CN211704775U

CN211704775U - 一种力反馈式操控装置及穿刺针控制系统

Info

Publication number: CN211704775U
Application number: CN201921731899.9U
Authority: CN
Inventors: 杨学群; 潘国平; 邓民尚; 郑暖暖; 马建强
Original assignee: Guangzhou Meitai Trade Co ltd
Current assignee: Guangzhou Meitai Trade Co ltd
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2019-10-15
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2029-10-15

Abstract

本实用新型提供一种力反馈式操控装置及穿刺针控制系统，包括操控手柄、力反馈组件以及主控制器；操控手柄包括操作杆和底座，操作杆通过轴可转动或可滑动地安装在底座上，且底座上设有供所述操作杆触碰的行程开关，所述行程开关通过所述主控制器连接穿刺针驱动装置，所述操作杆上设有磁铁；所述力反馈组件包括电磁铁和用于检测穿刺针驱动装置上穿刺针所受阻力的测力传感器，所述测力传感器、所述电磁铁分别与所述主控制器连接，所述磁铁位于所述电磁铁的磁场感应范围内。本实用新型实施例适用于穿刺针手术设备，在穿刺针进针/退针时，将进针/退针阻力转化为手柄阻力，从而实现力反馈，使医生感觉到穿刺针手术的阻力变化，有利于提高手术实施的准确性。

Description

一种力反馈式操控装置及穿刺针控制系统

技术领域

本实用新型涉及医疗器械技术领域，尤其是涉及一种力反馈式操控装置及穿刺针控制系统。

背景技术

随着现代科学技术的发展与提高，用户对于使用过程的体验要求也越来越高。力反馈装置的出现代表了人机接触交互技术方面的一种革新。以往设备用户只能通过视觉及听觉与其进行简单的人机交互，人机交互控制的精度仍需要更多的辅助仪器及工具去提高，触觉作为许多应用场合最重要的感知方式没有被加进去，这导致了人机控制的精度与人工操作上的进度具备一定的差异性。

目前采用机器人进行穿刺的技术还不成熟，还没有大规模的商业应用，查询不到成熟技术或专利技技术。机器人进行手术穿刺，一般采用普通手柄。医生操作普通手柄，控制驱动装置进针和推针，以完成穿刺手术。但是，操作者(即医生)不能感觉进针和退针过程中的阻力变化。

实用新型内容

本实用新型提供了一种力反馈式操控装置及穿刺针控制系统，以解决现有的用于穿刺手术的普通手柄不具备力反馈功能的技术问题，本实用新型配套适用于穿刺针手术设备，在穿刺针进针/退针时，将进针/退针阻力转化为手柄阻力，从而实现力反馈，使医生感觉到穿刺针手术的阻力变化，有利于提高手术实施的准确性。

为了解决上述技术问题，本实用新型实施例提供了一种力反馈式操控装置，包括操控手柄、力反馈组件以及主控制器；

所述操控手柄包括操作杆和底座，所述操作杆通过轴可转动或可滑动地安装在所述底座上，且所述底座上设有供所述操作杆触碰的行程开关，所述行程开关通过所述主控制器连接穿刺针驱动装置，所述操作杆上设有磁铁；

所述力反馈组件包括电磁铁和用于检测穿刺针驱动装置上穿刺针所受阻力的测力传感器，所述测力传感器、所述电磁铁分别与所述主控制器连接，所述磁铁位于所述电磁铁的磁场感应范围内。

作为优选方案，所述电磁铁包括铁芯和缠绕在所述铁芯上的线圈，所述铁芯安装在所述底座上，且所述操作杆位于所述铁芯的上方，所述线圈与所述主控制器电连接。

作为优选方案，所述磁铁设于所述操作杆的底部。

作为优选方案，所述铁芯的顶部呈弧形凹槽结构，所述磁铁设于所述操作杆的底部且呈弧形凸起结构；

所述操作杆通过旋转轴可转动地连接在所述底座的支架上，且所述行程开关设于所述支架上。

作为优选方案，所述铁芯包括绕线柱、第一磁极、第二磁极；

所述线圈缠绕在所述绕线柱上，所述第一磁极设于所述绕线柱的一端并凸出于所述绕线柱的顶部，所述第二磁极设于所述绕线柱的另一端并凸出于所述绕线柱的顶部，所述操作杆的底部位于所述绕线柱的顶部上方，且位于所述第一磁极、所述第二磁极之间；

