CN104361814B - 带力反馈的膝关节镜手术训练装置 - Google Patents
带力反馈的膝关节镜手术训练装置 Download PDFInfo
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Abstract
本装置含有五个空间自由度：滑块在滑轨上的轴向移动；支撑盘在水平面上的转动；手柄杆沿着轴线的上下移动；手柄杆竖直平面内的转动；手柄杆绕自身轴线的转动。操作者先调整装置到最适宜自己操作的位置，操作时零件的转动会传递给对应电机，电机将此信息传递给计算机，计算出相应的反馈力，并将此信息传递给电机，电机将此反馈力传递给零件，使体验者能获得最佳的训练效果。本发明专利能根据使用者的不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，并给出相应的反馈力，达到逼真模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时间，节省了培训费用，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。
Description
技术领域
本发明专利属于虚拟手术设备领域，涉及了力反馈技术，同时涉及一种虚拟膝关节镜手术的装置。
背景技术
虚拟手术，又称手术仿真，是虚拟现实技术在医学领域中的应用。虚拟现实技术通过计算机图形学中的真实感绘制方法逼真地表现出人体器宫的解剖结构、解剖位置、物理特征以及生理特征，模拟手术过程中可能遇到的各种现象，为医生提供一个虚拟的手术场景，同时通过交互设备，使医生能够感知到与虚拟器官的交互并通过与虚拟人体器官进行交互来完成手术过程的模拟。虚拟手术系统可供医生进行手术训练、手术计划甚至辅助真实的手术治疗。关节镜手术开始主要应用于膝关节，20世纪初起源于日本，20世纪70年代后在美国等国家得到长足的发展。关节镜手术器械价格昂贵，患者的手术需求较多，但是熟练使用的医生不多，主要是关节镜手术有很多制约因素，如医生的视野窄，手、眼的协作受到限制，手术器械的活动范围有限，手术操作难度高，不经过长期训练以及经验积累，医生难以胜任。而目前的方法是让被训练者观察有经验的外科医生的操作，以熟悉整个手术过程，或用其他塑料仿制品代替，受训者无法感受到手术器械与组织之间正确的力的交互，这样正式手术时风险很高。与快速发展的手术需求相比，缺乏熟练掌握关节镜手术的医生是制约关节镜手术普及发展的一个瓶颈。如何提供一种更好的方式对关节镜手术操作人员进行训练与教育，以缩短知识获取的时间和成本已经成为本领域亟待解决的问题，
基于虚拟现实技术的关节镜手术训练系统可以随时随地开展训练，使用成本很低，无疑对于手术技术的发展与推广具有很高的使用价值，但是当前国内的虚拟膝关节镜手术的研究多处于软件开发阶段，硬件交互设备的发展严重滞后，成为此关节镜手术虚拟训练水平提高的一大障碍。
发明专利内容
针对上述当前虚拟关节镜手术领域所遇到的问题，本发明专利提供一种虚拟膝关节镜手术交互装置，其能根据使用者不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，同时还可以通过电机感受到一种反馈力，给人一种更加逼真的效果，可以达到逼真模拟关节手术的效果，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。
本发明专利的技术方案为：带力反馈的膝关节镜手术训练装置，包括滑轨(1)、滑块(2)、支撑柱(3)、底板(4)、支撑盘(8)、第一支撑架(10)、第二支撑架(11)、第一齿轮(14)、第二齿轮(21)、第三齿轮(23)、齿条(17)、轴承连接盘(12)、第一联轴器(7)、第二联轴器(13)、第三联轴器(19)、第四联轴器(20)、角位移传感器(28)、第一电机(33)、第二电机(39)、第三电机(41)、第四电机(42)、第五电机(43)、第六电机(44)、第七电机(45)等组件，机构的左部分和右部分除手柄部位基本相同，其特征在于：该装置含有5个空间自由度、7个增量式编码器、7个电机和2个角位移传感器，应用力反馈技术，实时捕获操作者的动作，返还操作者相应的反馈力，滑轨(1)与滑块(2)可以进行横向调整。
