CN107233133B - 一种用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统 - Google Patents

Abstract

一种用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其包括：机械子系统以及电气子系统；所述机械子系统用于实现拟腹腔镜手术过程中的俯仰、伸缩、自转、剪切、横滚五自由度运动，并采集运动过程中的力反馈；所述电气子系统用于实现采集拟腹腔镜手术过程中的俯仰、伸缩、自转、剪切、横滚五自由度运动过程的数据信息，对手术场景进行模拟，并提供将反馈力分解到各个运动自由度上去的驱动指令。

Description

一种用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统

技术领域

本发明涉及医疗训练器技术领域，特别涉及一种虚拟腹腔镜手术的力反馈系统。

背景技术

随着机器人技术、计算机图形学、生物建模技术的不断发展，基于虚拟现实技术的虚拟腹腔镜手术训练系统为医护人员的手术训练提供了机会。虚拟腹腔镜手术系统可以通过构建逼真的手术场景、模拟手术过程、获取触觉反馈来培训医护人员的手术技能。与传统医师受训过程不同，虚拟腹腔镜手术可以毫无限制的重复操作，而且可以根据需要设置不同训练难度，让不同级别的医护人员反复训练。同时，可以不必担心实验材料、场地的限制，可以最大限度的缩短培训周期。实施虚拟手术需要利用机械结构控制手术流程，并在手术过程中获取触觉反馈信息。

中国专利申请号：201410456577.3，名称为一种用于虚拟腹腔镜手术的装置、方法及系统。该专利中所述装置包括一对相对设置的机械操作杆，机械操作杆包括直杆、C形连接杆和横杆；直杆上部为手握部分，下部连接C形连接杆，上部和下部通过第一套管连接，其中设有直线位移传感器和第一角位移传感器；直杆下部底端设有第二套管，第二套管内设有第二角位移传感器；C形连接杆凹部连接直杆下部，背部通过第三套管连接横杆，第三套管中设置有第三角位移传感器。所述系统包括所述装置及虚拟模块。该腹腔镜虚拟手术装置虽能实现手术流程，但对于在实际手术时由于器械碰触组织后由组织产生并传递给操作者的触觉反馈却没有考虑，使医师在训练过程中缺乏相应的交互触觉体验，大大影响了医师对手术真实感的把握，不利于手术医师的训练工作。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统。

一种用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其包括：

机械子系统以及电气子系统；

所述机械子系统用于实现拟腹腔镜手术过程中的俯仰、伸缩、自转、剪切、横滚五自由度运动，并采集运动过程中的力反馈；

所述电气子系统用于实现采集拟腹腔镜手术过程中的俯仰、伸缩、自转、剪切、横滚五自由度运动过程的数据信息，对手术场景进行模拟，并提供将反馈力分解到各个运动自由度上去的驱动指令。

在本发明所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中，

所述机械子系统包括：一对相对设置的机械操作手，机械操作手包括主轴、横板、平台、挡板、U型连接杆、横向轴和机箱转动轴；

所述主轴上部连接手术器械，设有第一线轮组、第一驱动执行元件和第一信号采集元件，用以采集手术器械的剪切运动偏转角度和执行剪切运动的力反馈；

主轴上部有横板，下部连接平台，其中设有第二线轮组、第二驱动执行元件、第二信号采集元件、第三驱动执行元件、第三线轮组、第三信号采集元件和主轴滑块，上部和下部通过两块挡板连接；第二线轮组、第二驱动执行元件和第二信号采集元件，用以采集主轴自转运动偏转角度和执行自转运动的力反馈；第三线轮组、第三驱动执行元件和第三信号采集元件，用以采集主轴伸缩运动位置数据和执行伸缩运动的力反馈；

挡板外接U型连接杆，U型连接杆外部连接横向轴，设有第四线轮组、第四驱动执行元件和第四信号采集元件，用以采集主轴俯仰运动偏转角度和执行俯仰运动的力反馈；

U型连接杆背部与机箱转动轴连接，设有第五线轮组、第五驱动执行元件和第五信号采集元件，用以采集主轴横滚运动偏转角度和执行横滚运动的力反馈。

在本发明所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中，

主轴的自转运动角度在0度到360度之间。

在本发明所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中，

主轴上部和下部之间可以伸缩运动，伸缩运动距离为0～200mm之间。

在本发明所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中，

主轴的前后俯仰运动开合角度在0度到60度之间；主轴的左右横滚运动开合角度在0度到60度之间。

在本发明所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中，

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、第五驱动执行元件均为直流伺服电机；

在本发明所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中，

第一信号采集元件、第二信号采集元件、第三信号采集元件、第四信号采集元件、第五信号采集元件均为编码器。

在本发明所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中，

各线轮组均由两个线轮组成，一个线轮与驱动执行元件轴线相连，另一个与主轴自由度运动相连，各组线轮之间的传动形式均为钢丝绳传动，通过钢丝绳缠绕在一组线轮上实现主从件间的运动和力矩传递。