作为优选方案，铁芯包括绕线柱、第一磁极、第二磁极；

所述第一磁极、所述第二磁极之间设有滑动导杆，所述磁铁可滑动地连接在所述滑动导杆上，所述操作杆的底部固定在所述磁铁上，所述行程开关设于所述滑动导杆上，所述绕线柱设于所述底座上。

作为优选方案，所述磁铁内设有贯穿其两侧的通孔，所述滑动导杆穿过所述通孔。

作为优选方案，还包括用于套设所述铁芯、所述线圈、所述操作杆的防尘罩。

本实用新型还提供一种穿刺针控制系统，包括穿刺针驱动装置和如上述的力反馈式操控装置，所述测力传感器设于所述穿刺针驱动装置的持针器上，所述穿刺针驱动装置与所述主控制器电连接。

相比于现有技术，本实用新型实施例具有如下有益效果：

本实用新型实施例提供的一种力反馈式操控装置，包括操控手柄、力反馈组件以及主控制器；所述操控手柄包括操作杆和底座，所述操作杆通过轴可转动或可滑动地安装在所述底座上，且所述底座上设有供所述操作杆触碰的行程开关，所述行程开关通过所述主控制器连接穿刺针驱动装置，所述操作杆上设有磁铁；所述力反馈组件包括电磁铁和用于检测穿刺针驱动装置上穿刺针所受阻力的测力传感器，所述测力传感器、所述电磁铁分别与所述主控制器连接，所述磁铁位于所述电磁铁的磁场感应范围内。通过所述操控手柄控制所述穿刺针的运动，医生手持所述操作杆并触碰所述行程开关，以触发前进或后退信号并发送至所述主控制器，从而相应控制所述穿刺针驱动装置。在所述穿刺针进针或退针时，所述测力传感器检测到穿刺针受到的阻力，则由所述主控制器进行信号处理，并通过控制所述电磁铁产生磁力场，与所述操作杆底部的磁铁合成磁场，从而使得所述操作杆具有一定的回复力，使得所述操作杆具有返回中心原点的反馈力，进而使医生感觉到相应的阻力，这样实现了力反馈式穿刺针手术操控，使操作者能感觉到真实的穿刺过程。

附图说明

图1是本实用新型实施例中的力反馈式操控装置的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中的力反馈式操控装置的电路原理图；

图3是本实用新型实施例中的力反馈式操控装置的控制原理图；

图4是本实用新型实施例中的力反馈式操控装置的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中的力反馈式操控装置的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中的力反馈式操控装置的结构示意图；

其中，说明书附图中的附图标记如下：

1、穿刺针驱动装置；

2、操作杆；21、旋转轴；22、磁铁；23、行程开关；24、铁芯；25、线圈；26、支架；27、底座；28、防尘罩；29、滑动导杆；

3、主控制器；31、测力传感器；32、限位开关；33、位移传感器；34、可调电源。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参见图1和图2，本实用新型优选实施例提供了一种力反馈式操控装置，包括操控手柄、力反馈组件以及主控制器3；

所述操控手柄包括操作杆2和底座27，所述操作杆2通过轴可转动或可滑动地安装在所述底座27上，且所述底座27上设有供所述操作杆2触碰的行程开关23，所述行程开关23通过所述主控制器3连接穿刺针驱动装置1，所述操作杆2上设有磁铁22；

