CN104794949B - 一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，将无源的磁流变液被动力觉驱动器与有源的电机相结合，实现了有/无源混合执行器控制。T型操作杆与导轨滑块机构通过滚动轴承连接，这样T型操作杆既可以自由旋转又可以将直线方向的力传递到滑块上，同时T型操作杆可以在矩形旋转子上做直线无摩擦运动，可以将旋转力矩传递到矩形旋转子上，因此完成直线与旋转运动的耦合。利用电机和磁流变液阻尼器配合模拟骨髓针旋转与前进时受到的阻尼力和摩擦阻力，使本发明装置成为一种具有更强逼真性的骨髓穿刺虚拟手术的力觉交互装置。
Description
技术领域
本发明属于医疗器械领域，特别是用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置。
背景技术
虚拟手术训练中的力觉再现技术是非常重要的，引入力觉再现，可以使医生训练时不仅能够看到而且还能感觉到手术器官，医生能够沉浸虚拟世界，通过手和手臂的运动，与虚拟模型和环境进行交互，形成对虚拟模型的一个完整的认识，并感受到与虚拟对象交互产生的接触和力，如同操作真实物体一样，无疑可使训练更真实、准确、可靠。骨髓穿刺手术中，骨髓针一边旋转一边前进，垂直进入穿刺部位，要严格控制骨髓针进入骨髓腔的深度和角度，以免未到骨髓腔或者穿透骨髓腔，而造成提取骨髓不成功和加重患者痛苦。骨髓穿刺手术中仅受到被动阻尼力，即当用骨髓针去穿刺骨髓时，才会有一个反作用力，不主动的作用，就不会受到作用力。
目前的力觉交互装置主要由有源和无源两种执行器驱动。有源执行器能够主动产生力施加于操作者，即操作者无动作也能感受到装置产生的作用力，由它驱动的力觉交互装置也叫主动型力觉交互装置。相反，无源为不能对操作者主动施加力，即操作者无动作时不能感受到装置的作用力，只有动作时才能感受到装置产生的反作用力。主动型力觉交互装置作用力的产生和控制主要是基于电动、气动、液压或电磁场等有源执行器，因此，它们普遍存在体积大、重量重、安全稳定性差、力觉交互范围小及保真性差的缺点。被动型力觉交互装置是能量耗散的，本身具备安全稳定的优点，且体积小、重量轻，但不能主动给操作者施加力，属于无源执行器。
现有的虚拟手术中力交互装置的力反馈驱动执行器主要是由电机、气动、液压等主动型驱动设备来实现。研究表明，产生同样大小力的主动式设备要比被动式设备的体积大得多。体积较大不易于安装和携带，而且使得力反馈装置的惯性变大。操作者操纵力反馈装置在无约束空间自由移动时，应能够自由运动，但因力反馈装置本身惯量的存在使其受重力或惯性力作用而产生错觉，以为在操作受力虚拟物体，在操作受力虚拟物体时也易产生附加的重力和惯性力形成失真。
而无源驱动器显然在骨髓穿刺虚拟手术中是不可或缺的。因为在骨髓穿刺虚拟手术中，骨髓针穿刺经过皮肤、肌肉、骨骼三层不同物理特性的生物组织，其物理粘弹性各不相同，骨髓针在穿刺肌肉皮肤时既受到弹性力又受到了粘性力，其弹性力可以用电机等主动性驱动机构来实现，而其粘性力可以使用无源驱动器来实现。而目前的力交互装置只提供单一有源或无源驱动器，无法真实的模拟穿刺肌肉与皮肤的触觉力。
另外，现存的虚拟手术的力反馈装置转动惯量大，在自由空间的力觉交互中操作者操作手柄时不能够轻松自如，装置阻抗大。本发明采用铝合金等轻质材质来减少运动部件的质量，在结构设计上尽量去除零件的冗余质量以降低运动惯量。
发明内容
要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，解决现有技术中的虚拟手术中力交互装置体积大而笨重，并且仅有单一的驱动器类型无法准确模拟骨髓穿刺手术真实感的技术问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，包括机械装置和控制系统；
