CN215265162U

CN215265162U - 一种虚拟腹腔镜手术的力反馈装置及双手训练设备

Info

Publication number: CN215265162U
Application number: CN202120651694.0U
Authority: CN
Inventors: 刘元军
Original assignee: Shanghai Suoyi Intelligent Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Juxing Technology Co ltd
Priority date: 2021-03-31
Filing date: 2021-03-31
Publication date: 2021-12-21
Anticipated expiration: 2031-03-31

Abstract

本发明公开了一种虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，包括设置在安装架内的三个转轴，通过三个转轴相互连接配合实现三个角度方向的自由转动效果，并且每个转轴上均与电机和编码器组件连接，编码器组件能够实时获取自由移动的移动量，即可以获得操作杆末端的空间位置坐标，通过空间位置坐标的变换能够快速的换算操作位移位置，从而转换形成虚拟位移效果，最后通过虚拟环境的设限以及电机转动牵制形成反作用力，从而模拟手术过程中触碰组织的力感。本发明能够根据操作幅度以及环境情况反馈施压，从而保证训练时具有良好的操作手感，大大提高训练真实性和有效性。

Description

一种虚拟腹腔镜手术的力反馈装置及双手训练设备

技术领域

本发明涉及腔镜手术技术领域，更具体地说，涉及一种虚拟腹腔镜手术的力反馈装置及双手训练设备。

背景技术

本部分的描述仅提供与本发明公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

腹腔镜手术与传统手术相比，深受患者的欢迎，尤其是术后瘢痕小、又符合美学要求，青年病人更乐意接受，微创手术是外科发展的总趋势和追求目标。

对于腔镜手术来说，医生需要通过前期的操作训练才能够上岗，训练采用较多的是训练箱，也有进行动物训练的，但是动物实验耗费人力物力较多，不容易经常开展；而训练箱随时随地均可操作，训练箱主要模拟腹腔镜手术手眼分离的训练环境，医生自由做一些镜下技能训练。

现有的训练设备一般分为实体操作结构和模拟操作结构，实体操作结构则直接使用手术用腹腔镜，虽然操作效果较佳，但是训练时所观察的事物为实体，与实际手术影像相差较大；模拟操作结构则采用虚拟技术，能够模拟腹腔内影像，训练更为真实，镜下技能能够迅速提高，但是现有的模拟操作结构缺乏操作反馈，训练时只能够通过提示才能了解当前操作的正确性，并且缺少真实情况下碰撞和牵拉情况下的操作手感问题，大大降低训练的有效性。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本发明的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本发明的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种虚拟腹腔镜手术的力反馈装置及双手训练设备，能够根据操作幅度以及环境情况反馈施压，从而保证训练时具有良好的操作手感，大大提高训练真实性和有效性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，包括安装架，所述安装架内设置有第一旋转支架，所述第一旋转支架通过第一转轴与第二旋转支架轴连，所述第一转轴一端还与第一电机连接，所述第一旋转支架还通过第二转轴与第二电机连接，所述第二旋转支架通过第三转轴与第三电机连接，所述第二转轴和第三转轴均通过轴承设置在安装架上，所述第一旋转支架上还设置有操作杆，所述操作杆直线移动带动第一转轴转动，所述第一旋转支架朝向第一方向转动带动第二转轴转动，所述第一旋转支架朝向第二方向转动带动第二旋转支架和第三转轴转动；

所述第一电机、第二电机和第三电机上均设置有编码器组件，通过编码器组件计算操作杆末端的空间姿态和位置，并通过的空间姿态和位置控制对应的第一电机、第二电机和第三电机动作施加力反馈。

进一步的，所述操作杆为直线导轨，所述直线导轨的滑块与第一旋转支架固定连接，所述直线导轨的轨道条上固定设置有齿条，所述齿条与第一齿轮啮合连接，所述第一齿轮安装在第一转轴上。

进一步的，所述操作杆端部设置有旋转连接器，所述旋转连接器沿操作杆周向转动，旋转连接器与操作端连接。

进一步的，所述第一电机固定设置在第二旋转支架上，所述第一电机通过同步带轮组件与第一转轴连接。

进一步的，所述第二转轴与第二电机之间以及第三转轴与第三电机之间均设置有传动组件，所述第二电机和第三电机设置在安装架上，所述传动组件包括啮合设置的扇形齿轮和第二齿轮。