所述力反馈组件包括电磁铁和用于检测穿刺针驱动装置1上穿刺针所受阻力的测力传感器31，所述测力传感器31、所述电磁铁分别与所述主控制器3连接，所述磁铁22位于所述电磁铁的磁场感应范围内。其中，所述穿刺针驱动装置1为用于驱动穿刺针进行进针或退针运动的设备，可利用电动推杆、气缸、液压式推杆、电机丝杆、蜗轮蜗杆机构等等实现动作，基本原理是通过所述力反馈式操控装置的主控制器3根据接收到的运动指令而控制电机转动实现穿刺针的直线运行，在此不进行赘述。

在本实施例中，通过所述操控手柄控制所述穿刺针的运动，医生手持所述操作杆2并触碰所述行程开关23，以触发前进或后退信号并发送至所述主控制器3，从而相应控制所述穿刺针驱动装置1。在所述穿刺针进针或退针时，所述测力传感器31检测到穿刺针受到的阻力，则由所述主控制器3进行信号处理，并通过控制所述电磁铁产生磁力场，与所述操作杆2底部的磁铁22合成磁场，从而使得所述操作杆2具有一定的回复力，使得所述操作杆2具有返回中心原点的反馈力，进而使医生感觉到相应的阻力，这样实现了力反馈式穿刺针手术操控，使操作者能感觉到真实的穿刺过程。其中，应当说明的是，所述测力传感器31用于检测拉向和压向力，当所述穿刺针受到阻力时，用于固定所述穿刺针的所述连接组件也会产生相应的阻力信号，从而使得所述测力传感器31能够实时检测，当然的，可采用压力传感器、电阻应变片等等现有传感器领域中所存在的力传感器作为本实用新型的测力传感器31，而所述穿刺针驱动装置1可以采用直线运动的电动推杆、电动气缸等等，在此不进行赘述。

在本实用新型实施例中，力反馈实现的原理就是通过感知人的行为模拟出相应的力、震动或被动的运动，反馈给使用者，这种机械上的刺激可以帮助我们从力觉触觉上感受到虚拟环境中的物体，可以更加真实地体验到力反馈设备反馈给操作者的力及力矩的信息，使操作者能感收到作用力。

操作者在使用所述力反馈式操控装置控制所述穿刺针装置时，通过推动所述操控手柄以使所述操作杆2压到所述限位开关32，从而触发电磁力反馈手柄的前进或后退信号，然后通过所述主控制器3对前进或后退信号进行信号处理，以控制所述穿刺针驱动装置1(电动推杆)实现穿刺针的运动控制。其中，所述操控手柄为通过摇摆/推动所述操作杆2压合所述行程开关23，才能触发手柄的前进、后退信号。

然后当所述穿刺针在受到阻力时，所述测力传感器31将检测到的阻力信号反馈至所述主控制器3，所述主控制器3对力反馈的信号进行接收处理，所述主控制器3在接收传感器反馈信号后，经信号放大处理，输出相应电流至所述电磁铁后产生磁力场，与所述操作杆2底部的所述磁铁22合成磁场，使操作杆2具有一定的回复力(使手柄回中心原点的力)，以调整所述操控手柄上与推动方向相反的电磁力的大小；这样，通过将对应的力觉触觉信息通过电信号读取，再把电信号转换了电磁力，作用于操作者的所述操控手柄上，利用测力反馈、信号处理、电磁控制原理实现了人机交互控制的触觉反馈。

此外，在本实施例中，所述主控制器3的输入信号来自所述测力传感器31，因此所述力反馈式控制装置能够根据穿刺过程中碰到的组织不同的阻力，产生不同的回复力，有利于操作者能感觉到真实的穿刺过程。所述主控制器3为集成电路板或计算机。或者，所述主控制器3包括可编程控制器和可调电源34，所述可编程控制器的驱动控制端与所述穿刺针驱动装置1电连接，所述可编程控制器的数据采集端通过数据采集卡与所述测力传感器31电连接，所述可编程控制器的力反馈信号端与所述可调电源34电连接，所述可调电源34与所述线圈25电连接。其中，所述测力传感器31的接收与转换计算设备，用于读取人机控制过程中操作设备所受到的力觉触觉信息，所述可调电源34为所述力反馈组件的电磁力调节设备，通过将所述数据采集卡采集所得的力觉触觉信息进行计算调整，再传输相应的电信号至所述可调电源34，从而调节所述电磁铁的电磁力强度。