所述机械装置包括T型操作杆、导轨滑块机构和矩形旋转子，所述T型操作杆包括头部横杆和与横杆垂直的导杆，其中导杆的末端固定有握持手柄，头部横杆两端均内嵌有直线轴承，直线轴承的轴向与T型操作杆的导杆方向平行，矩形旋转子的一组对边分别穿过两个直线轴承，矩形旋转子另一组对边中远离导杆的一边的中心与旋转方向控制器相连，所述旋转方向控制器包括同轴设置的一号磁流变液阻尼器和一号角度传感器；导轨滑块机构上的导轨平行于导杆方向，导轨滑块机构上的滑块内嵌有滚动轴承，所述导杆穿过滚动轴承；所述滑块通过曲柄连杆机构与平动方向控制器相连，所述平动方向控制器包括同轴设置的电机、二号磁流变液阻尼器、二号角度传感器以及固定在曲柄连杆机构的曲柄上的应变片。
所述控制系统包括上位机和下位机；其中下位机内设置有混合驱动算法，包括平动方向的PID闭环控制算法和旋转方向的控制算法；上位机内包括虚拟场景模块、碰撞检测模块和力反馈计算模块；所述虚拟场景模块包括虚拟骨髓针和虚拟人体并以虚拟现实3D动画模拟骨髓穿刺手术场景；所述碰撞检测模块接收下位机传递来的T型操作杆的位置信号，实时判断虚拟骨髓针与虚拟人体之间的位置关系并重新渲染视觉场景；所述力反馈计算模块根据虚拟骨髓针与虚拟人体上之间的位置关系并实时计算出需要反馈的力；
进行虚拟手术时，操作者旋转T型操作杆，矩形旋转子转动，一号角度传感器检测到矩形旋转子转过的角度并将角度位置信号经下位机传递给上位机，上位机计算出旋转方向的反馈力后将该力的大小传递给旋转方向的控制算法，旋转方向的控制算法根据一号磁流变液阻尼器的电流与阻尼力成线性关系直接控制电流输出来驱动旋转方向控制器中的一号磁流变液阻尼器提供精确的旋转方向的反馈力作用到矩形旋转子上，操作者会感受到旋转方向的阻力；操作者推动T型操作杆，滑块在导轨上滑动并带动曲柄连杆机构旋转，平动方向控制器中的角度传感器检测曲柄的旋转角度经下位机将其转换为T型操作杆在平动方向的位移信号并将平动方向位移信号传递给上位机，上位机计算出平动方向的反馈力后将该力的大小传递给平动方向的PID闭环控制算法，同时应变片将自身测到的力传递给平动方向的PID闭环控制算法，平动方向的PID闭环控制算法根据反馈力和应变片上测到的力之间的差值计算出平动方向控制器需要提供的力使得操作者手部实际受到的力等于平动方向的反馈力，平动方向控制器需要提供的力通过控制电机转速和二号磁流变液阻尼器上的电流共同作用实现并最终传递到T型操作杆上，操作者会感受到平动方向的阻力；
作为优选的，在本发明中，矩形旋转子上穿过直线轴承的对边均为铝合金制成的光杆。因摩擦阻力对精度有很大影响，故利用光杆尽可能的降低阻力。
作为优选的，在本发明中，所述T型操作杆的材料为铝合金。
采用铝合金等轻质材质来减少运动部件的质量，在结构设计上尽量去除零件的冗余质量以降低运动惯量，使虚拟手术中矩形旋转子的转动惯量变得很小，在自由空间的力觉交互中操作者操作T型操作杆时能够轻松自如。并且铝合金硬度较大，提高装置刚度。
进一步的，在本发明中，矩形旋转子通过弹性联轴器与旋转方向控制器相连。通过弹性联轴器将旋转运动传递到旋转方向控制器上。
T型操作杆与矩形旋转子通过直线轴承连接，因此T型操作杆可以在矩形旋转子上做直线无摩擦运动，同时可以将旋转力矩传递到矩形旋转子上，完成直线与旋转运动的耦合。同理，T型操作杆与导轨滑块机构通过滚动轴承连接，这样T型操作杆可以自由旋转，同时可以将直线方向的力传递到滑块上，完成直线与旋转方向的耦合。
作为优选的，在本发明中，平动方向控制算法中加入摩擦分量，所述摩擦分量根据实验测得，所述摩擦分量通过电机旋转作用在T型操作杆上水平方向的力与T型操作杆受到的摩擦力大小相同、方向相反。考虑到摩擦会对精度有很大的影响，在直线运动方向通过电机带动T型操作杆来抵消摩擦。