进一步的，所述第二转轴和第三转轴上均设置有旋转限位板，所述旋转限位板对应的安装架上设置有两个限位凸部，两个限位凸部配合限制旋转限位板的旋转角度。

进一步的，所述扇形齿轮上设置有触点，所述安装架上设置有传感器，当所述触点触发传感器时，所述编码器组件归零。

进一步的，所述第一旋转支架与第二转轴之间设置有摇摆转动连接件。

进一步的，所述摇摆转动连接件包括轴连设置的摇杆和次旋转连杆，所述摇杆还与第一旋转支架轴连，所述次旋转连杆与第二转轴固定连接。

一种双手训练设备，包括上述任意所述的力反馈装置，所述力反馈装置的数量为2。

借由以上的技术方案，本发明的有益效果如下：

1、本发明的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置及双手训练设备，第一旋转支架和第二旋转支架的配合轴连，能够使得操作杆能够前轴旋转以及左右旋转，并且操作杆还能够推拉移动，从而具有三个自由度上的移动效果，满足训练操作自由移动效果。

2、本发明的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置及双手训练设备，编码器组件能够快速计算操作杆末端的空间姿态和位置，计算便捷可靠，较比图像捕捉结构简单，成本低。

3、本发明的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置及双手训练设备，通过三个电机能够在三个自由度上实现力反馈效果，并且三个自由度能够同时动作，形成合成运动，从而不影响训练操作，使得模拟手术更逼近真实手感。

4、本发明的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置及双手训练设备，操作杆置中设置，以模拟手术钳杆伸入皮肤组织后以皮肤为支点作移动操作的效果，在使用过程中，各个自由度之间不存在干涉或者存在极小的干涉，因此每个动作操作顺畅度高，手感趋于真实。

附图说明

图1是本发明整体结构第一视角示意图；

图2是本发明整体结构第二视角示意图；

图3是本发明整体结构第三视角示意图；

图4是本发明传动组件位置处的示意图；

图5是本发明的第一旋转支架和第二旋转支架配合结构示意图；

图6是本发明的旋转连接器内部结构示意图；

图7是本发明的双手训练结构示意图。

其中：

1、安装架；111、力反馈装置；2、第一旋转支架；3、第一转轴；4、第二旋转支架；5、第一电机；6、第二转轴；7、第二电机；8、第三转轴；9、第三电机；10、操作杆；11、编码器组件；12、齿条；13、旋转连接器；14、连接轴承；15、同步带轮组件；16、传动组件；17、旋转限位板；18、限位凸部；19、触点；20、传感器；21、摇摆转动连接件；22、摇杆；23、次旋转连杆。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

参见附图1-6，本发明的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置的一实施例，包括安装架1，安装架1内设置有第一旋转支架2，第一旋转支架2通过第一转轴3与第二旋转支架4轴连，第一转轴3一端还与第一电机5连接，第一旋转支架2还通过第二转轴6与第二电机7连接，第二旋转支架4通过第三转轴8与第三电机9连接，第二转轴6和第三转轴8均通过轴承设置在安装架1上，第一旋转支架2上还设置有操作杆10，第一电机5、第二电机7和第三电机9上均设置有编码器组件11，操作杆10直线移动带动第一转轴3转动，第一旋转支架2朝向第一方向转动带动第二转轴6转动，第一旋转支架2朝向第二方向转动带动第二旋转支架4和第三转轴8转动；具体操作时，上述结构组合有三个动作，具体如下：

动作一为直线伸缩动作，操作者直接对操作杆10做前后的推动或者拉动动作，操作杆10的移动能够带动第一转轴3自转，第一转轴3自转后能够带动第一电机5转动，第一电机5的电机轴能够带动编码器组件11转动，此处的编码器组件11能够对直线伸缩的移动量进行测量；

