CN111047937A - 一种基于磁流变液的手术训练系统 - Google Patents

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王维成
罗一平
熊皓
王磊
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Abstract

本发明涉及一种基于磁流变液的手术训练系统，包括手术器械、虚拟现实辅助装置、力反馈装置和夹持装置，其中，虚拟现实辅助装置与力反馈装置相互通信连接，力反馈装置与夹持装置机械连接，虚拟现实辅助装置用于显示虚拟手术环境及实时反馈力；手术器械直接作用于力反馈装置；力反馈装置用于根据手术器械的操作产生实时的反馈力，并将该实时反馈力传递给虚拟现实辅助装置；夹持装置用于检测手术器械的运动轨迹，并跟随手术器械的运动轨迹发生运动。与现有技术相比，本发明基于磁流变液产生阻尼力，结合虚拟现实辅助装置，能够使用户直接感受到反馈力，此外，结合机械手臂式的夹持装置，扩大了操作范围。

Description

一种基于磁流变液的手术训练系统
技术领域
本发明涉及外科手术机器人技术领域，尤其是涉及一种基于磁流变液的手术训练系统。
背景技术
手术训练能够有效提高外科医生的手术操作水平，传统的手术训练依赖于活体动物和人类尸体等，因活体动物与人类皮肤之间差异性较大，而人类尸体较少、成本很高并且限制于法律、伦理道德等因素，因此传统的手术训练并不能起到真正提高手术操作水平的目的。
随着机器人技术、生物工程学技术、数学建模技术、智能材料等技术的高速发展，基于虚拟现实的虚拟手术训练系统为医护人员的手术训练提供了新的可能性，也为传统手术训练所面临的一系列问题提供了一种具有潜力的解决方案。不过目前的虚拟手术训练技术仍存在着以下问题：
(1)操作真实感较差，在模拟切割人体皮肤进行手术时，现有的虚拟手术训练通常采用摇杆或者手柄作为医生操作和感知力反馈的装置，这种方式使得医生不能通过操作手术刀直接感知实时反馈力。
(2)训练范围受限，依靠现有的虚拟手术训练，往往只能在限定空间范围内进行手术训练，训练装置不能满足操作者大范围内的训练手术，无法完成不同角度、不同空间内的训练任务。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于磁流变液的手术训练系统，利用磁流变液阻尼器进行真实有效的力反馈，同时结合机器手臂以实现多角度、多空间的训练目的。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于磁流变液的手术训练系统，包括手术器械、虚拟现实辅助装置、力反馈装置和夹持装置，所述虚拟现实辅助装置与力反馈装置相互通信连接，所述力反馈装置与夹持装置机械连接，所述虚拟现实辅助装置用于显示虚拟手术环境及实时反馈力；
所述手术器械直接作用于力反馈装置，以在虚拟手术环境中进行手术操作；
所述力反馈装置用于根据手术器械的操作产生实时的反馈力，并将该实时反馈力传递给虚拟现实辅助装置；
所述夹持装置用于检测手术器械的运动轨迹，并跟随手术器械的运动轨迹发生运动。
进一步地，所述力反馈装置包括操作板和力反馈阻尼器，所述操作板与手术器械直接相抵触，以接收来自手术器械的作用力，并将该作用力传递给力反馈阻尼器，所述力反馈阻尼器用于根据作用力产生反馈阻尼力。
进一步地，所述力反馈阻尼器包括容纳有磁流变液的工作缸，所述操作板通过活塞杆与工作缸内的活塞相连接，所述活塞上缠绕有电磁线圈，所述工作缸内的顶部分别安装有位置传感器和控制模块，所述位置传感器与控制模块电连接，所述控制模块还与电磁线圈电连接，所述位置传感器用于检测活塞的位置变化，并将活塞位置变化数据传输给控制模块，所述控制模块用于根据活塞位置变化数据，一方面输出相应的反馈力数据给虚拟现实辅助装置，另一方面控制输出相应的电流给电磁线圈，所述电磁线圈根据电流产生相应的磁场，从而使磁流变液产生相应的阻尼力，即为反馈力，并依次通过活塞、活塞杆和操作板，将该阻尼力反馈给用户。
进一步地，所述活塞杆位于操作板与工作缸外顶部之间的部分套设有复位弹簧，以在用户操作结束时，利用复位弹簧使操作板恢复至原始未受力状态。
进一步地，所述工作缸外底部与夹持装置机械连接。
进一步地，所述夹持装置上安装有用于检测手术器械运动轨迹的位移传感器。
进一步地，所述夹持装置具体为六自由度协作机器手臂，以实现水平、垂直及前后方向的平移或转动。
进一步地，所述虚拟现实辅助装置具体为VR眼镜。
进一步地，所述手术器械具体为外科手术用刀具。
与现有技术相比，本发明通过设置电磁线圈，结合磁流变液进行实时力反馈，能够在毫秒级的响应时间内快速反馈出准确的阻尼力，能够使用户直接感受到反馈力，以此提升了用户操作的真实体验感，此外采用机器手臂夹持力反馈装置，并跟随用户的操作运动轨迹，有效扩大了操作空间范围，实现了在不同角度及不同空间进行操作的目的。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图；
图2为本发明力反馈装置的截面结构示意图；
图中标记说明：1、手术器械，2、虚拟现实辅助装置，3、力反馈装置，4、夹持装置，5、操作板，6、复位弹簧，70、位置传感器，71、控制模块，8、工作缸，9、活塞杆，10、活塞，11、电磁线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种基于磁流变液的医疗手术训练机器人，包括手术器械1、虚拟现实辅助装置2、力反馈装置3和夹持装置4，其中，虚拟现实辅助装置2与力反馈装置3相互通信连接，力反馈装置3与夹持装置4机械连接。
如图2所示，力反馈装置3包括操作板5、复位弹簧6、位置传感器70、控制模块71、工作缸8、活塞杆9、活塞10和电磁线圈11，工作缸8内的磁流变液包裹着活塞杆9的一部分、活塞10和缠绕在活塞10上的电磁线圈11，复位弹簧6套设在活塞杆9位于操作板5和工作缸8之间的部分，活塞杆9支撑着操作板5，操作板5用于承载并传递手术器械1的作用力，工作缸8外底部与夹持装置4连接，夹持装置4安装有位移传感器，通过检测手术器械1的运动轨迹而发生跟随运动，从而使力反馈装置3同样跟随手术器械1的运动轨迹而运动。
本实施例中，手术器械1为用户直接手持的用于手术操作的外科手术用刀具，夹持装置4为六自由度协作机器手臂。
本发明的工作过程与工作原理如下：
用户持手术器械1作用于力反馈装置3的操作板5时，活塞杆9会相应向下移动，带动活塞10的位置发生变化，此时安装在力反馈装置3中的位置传感器70会把检测到的位置信息变化数据传输给控制模块71，控制模块71对位置信息变化数据进行处理，将其对应转换为反馈力数据和电流信号，控制模块71一方面将反馈力数据传输给虚拟现实辅助装置2，使用户可以直接在虚拟现实辅助装置2上看到反馈力数据值；另一方面控制外部电源把电流信号传输到电磁线圈11，使电磁线圈11产生相应的磁场，电磁线圈11、工作缸8和活塞10共同构成闭合磁路，工作缸8内的磁流变液在磁场作用下产生阻尼力，最终给予用户一个直接的力反馈。
此外，用户在操作手术器械1移动过程中时，利用夹持装置4上的位移传感器进行检测定位，夹持装置4带动力反馈装置3跟随手术器械1的移动而移动，从而实现模拟整个手术的不同运动方向和角度的操作过程，当操作结束时，在复位弹簧6的作用下，操作板5将恢复至原始未受力位置。