在本发明所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中，

所述电气子系统包括数据采集子模块，图像模拟子模块，运算控制子模块，驱动执行子模块。

所述数据采集子模块，用于采集机械子系统的第一信号采集元件、第二信号采集元件、第三信号采集元件、第四信号采集元件、第五信号采集元件的角度和位置数据，并将其传递给运算控制子模块；

所述图像模拟子模块，实时模拟手术图像，通过运算控制子模块将角度和位置数据计算成对应的器械状态数据和场景数据，实时模拟手术场景；

所述运算控制子模块，获取采集子模块的角度和位置信息，确定场景中器械的空间位置，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块；根据空间位置计算该位置处虚拟器械实时的反馈力大小，将反馈力分解到各个运动自由度上去，并将各自由度上的反馈力传递给驱动执行子模块；

所述驱动执行子模块，获取各自由度上的反馈力，将力反馈分给各驱动执行元件，使操作者感受操作过程中的反馈力作用。

实施本发明提供的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统与现有技术相比具有以下有益效果：在虚拟腹腔镜手术中，设计了带有力反馈功能的机械子系统和电气子系统，能够实时获取五个自由度的运动姿态，且驱动执行速度快，可靠性高，鲁棒性好。同时，还能够使医师在手术操作时感受到由场景中虚拟组织传递给的反馈力，增加手术操作真实感。

附图说明

图1是本发明实施例的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中机械子系统的示意图；

图2是本发明实施例的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中电气子系统的示意图；

在附图1中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为第一驱动执行元件；2为第三线轮组；3为第二驱动执行元件；4为第四驱动执行元件；5为第四线轮组；6为横向轴；7为挡板；8为平台；9为U型连接杆；10为主轴滑块；11为机箱转动轴；12为第五线轮组；13为第五驱动执行元件；14为第三驱动执行元件；15为横板；16为第二线轮组；17为主轴；18为第一线轮组；19为手术器械。

具体实施方式

如图1所示，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统中机械子系统，包括一对相对设置的机械操作手，所述机械操作手包括主轴17、横板15、平台8、挡板7、U型连接杆9、横向轴6和机箱转动轴11。

所述主轴17上部连接手术器械19，设有第一线轮组18、第一驱动执行元件1和第一信号采集元件，用以采集手术器械的剪切运动偏转角度和执行剪切运动的力反馈；主轴上部有横板15，下部连接平台8，其中设有第二线轮组16、第二驱动执行元件3、第二信号采集元件、第三驱动执行元件14、第三线轮组2、第三信号采集元件和主轴滑块10，上部和下部通过两块挡板7连接；第二线轮、第二驱动执行元件3和第二信号采集元件，第二信号采集元件用以采集主轴自转运动偏转角度和第二驱动执行元件3用于执行自转运动的力反馈；第三线轮、第三驱动执行元件和第三信号采集元件，第三信号采集元件用以采集主轴伸缩运动位置数据和第三驱动执行元件14用于执行伸缩运动的力反馈；挡板外接U型连接杆9，U型连接杆外部连接横向轴6，设有第四线轮组5、第四驱动执行元件4和第四信号采集元件，第四信号采集元件用以采集主轴俯仰运动偏转角度和第四驱动执行元件4用于执行俯仰运动的力反馈；U型连接杆背部与机箱转动轴11连接，设有第五线轮组12、第五驱动执行元件13和第五信号采集元件，第五信号采集元件用以采集主轴横滚运动偏转角度和第五驱动执行元件13用于执行横滚运动的力反馈。

优选地，所述机械子系统，手术器械的剪切运动开合角度在-20度到20度之间。所述五个驱动执行元件均为直流伺服电机，型号maxon RE40148877；所述五个信号采集元件均为编码器，型号是500线HEDS 55型。

如图2所示，本发明提供的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，包括所述的用于腹腔镜虚拟手术的电气子系统，所述电气子系统包括数据采集子模块20，图像模拟子模块23，运算控制子模块21，驱动执行子模块22。