本发明专利所述底板(4)的底面同连接盘(5)通过螺钉进行固定连接，然后连接盘(5)和第二电机(39)通过螺钉进行固定，这样使第二电机(39)固定在底板(4)底面处，以便后面接收第一联轴器(7)传递过来的转矩。
本发明专利所述第二电机(39)轴伸入第一联轴器(7)再通过第一联轴器(7)外表面的螺钉周向固定在一起，第一联轴器(7)另一端伸入支撑盘(8)的开孔得以固定，使得支撑盘(8)的水平面转矩可以传递给第一联轴器(7)，第一联轴器(7)进而将转矩通过电机轴传递给第二电机(39)，第二电机(39)接收到转动信号后将信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第二电机(39)，第二电机(39)以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈力而获得更真实的操作体验。
本发明专利所述第三电机(41)通过螺钉固定在轴承连接盘(12)上，轴承连接盘(12)通过螺钉固定在第一支撑架(10)上，因此第三电机(41)和轴承连接盘(12)以及第一支撑架(10)固定在一起，第三电机(41)伸出部分的电机轴伸入第二联轴器(13)，再通过第二联轴器(13)外表面的螺钉周向固定在一起，第二联轴器(13)的另一侧通过键连接和第一齿轮(14)周向固定，因此第一齿轮(14)的转动可以通过第二联轴器(13)传递给第三电机(41)。
本发明专利所述手柄杆(40)在杆的中间部位焊接固定上一个凸起块，凸起块的上下各有一个相同的连接块(统称为27)，上下两个连接块(27)通过螺钉固定在连接套(26)上，齿条(17)通过螺钉固定在连接套(26)的底部，因此手柄杆(40)、连接块(27)、连接套(26)和齿条(17)连接在一起，手柄杆(40)在竖直方向的上下移动通过凸起块带动连接块(27)，由连接块(27)带动连接套(26)进而带动齿条(17)一起上下移动。
本发明专利所述手柄杆(40)末端截面有一个一字型凸起，以便与连接套(26)内部的角位移传感器(28)的伸出轴截面刚好契合，角位移传感器(28)因此能感受到手柄杆的周向转动。
本发明专利所述手柄杆(40)通过键连接和轴(25)周向固定，在轴(25)的左侧套上长套筒(24)一方面起到挡圈的作用避免齿轮左侧轴向移动，一方面避免轴(25)的转动干扰到左侧联轴器(29)的转动，轴(25)的右侧相当于联轴器，第四电机(42)的伸出部分电机轴伸入轴(25)的截面孔内，通过轴(25)表面的螺钉固定使轴(25)和第四电机(42)达成周向固定，手柄杆(40)在竖直方向的上下移动带动齿条(17)进行上下移动，进而使第三齿轮(23)转动，第三齿轮(23)通过轴(25)将转矩传递给第四电机(42)，使第四电机(42)感受到第三齿轮(23)的转矩，第四电机(42)接收到转动信号后将信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第四电机(42)，第四电机(42)以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈力而获得更真实的操作体验。
本发明专利所述手柄杆(40)通过手柄架(31)和另两根杆固定在一起，再通过连接板(18)和第四联轴器(20)固定在一起，第四联轴器(20)通过键连接和第二齿轮(21)达成周向固定，手柄杆(40)在竖直平面前后转动会带动第四联轴器(20)进行转动，第四联轴器(20)带动第二齿轮(21)转动，进而将转矩传递给第一齿轮(14)和第二联轴器(13)，最终将转矩传递给第三电机(41)，第三电机(41)接收到转动信号后将信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第三电机(41)，第三电机(41)以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈力而获得更真实的操作体验。