Claims (9)

1.一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，包括手术器械(1)、虚拟现实辅助装置(2)、力反馈装置(3)和夹持装置(4)，所述虚拟现实辅助装置(2)与力反馈装置(3)相互通信连接，所述力反馈装置(3)与夹持装置(4)机械连接，所述虚拟现实辅助装置(2)用于显示虚拟手术环境及实时反馈力；
所述手术器械(1)直接作用于力反馈装置(3)，以在虚拟手术环境中进行手术操作；
所述力反馈装置(3)用于根据手术器械(1)的操作产生实时的反馈力，并将该实时反馈力传递给虚拟现实辅助装置(2)；
所述夹持装置(4)用于检测手术器械(1)的运动轨迹，并跟随手术器械(1)的运动轨迹发生运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，所述力反馈装置(3)包括操作板(5)和力反馈阻尼器，所述操作板(5)与手术器械(1)直接相抵触，以接收来自手术器械(1)的作用力，并将该作用力传递给力反馈阻尼器，所述力反馈阻尼器用于根据作用力产生反馈阻尼力。
3.根据权利要求2所述的一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，所述力反馈阻尼器包括容纳有磁流变液的工作缸(8)，所述操作板(5)通过活塞杆(9)与工作缸(8)内的活塞(10)相连接，所述活塞(10)上缠绕有电磁线圈(11)，所述工作缸(8)内的顶部分别安装有位置传感器(70)和控制模块(71)，所述位置传感器(70)与控制模块(71)电连接，所述控制模块(71)还与电磁线圈(11)电连接，所述位置传感器(70)用于检测活塞(10)的位置变化，并将活塞(10)位置变化数据传输给控制模块(71)，所述控制模块(71)用于根据活塞(10)位置变化数据，一方面输出相应的反馈力数据给虚拟现实辅助装置(2)，另一方面控制输出相应的电流给电磁线圈(11)，所述电磁线圈(11)根据电流产生相应的磁场，从而使磁流变液产生相应的阻尼力，即为反馈力，并依次通过活塞(10)、活塞杆(9)和操作板(5)，将该阻尼力反馈给用户。
4.根据权利要求3所述的一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，所述活塞杆(9)位于操作板(5)与工作缸(8)外顶部之间的部分套设有复位弹簧(6)，以在用户操作结束时，利用复位弹簧(6)使操作板(5)恢复至原始未受力状态。
5.根据权利要求3所述的一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，所述工作缸(8)外底部与夹持装置(4)机械连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，所述夹持装置(4)上安装有用于检测手术器械(1)运动轨迹的位移传感器。
7.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，所述夹持装置(4)具体为六自由度协作机器手臂，以实现水平、垂直及前后方向的平移或转动。
8.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，所述虚拟现实辅助装置(2)具体为VR眼镜。
9.根据权利要求1所述的一种基于磁流变液的手术训练系统，其特征在于，所述手术器械(1)具体为外科手术用刀具。
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