所述数据采集子模块，用于采集虚拟腹腔镜手术力反馈装置的第一至第五信号采集元件的角度和位置数据，并将其传递给运算控制子模块。

所述图像模拟子模块，实时模拟手术图像，通过运算控制子模块将角度和位置数据计算成对应的器械状态数据和场景数据，实时模拟手术场景。

所述运算控制子模块，获取采集子模块的角度和位置信息，确定场景中器械的空间位置，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块；根据空间位置计算空间位置处虚拟器械实时的反馈力大小，将反馈力分解到各个运动自由度上去，并将各自由度上的反馈力传递给驱动执行子模块；

所述驱动执行子模块，获取各自由度上的反馈力，将力反馈分给各驱动执行元件，使操作者感受操作过程中的反馈力作用。

以下为实施例：

实施例1

一种用于腹腔镜虚拟手术的力反馈机械子系统，包括一对相对设置的机械操作手。如图1所示，所述机械操作手包括主轴17、横板15、平台8、挡板7、U型连接杆9、横向轴6和机箱转动轴11。

所述主轴17上部连接手术器械19，设有第一线轮组18、第一驱动执行元件1和第一信号采集元件，用以采集手术器械的剪切运动偏转角度和执行剪切运动的力反馈；主轴上部有横板15，下部连接平台8，其中设有第二线轮组16、第二驱动执行元件3、第二信号采集元件、第三驱动执行元件14、第三线轮组2、第三信号采集元件和主轴滑块10，上部和下部通过两块挡板7连接；第二线轮、第二驱动执行元件和第二信号采集元件，用以采集主轴自转运动偏转角度和执行自转运动的力反馈；第三线轮组、第三驱动执行元件和第三信号采集元件，用以采集主轴伸缩运动位置数据和执行伸缩运动的力反馈；挡板外接U型连接杆9，U型连接杆外部连接横向轴6，设有第四线轮组5、第四驱动执行元件4和第四信号采集元件，用以采集主轴俯仰运动偏转角度和执行俯仰运动的力反馈；U型连接杆背部与机箱转动轴11连接，设有第五线轮组12、第五驱动执行元件13和第五信号采集元件，用以采集主轴横滚运动偏转角度和执行横滚运动的力反馈。

实施例2

一种用于腹腔镜虚拟手术的力反馈系统，包括所述的用于腹腔镜虚拟手术的电气子系统，所述电气子系统包括数据采集子模块20，图像模拟子模块23，运算控制子模块21，驱动执行子模块22；

所述数据采集子模块20，用于采集虚拟腹腔镜手术力反馈装置的第一至第五信号采集元件的角度和位置数据。所述数据采集子模块，使用stm32作为控制核心，获取机械手第一至第五信号采集元件的脉冲信号，并转化为角度和位置数据，将其传递给运算控制子模块。

所述图像模拟子模块23，包括上位机和显示器。所述上位机用于实时模拟手术图像，通过运算控制子模块将角度和位置数据计算成对应的器械状态数据和场景数据，实时模拟手术场景。所述显示器用于实时显示手术场景。所述上位机和显示器通过信号线相连，传递图像信号。

所述运算控制子模块21，获取采集子模块的角度和位置信息，确定场景中器械的空间位置，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块；根据空间位置计算空间位置处虚拟器械实时的反馈力大小，将反馈力分解到各个运动自由度上去，并将各自由度上的反馈力传递给驱动执行子模块；

所述驱动执行子模块22，采用stm32作为控制核心，串口接收各自由度上的反馈力，转变为电流信号，存储在DMA模块中，再利用CAN总线模块将不同自由度的电流信号施加在相对应的驱动元件上，驱动元件产生对应大小的力矩，让操作者在操作过程中感受反馈力作用。

实施例3

各自由度力反馈实现过程如下：

操作者握住手术器械19做剪切运动时，带动第一线轮组18旋转，通过线轮与第一驱动执行元件1的连接关系带动第一驱动执行元件轴线的旋转；

操作者握住手术器械19绕机械手主轴17做自转运动时，带动第二线轮组16旋转，第二线轮组又与第二驱动执行元件3连接，带动第二驱动执行元件旋转；

操作者握住手术器械19沿机械手主轴17做上下伸缩运动时，带动主轴滑块10上下运动，主轴滑块与第三线轮组2通过钢丝绳紧定连接，带动第三线轮组旋转，并带动第三驱动执行元件14旋转；