进一步的，在本发明中，虚拟骨髓针在穿刺虚拟人体过程中，先后穿刺3层组织分别为皮肤层、肌肉层和骨髓层，力反馈计算模块根据不同组织设置不同计算参数。虚拟骨髓针穿刺经过皮肤层、肌肉层、骨髓层三层不同物理特性的生物组织，其物理粘弹性各不相同，骨髓针在穿刺肌肉皮肤时既受到弹性力又受到了粘性力，其弹性力可以用电机等主动性驱动机构来实现，而其粘性力可以使用无源驱动器来实现，本发明中在平动方向设置了电机与二号磁流变液阻尼器可以采用有/无源混合控制，更加逼真的模拟粘弹力共存的复合状态，实现了以往一种驱动器无法完成的功能。
有益效果：
本发明装置从骨髓穿刺手术的原理出发，将旋转与直线运动耦合，模拟骨髓针旋转与前进时受到的阻尼力，因为在骨髓针碰到骨髓时仅受到被动阻尼力，因此将骨髓穿刺手术中仅受被动阻尼力的特点与磁流变液阻尼器可以实现实时主动控制被动阻尼力的大小特性结合，使本发明装置成为一种具有更强逼真性的骨髓穿刺虚拟手术的力觉交互装置。
具体的，本发明将无源的磁流变液被动力觉驱动器与有源的电机相结合，实现了有/无源混合执行器控制，这样的控制方式稳定性好、安全性高、保真度高的力交互装置；
本发明传动采用直线轴承传递平移运动，滚动轴承传递旋转运动，使虚拟手术的力反馈装置存在传动间隙小，力反馈的连续性效果好，减少了传感器对设备位姿的检测误差，而且降低了运动副上的摩擦力，使力传递更加稳定平滑；
同时采用铝合金等轻质材质来减少运动部件的质量，在结构设计上尽量去除零件的冗余质量以降低运动惯量，使虚拟手术的力反馈装置转动惯量变得很小，在自由空间的力觉交互中操作者操作手柄时能够轻松自如；
更为细致的，考虑到摩擦会对精度有很大的影响，在直线运动方向可以通过电机抵消这一影响，当自由运动的时候，可以用来抵消摩擦，使空载的时候更加自由逼真。
附图说明
图1为本发明中机械装置的结构示意图；
图2为本发明中控制部分的示意框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，包括机械装置和控制系统；
所述机械装置包括T型操作杆2、导轨滑块机构和矩形旋转子7，所述T型操作杆2为硬质铝合金制成且包括头部横杆和与横杆垂直的导杆，其中导杆的末端固定有握持手柄1，头部横杆两端均内嵌有直线轴承8，直线轴承8的轴向与T型操作杆2的导杆方向平行，矩形旋转子7的一组对边分别穿过两个直线轴承8，且这一组对边的为硬质铝合金制成的光杆，矩形旋转子7另一组对边中远离导杆的一边的中心通过弹性联轴器9与旋转方向控制器10相连，所述旋转方向控制器10包括同轴设置的一号磁流变液阻尼器和一号角度传感器；导轨滑块机构上的导轨6平行于导杆方向，导轨滑块机构上的滑块5内嵌有滚动轴承，所述导杆穿过滚动轴承；所述滑块5通过曲柄连杆机构与平动方向控制器11相连，所述平动方向控制器11包括同轴设置的电机、二号磁流变液阻尼器、二号角度传感器以及固定在曲柄连杆机构的曲柄3上的应变片，这里的电机优选为直流力矩电机；
所述控制系统包括上位机和下位机；其中下位机内设置有混合驱动算法，包括平动方向的PID闭环控制算法和旋转方向的控制算法。这里的PID闭环控制算法是一种有源和无源的混合驱动控制算法，分别和平动方向控制器11中设置的电机和二号磁流变液阻尼器对应，分别用于提供平动方向的弹性力和粘性力。旋转方向因只有粘性力一种故只需要一个磁流变液阻尼器即可实现，而磁流变液阻尼器的电流与其可提供的阻尼力成线性关系，故相应的旋转方向的控制算法是一个简单的线性运算。上位机内包括虚拟场景模块、碰撞检测模块和力反馈计算模块；所述虚拟场景模块包括虚拟骨髓针和虚拟人体并以虚拟现实3D动画模拟骨髓穿刺手术场景；所述碰撞检测模块接收下位机传递的T型操作杆2的位置信号，这里的位置信号包括下文中所述的角度位置信号和平动方向的位移信号两种，实时记录虚拟骨髓针与虚拟人体之间的位置并重新渲染视觉场景，包括虚拟骨髓针的位置及虚拟人体上皮肤和肌肉的变形，从而刷新视觉反馈；所述力反馈计算模块根据虚拟骨髓针在虚拟人体上穿刺的深度实时计算出需要反馈的力；