因此，所述力反馈式控制装置作为电磁力反馈手柄的操作及反馈设备，通过所述操控手柄对人机控制中的操作设备进行控制，同时由所述可调电源34调节所述电磁铁上电磁力的强度，实现对操作设备力觉触觉的信号反馈。

其中，收集力信息一般使用传感器较多，而传感器信号一般为电信号，故使用数据采集卡读取传感器的电信号，通过编程，修改读取到信号的上限及下限，使力反馈更精确可调，并再通过所述数据采集卡的电信号输出至所述可调电源34，同时，所述数据采集卡也能起到对所述行程开关23的开关量信号起到采集作用。所述可调电源34作为电源装置，具有升压调压功能并输出一个电压较低的电型号，通过电源电路(或信号放大电路)调整电压，输出一个适合驱动设备的电压信号，通过读取数据采集卡输送过来的经过调整的电信号，对该信号进行升压调节，再把升压后的电信号输送至所述电磁铁，从而实现把传感器信号调整放大至电磁铁上，实现力反馈组件的力觉触觉信号至所述操控手柄上力觉触觉信号的输送。

下面介绍所述力反馈式控制装置的具体改进：

请参见图1至图3，在其中一种优选实施方案中，所述电磁铁包括铁芯24和缠绕在所述铁芯24上的线圈25，所述铁芯24安装在所述底座27上，且所述操作杆2位于所述铁芯24的上方，所述线圈25与所述主控制器3电连接。所述磁铁22设于所述操作杆2的底部。

在本实施例中，所述电磁铁的磁场强度与电磁铁的线圈25匝数、通电电流及中心的导磁物质有关，所述操控手柄上的电磁铁为固定型号的电磁铁安装与操作手柄底部，即电磁铁线圈25匝数固定，同时由于所述操控手柄的机械结构固定，中心的导磁物质也为固定。为了增强操作手柄电磁力的大小，所述操作杆2的下端选用的是强磁铁22，通过强磁铁22与通电时的电磁铁N极与S极的吸力远远大于电工纯铁(导磁性能好的金属)与通电时的电磁铁的吸力的性质，从而增大力反馈组件反馈的电磁力，同时利用在不通电情况下强磁铁22对电磁铁表面金属的吸力，使操作手柄默认处于垂直位置。

在本实施例中，通过对电磁铁进行控制，调整电磁力的大小，实现控制手柄力反馈的原理。所述操作杆2底部带磁铁22与铁芯、线圈间隙摆放，在通电后合成磁场，能够产生回复力。而且，不同的间隙、不同的磁铁(磁性元件)、铁芯形状，会有不同的效果，结构设计如下：

请参见图4，在其中一种优选实施方案中，所述铁芯24的顶部呈弧形凹槽结构，所述磁铁22设于所述操作杆2的底部且呈弧形凸起结构；所述操作杆2通过旋转轴21可转动地连接在所述底座27的支架26上，且所述行程开关23设于所述支架26上。

在本实施例中，不同的操作杆长度R和旋转半径r构成不同的杠杆，影响回复力的大小。因此将r：R设计为0.5-1范围，结合所述主控制器3的控制电路可采用直流放大电路，得到较高频率响应。

此外，通过结构改进，调整、变换线圈、铁芯24的机械结构与磁性元件的机械机构，从而改变操纵手柄的机械运动机构。如下两种方案为为通过调整变换为力受力方向不一样的曲柄摇杆机构与曲柄滑块机构，但都为使用电磁原理。

请参见图5，在其中另一种优选实施方案中，所述铁芯24包括绕线柱、第一磁极、第二磁极；

所述线圈25缠绕在所述绕线柱上，所述第一磁极设于所述绕线柱的一端并凸出于所述绕线柱的顶部，所述第二磁极设于所述绕线柱的另一端并凸出于所述绕线柱的顶部，所述操作杆2的底部位于所述绕线柱的顶部上方，且位于所述第一磁极、所述第二磁极之间；

