CN101261781B - 五自由度力反馈虚拟手术器械 - Google Patents

Abstract

一种五自由度力反馈虚拟手术器械，属于医疗训练器械领域。本发明包括：控制检测系统、机械机构，所述的机械机构包括一组底脚、底板、两个立柱、顶板、四个减速轮、四个减速弧、四个固定板、两个剪刀柄、两平行导杆、一组拉杆、操作杆、滚动轴承、上横梁、下横梁、滚轮、滑块、五个驱动执行元件，传感器采集设备手柄的位姿以及操作速度等交互系统输入信息，而驱动执行件施加各种作用力和阻尼作用给设备操作者。五自由度力反馈虚拟手术器械可实现五个自由度运动并可实现五个自由度上力觉反馈功能，其允许的人体运动关节包括手臂的腕关节、肘关节和肩关节，操作者可利用虚拟手术器械实现手术剪刀、手术夹钳、手术刀、手术磨钻等的虚拟手术动作。

Description

五自由度力反馈虚拟手术器械

技术领域

本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的手术器械，特别是一种五自由度力反馈虚拟手术器械。

背景技术

现代科学的发展越来越多体现多学科的交叉和渗透。虚拟现实在医学领域的应用，使得虚拟手术成为正在发展起来的研究方向。虚拟手术可以帮助医生制定手术方案；也可以重复练习，降低手术训练费用，缩短培养外科医生的周期，虚拟手术克服了依靠传统临床观摩实践来训练医生时遇到的操作机会少、操作对象昂贵等问题，对医学手术培训具有重要意义。实施虚拟手术的重要条件之一是提供虚拟的手术器械进行手术操作，作为操作者与虚拟场景进行实时交互的工具。经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号：02118522.0，名称为：虚拟手术刀装置，该专利中使用了磁传感器的三维跟踪装置测出手术刀的三维位姿信息，通过比例电磁铁提供驱动力，实现手术刀切割方向的单方向反馈力，但满足要求的三维跟踪装置成本较高，只有一维的力反馈，且不能适用于手术剪刀、钳夹操作，而手术剪刀、手术钳夹的操作在许多外科手术中是重要的操作之一。检索中还发现，中国专利申请号：200510027052.9，名称为：多功能虚拟手术器械，该专利使用直线位移和旋转位移传感器采集位移数据，通过设计带有剪刀手柄操作杆的工作台实现手术剪刀、钳夹和手术刀的虚拟操作，但该装置尚不具备力反馈功能。而操作手术器械时的力觉感知对于手术医生至关重要，虚拟手术刀、虚拟手术剪刀，虚拟手术钳夹的力反馈功能对于虚拟手术的逼真程度有较大的影响。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提供一种五自由度力反馈虚拟手术器械。使其具有力反馈功能，适合手术剪刀操作，也适合手术夹钳、手术刀、手术缝针等操作，实现虚拟手术系统中操作者与虚拟场景的交互，主要适合于腔镜外科、微创外科、显微外科等虚拟手术的操作。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括：控制检测系统、机械机构。所述的机械机构包括一组底脚、底板、两个立柱、顶板、四个减速轮、四个减速弧、四个固定板、两个剪刀柄、两平行导杆、一组拉杆、操作杆、滚动轴承、上横梁、下横梁、滚轮、滑块，五个驱动执行元件。它们的连接关系为：第一减速弧用滚动轴承与底板固定，从而底板可自转；两个立柱固定在第一减速弧上，第一减速轮安装在第一驱动执行元件的转动轴上，第一驱动执行元件固定在第一固定板上，第一固定板固定在底板上，第二减速轮安装在第二驱动执行元件的转动轴上，第二驱动执行元件固定在第一立柱上，第二减速弧固定在顶板上，第二减速弧的侧面与第一立柱滚动连接，第三驱动执行元件固定在第二固定板上，第二固定板固定在顶板上，第二固定板的侧面与第二立柱滚动连接，剪刀柄固定在第三固定板上，剪刀柄与第四减速弧固定，同时与第三固定板滚动连接，第四减速轮安装在第五驱动执行元件的转动轴上，第五驱动执行元件固定在第三固定板上，操作杆固定在第三固定板上，第三减速轮安装在第四驱动执行元件的转动轴上，第四驱动执行元件固定在顶板上，两平行导杆和一组拉杆一端固定在顶板上，另一端固定在第四固定板上，上横梁、下横梁固定在两平行导杆上，上横梁、下横梁的中间分别与滚轮滚动连接，镶嵌在上横梁的滚轮安装在第三驱动执行元件的转动轴上，操作杆穿过第三减速弧与之平动连接，操作杆的下端固定在滑块上，滑块与两平行导杆滑动连接。五个驱动执行元件与控制检测系统连接。