本发明专利所述夹子(34)和连接件(36)通过螺钉进行固定，夹子(35)通过螺钉固定在连接件(37)上，第一电机(33)通过螺钉固定在夹子(35)上，第一电机(33)伸出部分电机轴伸入连接件(36)孔内，通过螺钉固定使夹子(34)和第一电机(33)达成周向固定，夹子(34)转动时带动连接件(36)以第一电机(33)轴为中心轴进行转动，并将转动传递给第一电机(33)，第一电机(33)接收到转动信号后将信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第一电机(33)，第一电机(33)以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈力而获得更真实的操作体验。
本发明专利所述整个机构装置右手部分可以更换刀具，当此装置右手部分需要用刀具时，夹子(34、35)和连接件(36)以及第一电机(33)部分可以拆下，将需更换的刀具放入连接件(37)的凹槽处，通过螺钉拧紧固定，此时装置右手部分模拟的是手术刀的操作。
本发明专利能根据使用者的不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，同时能感受到电机传递来的反馈力，达到逼真模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时间，节省了培训费用，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。
附图说明：
图1为本发明专利滑块和滑轨装配爆炸图；
图2为本发明专利底座处装配爆炸图；
图3为本发明专利支撑架处电机、轴承连接盘、联轴器和齿轮装配爆炸图；
图4为本发明专利角位移传感器部分装配爆炸图；
图5为本发明专利中间齿轮处装配爆炸图；
图6为本发明专利夹子处装配爆炸图；
图7为本发明专利中间轴处装配爆炸图；
图8为本发明专利支撑架处电机、联轴器和轴承装配爆炸图；
图9为本发明专利轴、联轴器、齿轮和轴承装配爆炸图；
图10为本发明专利总体结构示意图；
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明专利做进一步的说明。
带力反馈的膝关节镜手术训练装置，包括滑轨(1)、滑块(2)、支撑柱(3)、底板(4)、支撑盘(8)、第一支撑架(10)、第二支撑架(11)、第一齿轮(14)、第二齿轮(21)、第三齿轮(23)、齿条(17)、轴承连接盘(12)、第一联轴器(7)、第二联轴器(13)、第三联轴器(19)、第四联轴器(20)、角位移传感器(28)、第一电机(33)、第二电机(39)、第三电机(41)、第四电机(42)、第五电机(43)、第六电机(44)、第七电机(45)等组件，机构的左部分和右部分除手柄部位基本相同，其特征在于：该装置含有5个空间自由度、7个增量式编码器、7个电机和2个角位移传感器，应用力反馈技术，实时捕获操作者的动作，返还操作者相应的反馈力，滑轨(1)与滑块(2)可以进行横向调整。
如图2所示，底板(4)的底面同连接盘(5)通过螺钉进行固定连接，然后连接盘(5)和第二电机(39)通过螺钉进行固定，这样使第二电机(39)固定在底板(4)底面处。
所述第二电机(39)轴伸入第一联轴器(7)再通过螺钉固定在一起，第一联轴器(7)另一端伸入支撑盘(8)得以固定，使得支撑盘的水平转动可以通过联轴器传递给第二电机(39)轴。
如图3所示，第三电机(41)通过轴承连接盘(12)和螺钉固定在第一支撑架(10)上，第三电机(41)轴通过第二联轴器(13)与第一齿轮(14)相连接，当手柄杆在竖直平面内转动时，手柄杆的转动通过连接板(18)、联轴器(20、13)、齿轮(21、14)、轴承连接盘(12)把竖直方向的转矩传递给第三电机(41)，电机因此通过计算机给出了相应的反馈力。
如图4所示，手柄杆(40)在杆的中间部位焊接上一个凸起块，使得手柄杆(40)可以同连接件(26)进行固定，竖直方向的上下移动可以通过连接件(26)传递给齿条(17)，以便带动齿条(17)一起上下移动。
所述手柄杆(40)末端截面有一个一字型凸起，以便与角位移传感器(28)相连接，接受手柄杆(40)的绕着自身轴向的转动。
如图5所示，手柄杆(40)的竖直方向上下移动带动齿条(17)进行上下移动，从而使第三齿轮(23)转动，第三齿轮(23)将转动通过轴传递给第四电机(42)，使电机能感受到手柄杆(42)的上下移动，并给出相应的反馈力。
所述手柄杆(40)的竖直方向转动时将带动第四联轴器(20)传递转动给第二齿轮(21)、再通过第二齿轮(21)将转动传递给第一齿轮(14)，继而通过第一齿轮(14)和第二联轴器(13)将转矩传递给第三电机(41)轴，使第三电机(41)能感受到手柄杆(40)的竖直方向的转矩，并给出相应的反馈力。
