CN107945603A - 一种两自由度虚拟手术的力反馈装置 - Google Patents
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Abstract
一种两自由度虚拟手术的力反馈装置,其包括:机械子***和电气子***;所述机械子***包括机械装置主轴、第一主轴固定座、第二主轴固定座、主轴滑块、导向杆、钢丝绳、第一线轮组、第一驱动执行元件、第二线轮组、第二驱动执行元件;所述机械装置主轴前部连接外部手术器械,中部由主轴滑块带动钢丝绳与第一线轮组、第一驱动执行元件相连,第二主轴固定座处设有第一信号采集元件,用来执行手术主轴伸缩运动,采集伸缩运动位置数据并执行力反馈过程;机械装置主轴前部有第一主轴固定座,第一固定座中部开孔处设有第二线轮组、第二驱动执行元件,第二主轴固定座设有第二信号采集元件;所述电气***用于向用户提供操作过程中的力反馈作用。
Description
技术领域
本发明涉及医疗训练器设计技术领域,特别涉及一种两自由度虚拟手术的力反馈装置。
背景技术
随着人均寿命和世界医疗水平的提高,医疗器械的开发也得到了较快发展,各种借助于医疗器械训练医师的仿真器也应孕而生。这些仿真器与虚拟的手术场景结合,在与医师交互中具有很强的实时性和交互感,可以大大缩短医师的培训时间。同时,仿真器可以多次、重复使用,在不同的手术步骤上重复训练,能提高医师的训练量和熟练度。虚拟手术装置具有良好效果的标准是具有逼真的图像场景和手术装置具有一定的力反馈功能。
中国专利申请号:200510027052.9,名称为多功能虚拟手术器械。该专利中所述装置采集直线位移传感器和角位移传感器信号,实现手术刀的剪切、移动、转动自由度运动。该虚拟手术器械虽能实现手术刀运动,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,缺乏交互体验和操作沉浸感,对医师训练是一个不利影响。
发明内容
有鉴于此,本发明提出一种能够实现伸缩、自转两自由度运动,采集运动过程中的力反馈,并提供真实的运动力反馈效果的两自由度虚拟手术的力反馈装置。
一种两自由度虚拟手术的力反馈装置,其包括:
机械子***和电气子***;
所述机械子***包括机械装置主轴、第一主轴固定座、第二主轴固定座、主轴滑块、导向杆、钢丝绳、第一线轮组、第一驱动执行元件、第二线轮组、第二驱动执行元件;
所述机械装置主轴前部连接外部手术器械,中部由主轴滑块带动钢丝绳与第一线轮组、第一驱动执行元件相连,第二主轴固定座处设有第一信号采集元件,用来执行手术主轴伸缩运动,采集伸缩运动位置数据并执行力反馈过程;机械装置主轴前部有第一主轴固定座,第一固定座中部开孔处设有第二线轮组、第二驱动执行元件,第二主轴固定座设有第二信号采集元件,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;
所述电气***用于向用户提供操作过程中的力反馈作用。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,
所述机械装置主轴的自转运动角度在0度到360度之间。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,所述机械装置主轴前端和末端之间可以进行伸缩运动,伸缩运动距离为0~200mm之间。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,
所述第一驱动执行元件和/或第二驱动执行元件为直流伺服电机。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,所述第一信号采集元件和/或第二信号采集元件为500线三相编码器。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,所述机械子***的第一线轮组由两个线轮组成,其中一线轮的轴线与第一驱动执行元件轴线重合,带动第一驱动执行元件运动,两个线轮的轴线相互平行;两线轮之间的传动形式为钢丝绳传动,通过钢丝绳缠绕在一组线轮上实现机械装置主轴和线轮组间的伸缩传动和力矩传递。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,
所述机械子***的第二线轮组由两个线轮组成,其中一个轴线与第二驱动执行元件轴线重合,带动第二驱动执行元件运动,另一线轮的轴线与机械装置主轴轴线重合,跟随主轴完成自转运动,两线轮之间的传动形式为皮带轮传动,通过皮带轮传动实现机械装置主轴和线轮组间的自转传动和力矩传递。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,所述电气子***包括数据采集模块部分,控制核心部分,驱动模块部分;核心控制部分分别与数据采集模块部分、驱动模块部分电连接;
所述数据采集模块部分,用于采集机械子***的第一信号采集元件的位置数据和第二信号采集元件的角度数据,通过数据传输协议,将其传递给控制核心部分;
所述驱动模块部分,接收来自控制核心部分下传的自转和伸缩自由度上的反馈力,将反馈力施加到第一驱动执行元件、第二驱动执行元件,使操作者感受操作过程中的力反馈作用;
所述控制核心部分,获取数据采集模块部分的角度和位置信息,确定场景中器械的空间位置,并将定位后的空间位姿信息实时传递给上位机,构建相应运动的图像三维场景;根据空间姿态实时计算运动合力大小,将合力按一定方法分解到自转和伸缩方向上去,对应产生各自运动方向上的反馈力,并下传给驱动模块部分。