所述五个驱动执行元件(第一驱动执行元件、第二驱动执行元件、第三驱动执行元件、第四驱动执行元件、第五驱动执行元件)的实现形式可以是微型伺服电机，也可以是电/磁流变液元件、磁粉制动器。

所述机械机构的传动形式为线传动，线传动依靠紧绕在线轮上的传动线来传递主从动件间的机械运动和力矩。

所述四个减速轮分别与对应的四个减速弧线传动。镶嵌在上横梁、下横梁中间的两个滚轮之间的传动线固定在滑块上，通过操作杆的平动，带动下端的滑块沿两平行导杆滑动，拉动传动线传动。

所述的控制检测系统包括：处理与控制器、驱动板、传感器，处理与控制器与驱动板连接，驱动板与安装在机械机构中的驱动执行元件连接，传感器与驱动执行元件连接，将位移信号传输给处理与控制器。传感器检测出各运动自由度上的位置变化情况，将这些位置信息分别发送给处理与控制器；处理与控制器计算出操作手柄的空间位姿以及计算出各个驱动执行元件上的力或力矩参数；按照这些参数信息通过驱动板控制各驱动执行元件工作；这样，在操作手柄上便合成了所需的反馈力矢量。

所述传感器有五个，分别与五个驱动执行元件同轴安装的传感器，为位置/速度传感器。

本发明的有益效果：本发明是一套具有力反馈的虚拟手术剪刀器械，也可以应用于其它种类的手术器械，如手术钳夹、手术刀、手术磨钻的虚拟操作。本发明的人机交互设备可实现五个自由度运动并可实现五个自由度上力觉反馈功能，其允许的人体运动关节包括手臂的腕关节、肘关节和肩关节，操作者可以利用此交互设备完成各种复杂的手术动作。可以实现手术过程中，具有力反馈的手术剪、手术钳、手术刀、手术磨钻、手术打孔钻等操作，可适用于多种手术器械的多项培训任务。

附图说明

图1为本发明的机械机构示意图。

图2为本发明的检测控制系统的结构框图；

图中：一组底脚1，第一减速弧2、第二立柱3、滑块4、一组拉杆5、两平行导杆6、滚动轴承7、第三传感器8，第三驱动执行元件9、第二固定板10、第三减速弧11、操作杆12、第四减速轮13、第四减速弧14、两个剪刀柄15、16、第三固定板17、第五驱动执行元件18、第三减速轮19、顶板20、上横梁21、第四驱动执行元件22、第二减速弧23、第二传感器24，第二驱动执行元件25、第二减速轮26、第一传感器27，第一立柱28，下横梁29、第一驱动执行元件30、第一减速轮31、第一固定板32、底板33、滚轮34、第四固定板35、处理与控制器36、驱动板37、机械机构38、传感器39、控制检测系统40。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1、图2所示，本实施例包括：控制检测系统40，机械机构38。

所述的机械机构38包括一组底脚1、底板33、两个立柱(第二立柱3、第一立柱28)、顶板20、固定于驱动执行元件上的减速轮(第四减速轮13、第三减速轮19、第二减速轮26、第一减速轮31)、减速弧(第一减速弧2、第三减速弧11、第四减速弧14、第二减速弧23)、固定板(第二固定板10、第三固定板17、第一固定板32、第四固定板35)、第一剪刀柄15、第二剪刀柄16、两平行导杆6、一组拉杆5、操作杆12、滚动轴承7、上横梁21、下横梁29、滚轮34、滑块4，五个驱动执行元件(第三驱动执行元件9、第五驱动执行元件18、第四驱动执行元件22、第二驱动执行元件25、第一驱动执行元件30)。