如图6所示，夹子(34)通过连接件(36)与第一电机(33)轴固定在一起，夹子(34)进行竖直方向转动带动连接件(36)一起绕着第一电机(33)
的轴线方向转动，并将此转动传递给第一电机(33)，使第一电机(33)感
受到夹子(34)的竖直方向的转矩，并给出相应的反馈力。
如图7所示，轴(25)端面处有圆孔，此处可插入电机轴，再通过圆面上的螺纹孔通过螺钉进行固定，轴(25)中间部位有键槽，与第三齿轮(23)进行周向固定，轴(25)另一侧与套筒(24)相套，这样手柄杆(40)的竖直方向上下运动可通过齿条(17)带动第三齿轮(23)，第三齿轮(23)通过键槽带动轴(25)进行周向转动，并将转矩传递给第四电机(42)，第四电机(42)给出了相应的反馈力。
如图8所示，第四电机(42)通过螺钉固定在第二支撑架(11)上，滚动轴承(22)嵌套在第二支撑架(11)内并与第三联轴器(19)相连，第三齿轮(23)通过轴(25)的键槽相连接，轴(25)与第四电机(42)相连接，使电机能感受到手柄杆上下的运动。
如图9所示，第四联轴器(20)与套筒(24)相嵌套，第二齿轮(21)通过键槽与第四联轴器(20)达成周向固定，通过连接板(18)来接受手柄杆(40)竖直平面的转动，并传递给第三电机(41)。
所述整个机构(如图10)左边的部分和右边的部分除去手柄处是对称的。
本装置含有五个空间自由度：滑块在滑轨上的轴向移动；支撑盘在水平面上的转动；手柄杆竖直方向的上下移动；手柄杆竖直平面内的转动；手柄杆绕自身轴线的转动。操作者先调整装置到最适宜自己操作的位置，操作时零件的转动会传递给对应电机，电机将此信息传递给计算机，计算出相应的反馈力，并将此信息传递给电机，电机将此反馈力传递给零件，使体验者能获得最佳的训练效果。
本发明专利能根据使用者的不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，并给出相应的反馈力，达到逼真模拟关节手术的效果，缩短了手术医师的培训时间，节省了培训费用，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。
Claims (7)
1.带力反馈的膝关节镜手术训练装置，包括滑轨(1)、滑块(2)、支撑柱(3)、底板(4)、支撑盘(8)、第一支撑架(10)、第二支撑架(11)、第一齿轮(14)、第二齿轮(21)、第三齿轮(23)、齿条(17)、轴承连接盘(12)、第一联轴器(7)、第二联轴器(13)、第三联轴器(19)、第四联轴器(20)、角位移传感器(28)、第一电机(33)、第二电机(39)、第三电机(41)、第四电机(42)、第五电机(43)、第六电机(44)、第七电机(45)，机构的左部分和右部分除手柄部位外其余相同，其特征在于：该装置含有5个空间自由度、7个增量式编码器、7个电机和2个角位移传感器，应用力反馈技术，实时捕获操作者的动作，返还操作者相应的反馈力，滑轨(1)与滑块(2)可以进行横向调整；
底板(4)的底面同连接盘(5)通过螺钉进行固定连接，然后连接盘(5)和第二电机(39)通过螺钉进行固定，这样使第二电机(39)固定在底板(4)底面处，以便后面接收第一联轴器(7)传递过来的转矩；
第二电机(39)轴伸入第一联轴器(7)再通过第一联轴器(7)外表面的螺钉周向固定在一起，第一联轴器(7)另一端伸入支撑盘(8)的开孔得以固定，使得支撑盘(8)的水平面转矩可以传递给第一联轴器(7)，第一联轴器(7)进而将转矩通过电机轴传递给第二电机(39)，第二电机(39)接收到转动信号后将信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第二电机(39)，第二电机(39)以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈力而获得更真实的操作体验；