实施本发明提供的两自由度虚拟手术的力反馈装置与现有技术相比具有以下有益效果:通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,在虚拟手术中,设计了带有力反馈功能的机械子***和电气子***,能够实时获取自转和伸缩两个自由度的运动姿态,且灵敏度高,处理速度快,鲁棒性好。力反馈功能可以增加医师在手术中的交互感,沉浸感,提高虚拟手术操作的真实度。
附图说明
图1是本发明实施例的机械子***示意图;
图2是本发明实施例的电气子***示意图。
具体实施方式
如图1、2所示,本发明提供一种两自由度虚拟手术的力反馈装置,其包括:
机械子***和电气子***;
所述机械子***包括机械装置主轴3、第一主轴固定座4、第二主轴固定座8、主轴滑块5、导向杆6、钢丝绳13、第一线轮组14、第一驱动执行元件11、第二线轮组10、第二驱动执行元件2;
所述机械装置主轴3前部连接外部手术器械,中部由主轴滑块5带动钢丝绳13与第一线轮组14、第一驱动执行元件11相连,第二主轴固定座8处设有第一信号采集元件9,用来执行手术主轴伸缩运动,采集伸缩运动位置数据并执行力反馈过程;机械装置主轴3前部有第一主轴固定座4,第一固定座中部开孔处设有第二线轮组10、第二驱动执行元件2,第二主轴固定座8设有第二信号采集元件15,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;导向杆6上套设限位器7;第二驱动执行元件2设置在第二驱动执行元件基座上1。第一驱动执行元件11设置在第一驱动执行元件基座12上。
所述电气***用于向用户提供操作过程中的力反馈作用。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,
所述机械装置主轴3的自转运动角度在0度到360度之间。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,所述机械装置主轴3前端和末端之间可以进行伸缩运动,伸缩运动距离为0~200mm之间。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,
所述第一驱动执行元件11和/或第二驱动执行元件2为直流伺服电机。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,所述第一信号采集元件9和/或第二信号采集元件15为500线三相编码器。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,所述机械子***的第一线轮组14由两个线轮组成,其中一线轮的轴线与第一驱动执行元件11轴线重合,带动第一驱动执行元件11运动,两个线轮的轴线相互平行;两线轮之间的传动形式为钢丝绳13传动,通过钢丝绳13缠绕在一组线轮上实现机械装置主轴3和线轮组间的伸缩传动和力矩传递。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,
所述机械子***的第二线轮组10由两个线轮组成,其中一个轴线与第二驱动执行元件2轴线重合,带动第二驱动执行元件2运动,另一线轮的轴线与机械装置主轴3轴线重合,跟随主轴完成自转运动,两线轮之间的传动形式为皮带轮传动,通过皮带轮传动实现机械装置主轴3和线轮组间的自转传动和力矩传递。
在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中,所述电气子***包括数据采集模块部分16,控制核心部分17,驱动模块部分18;核心控制部分分别与数据采集模块部分16、驱动模块部分18电连接;
所述数据采集模块部分16,用于采集机械子***的第一信号采集元件9的位置数据和第二信号采集元件15的角度数据,通过数据传输协议,将其传递给控制核心部分17;
所述驱动模块部分18,接收来自控制核心部分17下传的自转和伸缩自由度上的反馈力,将反馈力施加到第一驱动执行元件11、第二驱动执行元件2,使操作者感受操作过程中的力反馈作用;
所述控制核心部分17,获取数据采集模块部分16的角度和位置信息,确定场景中器械的空间位置,并将定位后的空间位姿信息实时传递给上位机,构建相应运动的图像三维场景;根据空间姿态实时计算运动合力大小,将合力按一定方法分解到自转和伸缩方向上去,对应产生各自运动方向上的反馈力,并下传给驱动模块部分18。
以下为实施例:
实施例1
所述机械子***框架包括机械装置主轴3,第一主轴固定座4、第二主轴固定座8,主轴滑块5,导向杆6。
所述机械装置主轴3前部连接手术器械,中部由主轴滑块5在导向杆6上运动,带动钢丝绳13移动,钢丝绳13与第一线轮组14、第一驱动执行元件11相连,第二主轴固定座8处设有第一信号采集元件9,用来执行手术主轴伸缩运动,采集伸缩运动位置数据并执行力反馈过程。机械装置主轴3前部有第一主轴固定座4,第一主轴固定座4中部开孔处设有第二线轮组10、第二驱动执行元件2,第二主轴固定座8设有第二信号采集元件15,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。
实施例2
所述电气子***,包括数据采集模块部分16,控制核心部分17,驱动模块部分18;
所述数据采集模块部分16,采用stm32单片机作为控制核心,接收虚拟手术力反馈装置伸缩的位置数据和自转的角度数据,并将其传递给控制核心部分。