其中，第一电机5固定设置在第二旋转支架4上，第一转轴3与第二旋转支架4又为轴连，因此能够保证第一电机5轴向位置与第一转轴3的轴向位置相对固定，第一电机5可以通过同步带轮组件15与第一转轴3连接，实现同步转动效果；为了更好的带动第一转轴3转动，将操作杆10设计为直线导轨结构，直线导轨的滑块与第一旋转支架2固定连接，使得操作杆10与第一旋转支架2结构为一体且能够在操作杆10长度方向上移动，而直线导轨的轨道条上固定设置有齿条12，齿条12与第一齿轮啮合连接，第一齿轮安装在第一转轴3上，在操作杆10推拉移动时，齿条12带着第一齿轮转动，即实现第一转轴3同步转动的效果，稳定可靠，便于组装。

动作二为左右旋转动作，操作者直接对操作杆10向左或向右推动动作，在此方向上，第一旋转支架2因第一转轴3的设置而能够与第二旋转支架4保持同步动作，即操作杆10能够带动第一旋转支架2沿第三转轴8周向转动，转动的同时能够带动第三转轴8转动，第三转轴8带动第三电机9转动，第三电机9的电机轴能够带动编码器组件11转动，此处的编码器组件11能够对左右旋转动的旋转移动量进行测量；

动作三为前后旋转动作，操作者直接对操作杆10上推或者下压的动作，操作杆10能够带动第一旋转支架2沿第一转轴3周向转动，转动的同时能够带动第二转轴6转动，第二转轴6带动第二电机7转动，第二电机7的电机轴能够带动编码器组件11转动，此处的编码器组件11能够对前后旋转动的旋转移动量进行测量；

其中，由于第一转轴3在动作二中需要做旋转动作，因此带动第二转轴6转动时，可以通过摇摆转动连接件21进行配合联动，摇摆转动连接件21包括轴连设置的摇杆22和次旋转连杆23，摇杆22还与第一旋转支架2轴连，次旋转连杆23与第二转轴6固定连接，由于摇杆22与第一旋转支架2轴连，因此第一旋转支架2沿第三转轴8周向转动时，不影响第二转轴6，第二转轴6不会转动，而当第一旋转支架2沿第一转轴3周向转动时，第一旋转支架2能够带动摇杆22沿第一转轴3周向转动，转动的摇杆22还能够带着次旋转连杆23沿第一转轴3周向转动，从而能够带着第二转轴6自转。结构简单，联动效果好，且与其他动作互不影响。

在上述的动作二和动作三中，为了更灵敏的提供移动量和力反馈效果，在第二转轴6与第二电机7之间以及第三转轴8与第三电机9之间均设置有传动组件16，第二电机7和第三电机9设置在安装架1上，传动组件16包括啮合设置的扇形齿轮和第二齿轮。扇形齿轮和第二齿轮配合具有传动比，使得轻微动作也能够带动第二电机7和第三电机9转动，即编码器组件11工作，灵敏度高，而扇形齿轮主要是为了减少体积。

由于腹腔内移动范围并不大，且为了避免操作杆10与安装架1发生碰撞等问题，在第二转轴6和第三转轴8上均设置有旋转限位板17，旋转限位板17对应的安装架1上设置有两个限位凸部18，两个限位凸部18配合限制旋转限位板17的旋转角度；

上述的动作一、动作二和动作三能够配合组成组合动作，例如在推进的同时斜向上操作操作杆10等，通过三个编码器组件11可以计算操作杆10末端的空间姿态和位置，并通过的空间姿态和位置控制对应的第一电机5、第二电机7和第三电机9动作施加力反馈，即对电机施加电压，从而产生推动力或者阻力，以模拟受阻情况和碰触器官组织等产生反推力的情况。

上述编码器组件11在持续工作后，为了保证精度，在扇形齿轮上设置有触点19，安装架1上设置有传感器20，触电可以由螺钉旋设在扇形齿轮上形成，传感器20可以为光电传感器20，当触点19触发传感器20时，编码器组件11归零，重新计算动作角度。

