所述的双驱动离体软组织多维力学响应测量平台，其特征在于：所述的空气加热装置设有控制芯片，控制芯片接收温度传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨景，金玲燕，胡明，赵德明，柴博，林江锋，高云，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33