所述操作杆2通过旋转轴21可转动地连接在所述底座27的支架26上，且所述行程开关23设于所述支架26上。

请参见图6，在其中又一种优选实施方案中，铁芯24包括绕线柱、第一磁极、第二磁极；

所述第一磁极、所述第二磁极之间设有滑动导杆29，所述磁铁22可滑动地连接在所述滑动导杆29上，所述操作杆2的底部固定在所述磁铁22上，所述行程开关23设于所述滑动导杆29上，所述绕线柱设于所述底座27上。

优选地，所述磁铁22内设有贯穿其两侧的通孔，所述滑动导杆29穿过所述通孔。

请参见图1，在其中一种优选实施方案中，还包括用于套设所述铁芯24、所述线圈25、所述操作杆2的防尘罩28。

本实用新型还提供一种穿刺针控制系统，包括穿刺针驱动装置1和如上述的力反馈式操控装置，所述测力传感器31设于所述穿刺针驱动装置1的持针器上，所述穿刺针驱动装置1与所述主控制器3电连接。所述穿刺针控制系统的电路原理如图2所示。

综上，本实用新型提供了一种力反馈式操控装置及穿刺针控制系统，其中任一实施例具有如下有益效果：

1、通过所述操控手柄控制所述穿刺针的运动，医生手持所述操作杆2并触碰所述行程开关23，以触发前进或后退信号并发送至所述主控制器3，从而相应控制所述穿刺针驱动装置1。

2、在所述穿刺针进针或退针时，所述测力传感器31检测到穿刺针受到的阻力，则由所述主控制器3进行信号处理，并通过控制所述电磁铁产生磁力场，与所述操作杆2底部的磁铁22合成磁场，从而使得所述操作杆2具有一定的回复力，使得所述操作杆2具有返回中心原点的反馈力，进而使医生感觉到相应的阻力，这样实现了力反馈式穿刺针手术操控，使操作者能感觉到真实的穿刺过程。

3、相比于通过液压进行液力传动也可达到力反馈的效果但也存在能量两次转换的过程中压力损失、受温度的影响较大、泄漏、污染、制造精度成本高等问题，本实用新型通过电磁原理实现力反馈，不仅成本较低、使用方便、操作简单，而且环保可靠，易于推广应用。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种力反馈式操控装置，其特征在于，包括操控手柄、力反馈组件以及主控制器；

2.如权利要求1所述的力反馈式操控装置，其特征在于，所述电磁铁包括铁芯和缠绕在所述铁芯上的线圈，所述铁芯安装在所述底座上，且所述操作杆位于所述铁芯的上方，所述线圈与所述主控制器电连接。

3.如权利要求2所述的力反馈式操控装置，其特征在于，所述磁铁设于所述操作杆的底部。

4.如权利要求3所述的力反馈式操控装置，其特征在于，所述铁芯的顶部呈弧形凹槽结构，所述磁铁设于所述操作杆的底部且呈弧形凸起结构；

5.如权利要求2所述的力反馈式操控装置，其特征在于，所述铁芯包括绕线柱、第一磁极、第二磁极；

6.如权利要求2所述的力反馈式操控装置，其特征在于，铁芯包括绕线柱、第一磁极、第二磁极；

7.如权利要求6所述的力反馈式操控装置，其特征在于，所述磁铁内设有贯穿其两侧的通孔，所述滑动导杆穿过所述通孔。

8.如权利要求2所述的力反馈式操控装置，其特征在于，还包括用于套设所述铁芯、所述线圈、所述操作杆的防尘罩。

9.一种穿刺针控制系统，其特征在于，包括穿刺针驱动装置和如权利要求1～8任一项所述的力反馈式操控装置，所述力反馈式操控装置的测力传感器设于所述穿刺针驱动装置的持针器上，所述穿刺针驱动装置与所述力反馈式操控装置的主控制器电连接。