第三电机(41)通过螺钉固定在轴承连接盘(12)上，轴承连接盘(12) 通过螺钉固定在第一支撑架(10)上，因此第三电机(41)和轴承连接盘(12)以及第一支撑架(10)固定在一起，第三电机(41)伸出部分的电机轴伸入第二联轴器(13)，再通过第二联轴器(13)外表面的螺钉周向固定在一起，第二联轴器(13)的另一侧通过键连接和第一齿轮(14)周向固定，因此第一齿轮(14)的转动可以通过第二联轴器(13)传递给第三电机(41)。
2.根据权利要求1所述的带力反馈的膝关节镜手术训练装置，其特征在于：手柄杆(40)在杆的中间部位焊接固定上一个凸起块，凸起块的上下各有一个相同的连接块(27)，上下两个连接块(27)通过螺钉固定在连接套(26)上，齿条(17)通过螺钉固定在连接套(26)的底部，因此手柄杆(40)、连接块(27)、连接套(26)和齿条(17)连接在一起，手柄杆(40)在竖直方向的上下移动通过凸起块带动连接块(27)，由连接块(27)带动连接套(26)进而带动齿条(17)一起上下移动。
3.根据权利要求1所述的带力反馈的膝关节镜手术训练装置，其特征在于：手柄杆(40)末端截面有一个一字型凸起，以便与连接套(26)内部的角位移传感器(28)的伸出轴截面刚好契合，角位移传感器(28)因此能感受到手柄杆的转动角度。
4.根据权利要求1所述的带力反馈的膝关节镜手术训练装置，其特征在于：第三齿轮(23)通过键连接和轴(25)周向固定，在轴(25)的左侧套上长套筒(24)一方面起到挡圈的作用避免齿轮左侧轴向移动，一方面避免轴(25)的转动干扰到左侧联轴器(29)的转动，轴(25)的右侧相当于联轴器，第四电机(42)的伸出部分电机轴伸入轴(25)的截面孔内，通过轴(25)表面的螺钉固定使轴(25)和第四电机(42)达成周向固定，手柄杆(40)在竖直方向的上下移动带动齿条(17)进行上下移动，进而使第三齿轮(23)转动，第 三齿轮(23)通过轴(25)将转矩传递给第四电机(42)，使第四电机(42)感受到第三齿轮(23)的转矩，第四电机(42)接收到转动信号后将转动信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第四电机(42)，第四电机(42)以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈里而获得更真实的操作体验。
5.根据权利要求1所述的带力反馈的膝关节镜手术训练装置，其特征在于：手柄杆(40)通过手柄架(31)和另两根杆固定在一起，再通过连接板(18)和联轴器(20)固定在一起，联轴器(20)通过键连接和第二齿轮(21)达成周向固定，手柄杆(40)在竖直平面前后转动会带动联轴器(20)进行转动，联轴器(20)带动第二齿轮(21)转动，进而将转矩传递给第一齿轮(14)和第二联轴器(13)，最终将转矩传递给第三电机(41)，第三电机(41)接收到转动信号后将信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第三电机(41)，第三电机(41)以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈力而获得更真实的操作体验。
6.根据权利要求1所述的带力反馈的膝关节镜手术训练装置，其特征在于：夹子(34)和连接件(36)通过螺钉进行固定，夹子(35)通过螺钉固定在连接件(37)上，第一电机(33)通过螺钉固定在夹子(35)上，第一电机(33)伸出部分电机轴伸入连接件(36)孔内，通过螺钉固定使夹子(34)和第一电机(33)达成周向固定，夹子(34)转动时带动连接件(36)以第一电机(33)轴为中心轴进行转动，并将转动传递给第一电机(33)，第一电机(33)接收到转动信号后将信号传递给增量式编码器，并由增量式编码器传递给系统进行计 算，系统经过计算后反馈给增量式编码器反馈力数据，增量式编码器再将此数据传递给第一电机(33)，第一电机(33)以此数据产生一个反馈力，操作者因此感受到反馈力而获得更真实的操作体验。
7.根据权利要求1所述的带力反馈的膝关节镜手术训练装置，其特征在于：此装置右手部分可以更换刀具，当此装置右手部分需要用刀具时，夹子(34、35)和连接件(36)以及第一电机(33)部分可以拆下，将需更换的刀具放入连接件(37)的凹槽处，通过螺钉拧紧固定，此时装置右手部分模拟的是手术刀的操作。
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