具体的，上述动作过程中，操作杆末端的空间位置M、手感综合力F、动作一手感力F1、动作二手感力F2、动作三手感力F3的计算方式如下：

设三个编码器组件的旋转角度为α、β和γ，操作杆端部距离中心的距离为L；第一电机、第二电机和第三电机型号结构均一致，其扭距为T；

选取第一齿轮的参数为m＝0.5模，Z1＝30齿，则d1＝mZ1＝15mm

两个第二齿轮相同，m＝0.5模，Z2＝Z3＝22齿，则d2＝mZ2＝11mm

两个扇形齿轮的齿数均为m＝0.5模，Z＝200齿，则D＝mZ＝100mm

选取同步带轮组件中第一同步带轮为2GT 20齿，第二同步带轮为2GT 40齿；则D1＝20*2/3.14＝12.74mm；D2＝40*2/3.14＝25.48mm

求操作杆顶端的空间位置M以及各反力：

L＝(α/360)*π*d1

M点的位置为(Lcosα，Lcosβ,L)

F1＝(T*D2/D1)/r1

F2＝F3＝(T*D/d2)/L

F²＝F1²+F2²+F3²

根据有效计算可以精确的控制手感力，以保证具有真实的操作效果。其中，动作二和动作三的旋转轴线均交汇于第一转轴的轴线上，即动作一的位置，因此操作杆属于居中位置，在任意转动过程中，均能够以该中心位置形成摆动，即模拟了手术钳杆伸入皮肤组织后以皮肤交界处作为支点作移动操作的效果，在使用过程中，各个自由度之间不存在干涉或者存在极小的干涉，因此每个动作操作顺畅度高，手感趋于真实。

在一实施例中，参照图6所示，操作杆10端部设置有旋转连接器13，旋转连接器13沿操作杆10周向转动，旋转连接器13与操作端连接。旋转连接器13具有两个连接端以及设置在两个连接端之间的连接轴承14。在上述三个动作后，还具有第四个动作，即操作杆10自转，可以调节钳子等工具的抓取姿态。

如图7所示，本发明还公开了一种双手训练设备，包括上述任意的力反馈装置，力反馈装置的数量为2，即为左右手双手操作的结构，适合双手操作训练。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，包括安装架，所述安装架内设置有第一旋转支架，所述第一旋转支架通过第一转轴与第二旋转支架轴连，所述第一转轴一端还与第一电机连接，所述第一旋转支架还通过第二转轴与第二电机连接，所述第二旋转支架通过第三转轴与第三电机连接，所述第二转轴和第三转轴均通过轴承设置在安装架上，所述第一旋转支架上还设置有操作杆，所述操作直线移动带动第一转轴转动，所述第一旋转支架朝向第一方向转动带动第二转轴转动，所述第一旋转支架朝向第二方向转动带动第二旋转支架和第三转轴转动；

2.根据权利要求1所述的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，所述操作杆为直线导轨，所述直线导轨的滑块与第一旋转支架固定连接，所述直线导轨的轨道条上固定设置有齿条，所述齿条与第一齿轮啮合连接，所述第一齿轮安装在第一转轴上。

3.根据权利要求1所述的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，所述操作杆端部设置有旋转连接器，所述旋转连接器沿操作杆周向转动，旋转连接器与操作端连接。

4.根据权利要求1所述的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，所述第一电机固定设置在第二旋转支架上，所述第一电机通过同步带轮组件与第一转轴连接。

5.根据权利要求1所述的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，所述第二转轴与第二电机之间以及第三转轴与第三电机之间均设置有传动组件，所述第二电机和第三电机设置在安装架上，所述传动组件包括啮合设置的扇形齿轮和第二齿轮。

6.根据权利要求5所述的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，所述第二转轴和第三转轴上均设置有旋转限位板，所述旋转限位板对应的安装架上设置有两个限位凸部，两个限位凸部配合限制旋转限位板的旋转角度。

7.根据权利要求5所述的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，所述扇形齿轮上设置有触点，所述安装架上设置有传感器，当所述触点触发传感器时，所述编码器组件归零。

8.根据权利要求1所述的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，所述第一旋转支架与第二转轴之间设置有摇摆转动连接件。

9.根据权利要求8所述的虚拟腹腔镜手术的力反馈装置，其特征在于，所述摇摆转动连接件包括轴连设置的摇杆和次旋转连杆，所述摇杆还与第一旋转支架轴连，所述次旋转连杆与第二转轴固定连接。

10.一种双手训练设备，其特征在于，包括权利要求1-9任意所述的力反馈装置，所述力反馈装置的数量为2。