操作者握住手术器械19绕横向轴6做前后俯仰运动时，带动第四线轮组5旋转，第四线轮组又与第四驱动执行元件4连接，带动第四驱动执行元件旋转；

操作者握住手术器械19绕机箱转动轴11做左右横滚运动时，带动第五线轮组12旋转，第五线轮组又与第五驱动执行元件13连接，带动第五驱动执行元件旋转；

五个驱动执行元件的轴运动时，对应的五个数据采集元件将测量出剪切运动的开合角度、自转运动的旋转角度、伸缩运动的运动距离、俯仰运动和横滚运动的旋转角度；再经由运算控制子模块21计算反馈力大小，驱动执行子模块22将不同自由度的电流信号施加在相对应的驱动元件上；最终使驱动执行元件产生与运动方向相反的力矩，实现五自由度的力反馈功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其特征在于，其包括：

机械子系统以及电气子系统；

所述机械子系统用于实现拟腹腔镜手术过程中的俯仰、伸缩、自转、剪切、横滚五自由度运动，并采集运动过程中的力反馈；

所述电气子系统用于实现采集拟腹腔镜手术过程中的俯仰、伸缩、自转、剪切、横滚五自由度运动过程的数据信息，对手术场景进行模拟，并提供将反馈力分解到各个运动自由度上去的驱动指令；

所述机械子系统包括：一对相对设置的机械操作手，机械操作手包括主轴、横板、平台、挡板、U型连接杆、横向轴和机箱转动轴；

所述主轴顶部连接手术器械，所述主轴顶部还设有第一线轮组、第一驱动执行元件和第一信号采集元件，用以采集手术器械的剪切运动偏转角度和执行剪切运动的力反馈；

主轴上部有横板，下部连接平台，所述横板和平台之间设有第二线轮组、第二驱动执行元件、第二信号采集元件、第三驱动执行元件、第三线轮组、第三信号采集元件和主轴滑块，所述横板和平台之间通过两块挡板连接；第二线轮组、第二驱动执行元件和第二信号采集元件，用以采集主轴自转运动偏转角度和执行自转运动的力反馈；第三线轮组、第三驱动执行元件和第三信号采集元件，用以采集主轴伸缩运动位置数据和执行伸缩运动的力反馈；

两块所述挡板外接U型连接杆，U型连接杆一侧连接横向轴，所述U型导杆的一侧还设有第四线轮组、第四驱动执行元件和第四信号采集元件，用以采集主轴俯仰运动偏转角度和执行俯仰运动的力反馈；

U型连接杆背部与机箱转动轴连接，以及设有第五线轮组、第五驱动执行元件和第五信号采集元件，用以采集主轴横滚运动偏转角度和执行横滚运动的力反馈，所述第五驱动执行元件、所述机箱转动轴均与所述主轴垂直设置。

2.如权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其特征在于，

主轴的自转运动角度在0度到360度之间。

3.如权利要求2所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其特征在于，

主轴上部和下部之间可以伸缩运动，伸缩运动距离为0～200mm之间。

4.如权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其特征在于，

主轴的前后俯仰运动开合角度在0度到60度之间；主轴的左右横滚运动开合角度在0度到60度之间。

5.如权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其特征在于，

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、第五驱动执行元件均为直流伺服电机。

6.如权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其特征在于，

第一信号采集元件、第二信号采集元件、第三信号采集元件、第四信号采集元件、第五信号采集元件均为编码器。

7.如权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其特征在于，

各线轮组均由两个线轮组成，一个线轮与驱动执行元件轴线相连，另一个与主轴自由度运动相连，各组线轮之间的传动形式均为钢丝绳传动，通过钢丝绳缠绕在一组线轮上实现主从件间的运动和力矩传递。

8.如权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜手术的力反馈系统，其特征在于，

所述电气子系统包括数据采集子模块，图像模拟子模块，运算控制子模块，驱动执行子模块；

所述数据采集子模块，用于采集机械子系统的第一信号采集元件、第二信号采集元件、第三信号采集元件、第四信号采集元件、第五信号采集元件的角度和位置数据，并将其传递给运算控制子模块；

所述图像模拟子模块，实时模拟手术图像，通过运算控制子模块将角度和位置数据计算成对应的器械状态数据和场景数据，实时模拟手术场景；

所述运算控制子模块，获取采集子模块的角度和位置信息，确定场景中器械的空间位置，并将空间虚拟器械实时空间位姿信息传递给图像模拟子模块；根据空间位置计算该位置处虚拟器械实时的反馈力大小，将反馈力分解到各个运动自由度上去，并将各自由度上的反馈力传递给驱动执行子模块；

所述驱动执行子模块，获取各自由度上的反馈力，将力反馈分给各驱动执行元件，使操作者感受操作过程中的反馈力作用。