进行虚拟手术时，操作者旋转T型操作杆2，矩形旋转子7转动，一号角度传感器检测到矩形旋转子7转过的角度并将角度位置信号发送给下位机，经过下位机中的辩向及译码电路然后经过USB通信端口传递给上位机，上位机计算出旋转方向的反馈力后将该力的大小通过USB通信端口传递给下位机中旋转方向的控制算法，旋转方向的控制算法根据一号磁流变液阻尼器的电流与阻尼力成线性关系直接控制电流输出来驱动旋转方向控制器10中的一号磁流变液阻尼器提供精确的旋转方向的反馈力作用到矩形旋转子7上，从而刷新旋转方向力反馈；同理，操作者推动T型操作杆2，滑块5在导轨6上滑动并带动曲柄连杆机构旋转，平动方向控制器11中的角度传感器检测曲柄3的旋转角度经下位机将其转换为T型操作杆2在平动方向的位移信号并将平动方向位移信号通过USB通信端口传递给上位机，上位机计算出平动方向的反馈力后将该力的大小通过USB通信端口传递给平动方向的PID闭环控制算法中，平动方向的PID闭环控制算法根据反馈力和应变片上测到的力之间的差值计算出平动方向控制器11需要提供的力使得操作者手部实际受到的力等于平动方向的反馈力，平动方向控制器11需要提供的力通过控制电机转速和二号磁流变液阻尼器上的电流共同作用实现并最终传递到T型操作杆2上，刷新平动方向的力反馈。上述过程中，下位机通过DAC数模转换电路模块改变的电流来实现控制2个磁流变液阻尼器工作，下位机通过PWM脉冲宽度调制模块实现控制电机。
操作者通过握持手柄1与本装置接触，当操作者旋转握持手柄1时会带动T型操作杆2一起旋转以及平动，进而带动矩形旋转子7转动以及曲柄连杆机构运动，这些机械装置的运动均传递到上位机中实现虚拟现实3D动画的同步更新。当上位机的虚拟骨髓针未触碰到虚拟人体时，平动与旋转方向均是自由的，不会产生任何阻力；当虚拟骨髓针碰到虚拟人体后，随着虚拟骨髓针不断深入，虚拟骨髓针依次穿过虚拟人体的皮肤层、肌肉层，最后到达骨髓层。在穿刺皮肤层时，平动方向主要存在弹性力和粘性力两种阻尼力，旋转方向只存在粘性力一种阻尼力，力反馈计算模块结合骨髓针穿入皮肤层的深度计算出平动方向的弹性力和粘性力的大小并通过平动方向控制算法驱动平动方向控制器11，与此同时，力反馈计算模块还计算出旋转方向的粘性力并将该力通过旋转方向控制算法驱动旋转方向控制器10。当虚拟骨髓针穿刺肌肉层时，阻尼力的种类与皮肤层相同，仅在阻尼力大小上有区别，这种不同层的阻尼力的大小通过力反馈计算模块来计算实现，属于现有技术；当虚拟骨髓针穿刺骨髓层时，平动方向只受到粘性力一种阻尼力，旋转方向也只存在粘性力一种阻尼力，力反馈计算模块分别计算出平动方向和旋转方向的阻尼力，并最终通过分别通过两个磁流变液阻尼器来分别模拟平动方向和旋转方向的粘性力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，其特征在于：包括机械装置和控制系统；