它们的连接关系为：第一减速弧2用滚动轴承与底板33固定，从而底板可自转；两个立柱3、28固定在第一减速弧2上，第一减速轮31安装在第一驱动执行元件30的转动轴上，第一驱动执行元件30固定在第一固定板32上，第一固定板32固定在底板31上，第二减速轮26安装在第二驱动执行元件25的转动轴上，第二驱动执行元件25固定在第一立柱28上，第二减速弧23固定在顶板20上，第二减速弧23的侧面与第一立柱28滚动连接，第三驱动执行元件9固定在第二固定板10上，第二固定板10固定在顶板20上，第二固定板10的侧面与第二立柱3滚动连接，第一剪刀柄15固定在第三固定板17上，第二剪刀柄16与第四减速弧14固定，同时与第三固定板17滚动连接，第四减速轮13安装在第五驱动执行元件18的转动轴上，第五驱动执行元件18固定在第三固定板17上，操作杆12固定在第三固定板17上，第三减速轮19安装在第四驱动执行元件22的转动轴上，第四驱动执行元件22固定在顶板20上，两平行导杆6和一组拉杆5一端固定在顶板20上，另一端固定在第四固定板35上，上横梁21、下横梁29固定在两平行导杆6上，下横梁29的中间与滚轮34滚动连接，镶嵌在上横梁21的滚轮34安装在第三驱动执行元件9的转动轴上，操作杆12穿过第三减速弧11与之平动连接，操作杆12的下端固定在滑块4上，滑块4与两平行导杆6滑动连接。

各驱动执行元件的实现形式可以是微型伺服电机，也可以是电/磁流变液元件、磁粉制动器。

机械机构38的传动形式为线传动，线传动依靠紧绕在线轮上的传动线来传递主从动件间的机械运动和力矩。

四个减速轮31、26、19、13分别与对应的四个减速弧2、23、11、14线传动。镶嵌在上横梁21、下横梁29中间的两个滚轮34之间的传动线固定在滑块4上，通过操作杆12的平动，带动下端的滑块4沿两平行导杆6滑动，拉动传动线传动。

线传动平稳连续，无传动间隙，运动惯量小，驱动顺滑，成本低廉。传动线可以选择常见的不锈钢丝、高分子合成线、钨线等。为提高传动线与线轮间的摩擦力，在线轮上设置绕线槽；为保持线缆的张紧力，设置相应的紧线机构。

所述的控制检测系统40包括：处理与控制器36、驱动板37、传感器39，处理与控制器36与驱动板37连接，驱动板37与安装在机械机构38中的驱动执行元件连接，传感器39与驱动执行元件连接，将位移信号传输给处理与控制器36。

传感器39共有五个，为位置/速度传感器，与五个驱动执行元件(第三驱动执行元件9、第五驱动执行元件18、第四驱动执行元件22、第二驱动执行元件25、第一驱动执行元件30)同轴安装，位置传感器的实现形式可以是电位器、旋转变压器、编码器，速度传感器的实现形式可以是测速电机或者编码器元件；其中，一种较理想的实现形式是采用光电式数字编码器，同时测量角位移和转速两个参数。

操作者握住两个剪刀柄15、16做开合操作时，第四减速弧14旋转运动，通过传动线带动第四减速轮13转动，带动第五驱动执行元件18的轴转动。

操作者握住两个剪刀柄15、16绕操作杆12旋转时，方形的操作杆12带动第三减速弧11旋转运动，通过传动线带动第三减速轮19转动，带动第四驱动执行元件22的轴转动。