所述机械装置包括T型操作杆(2)、导轨滑块机构和矩形旋转子(7)，所述T型操作杆(2)包括头部横杆和与横杆垂直的导杆，其中导杆的末端固定有握持手柄(1)，头部横杆两端均内嵌有直线轴承(8)，直线轴承(8)的轴向与T型操作杆(2)的导杆方向平行，矩形旋转子(7)的一组对边分别穿过两个直线轴承(8)，矩形旋转子(7)另一组对边中远离导杆的一边的中心与旋转方向控制器(10)相连，所述旋转方向控制器(10)包括同轴设置的一号磁流变液阻尼器和一号角度传感器；导轨滑块机构上的导轨(6)平行于导杆方向，导轨滑块机构上的滑块(5)内嵌有滚动轴承，所述导杆穿过滚动轴承；所述滑块(5)通过曲柄连杆机构与平动方向控制器(11)相连，所述平动方向控制器(11)包括同轴设置的电机、二号磁流变液阻尼器、二号角度传感器以及固定在曲柄连杆机构的曲柄(3)上的应变片；
所述控制系统包括上位机和下位机；其中下位机内设置有混合驱动算法，包括平动方向的PID闭环控制算法和旋转方向的控制算法；上位机内包括虚拟场景模块、碰撞检测模块和力反馈计算模块；所述虚拟场景模块包括虚拟骨髓针和虚拟人体并以虚拟现实3D动画模拟骨髓穿刺手术场景；所述碰撞检测模块接收下位机传递来的T型操作杆(2)的位置信号，实时判断虚拟骨髓针与虚拟人体之间的位置关系并重新渲染视觉场景；所述力反馈计算模块根据虚拟骨髓针与虚拟人体上之间的位置关系并实时计算出需要反馈的力；
进行虚拟手术时，操作者旋转T型操作杆(2)，矩形旋转子(7)转动，一号角度传感器检测到矩形旋转子(7)转过的角度并将角度位置信号经下位机传递给上位机，上位机计算出旋转方向的反馈力后将该力的大小传递给旋转方向的控制算法，旋转方向的控制算法根据一号磁流变液阻尼器的电流与阻尼力成线性关系直接控制电流输出来驱动旋转方向控制器(10)中的一号磁流变液阻尼器提供精确的旋转方向的反馈力作用到矩形旋转子(7)上；操作者推动T型操作杆(2)，滑块(5)在导轨(6)上滑动并带动曲柄连杆机构旋转，二号角度传感器检测曲柄(3)的旋转角度经下位机将其转换为T型操作杆(2)在平动方向的位移信号并将平动方向的位移信号传递给上位机，上位机计算出平动方向的反馈力后将该力的大小传递给平动方向的PID闭环控制算法，同时应变片将自身测到的力传递给平动方向的PID闭环控制算法，平动方向的PID闭环控制算法根据反馈力和应变片上测到的力之间的差值计算出平动方向控制器(11)需要提供的力使得操作者手部实际受到的力等于平动方向的反馈力，平动方向控制器(11)需要提供的力通过控制电机转速和二号磁流变液阻尼器上的电流共同作用实现并最终传递到T型操作杆(2)上。
2.根据权利要求1所述的一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，其特征在于：矩形旋转子(7)上穿过直线轴承的对边均为铝合金制成的光杆。
3.根据权利要求1所述的一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，其特征在于：所述T型操作杆(2)的材料为铝合金。
4.根据权利要求1所述的一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，其特征在于：矩形旋转子(1)通过弹性联轴器(9)与旋转方向控制器相连。
5.根据权利要求1所述的一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，其特征在于：平动方向控制算法中加入摩擦分量，所述摩擦分量根据实验测得，所述摩擦分量通过电机旋转作用在T型操作杆(2)上水平方向的力与T型操作杆(2)受到的摩擦力大小相同、方向相反。
6.根据权利要求1所述的一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，其特征在于：虚拟骨髓针在穿刺虚拟人体过程中，先后穿刺3层组织分别为皮肤层、肌肉层和骨髓层，力反馈计算模块根据不同组织设置相应的计算参数。
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