操作者握住两个剪刀柄15、16绕垂直与第一减速弧2的轴旋转时，带动第一减速弧2旋转运动，通过传动线带动第一减速轮31转动，带动第一驱动执行元件30的轴转动。

操作者握住两个剪刀柄15、16绕平行与顶板20的轴旋转时，带动第二减速弧23旋转运动，通过传动线带动第二减速轮26转动，带动第二驱动执行元件25的轴转动。

操作者握住两个剪刀柄15、16沿操作杆12平动时，带动滑块4沿两平行导杆6滑动，拉动传动线传动，带动滚轮34转动，带动第三驱动执行元件9的轴转动。

五个驱动执行元件(第三驱动执行元件9、第五驱动执行元件18、第四驱动执行元件22、第二驱动执行元件25、第一驱动执行元件30)的轴的转动时，驱动执行元件后部安装的传感器39测量出驱动转动轴转动角度，再推算出对应的操作杆12平动距离、操作杆12自转角度、操作杆12的两个方向的旋转角度、剪刀的开合角度。根据处理与控制器36计算出各驱动执行元件力或力矩控制参数，按照这些控制参数信息通过驱动板37控制各驱动执行元件工作；使得各驱动执行元件产生与运动方向相反的力矩，从而实时采集操作杆12五自由度的运动信息，同时实现了五自由度的力觉反馈。

手术夹钳的实现原理与手术剪刀的相同。在实现手术刀的动作时，忽略剪刀柄的开合，即可得到手术刀的操作。在实现手术磨钻、手术打孔的动作时，再忽略操作杆的自转，即可得到手术刀的操作。

Claims (4)

1.一种五自由度力反馈虚拟手术器械，包括：控制检测系统、机械机构，其特征在于，所述的机械机构包括一组底脚、底板、两个立柱、顶板、四个减速轮、四个减速弧、四个固定板、第一剪刀柄、第二剪刀柄、两平行导杆、一组拉杆、操作杆、滚动轴承、上横梁、下横梁、滚轮、滑块、五个驱动执行元件，第一减速弧用滚动轴承与底板固定，两个立柱固定在第一减速弧上，第一减速轮安装在第一驱动执行元件的转动轴上，第一驱动执行元件固定在第一固定板上，第一固定板固定在底板上，第二减速轮安装在第二驱动执行元件的转动轴上，第二驱动执行元件固定在第一立柱上，第二减速弧固定在顶板上，第二减速弧的侧面与第一立柱滚动连接，第三驱动执行元件固定在第二固定板上，第二固定板固定在顶板上，第二固定板的侧面与第二立柱滚动连接，第一剪刀柄固定在第三固定板上，第二剪刀柄与第四减速弧固定，同时与第三固定板滚动连接，第四减速轮安装在第五驱动执行元件的转动轴上，第五驱动执行元件固定在第三固定板上，操作杆固定在第三固定板上，第三减速轮安装在第四驱动执行元件的转动轴上，第四驱动执行元件固定在顶板上，两平行导杆和一组拉杆一端固定在顶板上，另一端固定在第四固定板上，上横梁、下横梁固定在两平行导杆上，上横梁、下横梁的中间分别与滚轮滚动连接，镶嵌在上横梁的滚轮安装在第三驱动执行元件的转动轴上，操作杆穿过第三减速弧与之平动连接，操作杆的下端固定在滑块上，滑块与两平行导杆滑动连接，五个驱动执行元件与控制检测系统连接。

2.根据权利要求1所述的五自由度力反馈虚拟手术器械，其特征是，所述五个驱动执行元件是微型伺服电机，或是电/磁流变液元件，或磁粉制动器。

3.根据权利要求1所述的五自由度力反馈虚拟手术器械，其特征是，所述机械机构的传动形式为线传动，线传动依靠紧绕在线轮上的传动线来传递主从动件间的机械运动和力矩。

4.根据权利要求1所述的五自由度力反馈虚拟手术器械，其特征是，所述四个减速轮分别与对应的四个减速弧线传动，镶嵌在上横梁、下横梁中间的两个滚轮之间的传动线固定在滑块上，通过操作杆的平动，带动下端的滑块沿两平行导杆滑动，拉动传动线传动。

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