所述控制核心部分17,包括计算机和显示器。单片机用于获取数据采集模块部分的角度和位置信息,确定场景中器械的空间位置,并将定位后的空间位姿信息实时传递给计算机,构建相应运动的图像三维场景,显示在显示器上;根据空间姿态实时计算运动合力大小,将合力按一定方法分解到自转和伸缩方向上去,对应产生各自运动方向上的反馈力,并下传给驱动模块部分;
所述驱动模块部分18,采用stm32作为控制核心,接收来自计算机下传的自转和伸缩自由度上的反馈力,利用ADC将反馈力转换成电流值,再以CAN总线形式将电流值施加到各驱动执行元件,使操作者感受操作过程中的力反馈作用。
实施例3
伸缩和自转自由度力反馈功能实现如下:
伸缩自由度力反馈运动过程:
机械装置主轴3沿着导向杆6做伸缩运动时,固定在机械装置主轴3上的主轴滑块5跟随运动,主轴滑块5带动钢丝绳13作直线运动,带动第一线轮组14和第一驱动执行元件11转动,完成伸缩运动过程。
第一驱动执行元件11的轴运动时,第一信号采集元件9将采集伸缩方向上的移动距离,将其传递给控制核心部分17,控制核心部分17经计算后,将对应的反馈力传给驱动执行部分18,产生不同的电流信号作用在第一驱动执行元件11上,产生相应的力反馈效果。
自转自由度力反馈运动过程:
机械装置主轴3在第一主轴固定座4、第二主轴固定座8的支撑下绕轴心做自转运动时,将会带动与主轴3相连的第二线轮组10的轴心转动,继而带动第二驱动执行元件2转动,完成自转运动过程。
第二驱动执行元件2的轴运动时,第二信号采集元件15将采集自转方向上的角度位置,将其传递给控制核心部分17,控制核心部分17经计算后,将对应的反馈力传给驱动执行部分18,产生不同的电流信号作用在第二驱动执行元件2上,产生相应的力反馈效果。
实施本发明提供的两自由度虚拟手术的力反馈装置与现有技术相比具有以下有益效果:通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,在虚拟手术中,设计了带有力反馈功能的机械子***和电气子***,能够实时获取自转和伸缩两个自由度的运动姿态,且灵敏度高,处理速度快,鲁棒性好。力反馈功能可以增加医师在手术中的交互感,沉浸感,提高虚拟手术操作的真实度。
可以理解的是,对于本领域的普通技术人员来说,可以根据本发明的技术构思做出其它各种相应的改变与变形,而所有这些改变与变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种两自由度虚拟手术的力反馈装置,其特征在于,其包括:
机械子***和电气子***;
所述机械子***包括机械装置主轴、第一主轴固定座、第二主轴固定座、主轴滑块、导向杆、钢丝绳、第一线轮组、第一驱动执行元件、第二线轮组、第二驱动执行元件;
所述机械装置主轴前部连接外部手术器械,中部由主轴滑块带动钢丝绳与第一线轮组、第一驱动执行元件相连,第二主轴固定座处设有第一信号采集元件,用来执行手术主轴伸缩运动,采集伸缩运动位置数据并执行力反馈过程;机械装置主轴前部有第一主轴固定座,第一固定座中部开孔处设有第二线轮组、第二驱动执行元件,第二主轴固定座设有第二信号采集元件,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;
所述电气***用于向用户提供操作过程中的力反馈作用。
2.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置,其特征在于,
所述机械装置主轴的自转运动角度在0度到360度之间。
3.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置,其特征在于,所述机械装置主轴前端和末端之间可以进行伸缩运动,伸缩运动距离为0~200mm之间。
4.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置,其特征在于,
所述第一驱动执行元件和/或第二驱动执行元件为直流伺服电机。
5.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置,其特征在于,所述第一信号采集元件和/或第二信号采集元件为500线三相编码器。
6.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置,其特征在于,所述机械子***的第一线轮组由两个线轮组成,其中一线轮的轴线与第一驱动执行元件轴线重合,带动第一驱动执行元件运动,两个线轮的轴线相互平行;两线轮之间的传动形式为钢丝绳传动,通过钢丝绳缠绕在一组线轮上实现机械装置主轴和线轮组间的伸缩传动和力矩传递。
7.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置,其特征在于,
所述机械子***的第二线轮组由两个线轮组成,其中一个轴线与第二驱动执行元件轴线重合,带动第二驱动执行元件运动,另一线轮的轴线与机械装置主轴轴线重合,跟随主轴完成自转运动,两线轮之间的传动形式为皮带轮传动,通过皮带轮传动实现机械装置主轴和线轮组间的自转传动和力矩传递。
8.如权利要求1至7任一项所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置,其特征在于,所述电气子***包括数据采集模块部分,控制核心部分,驱动模块部分;核心控制部分分别与数据采集模块部分、驱动模块部分电连接;
所述数据采集模块部分,用于采集机械子***的第一信号采集元件的位置数据和第二信号采集元件的角度数据,通过数据传输协议,将其传递给控制核心部分;
所述驱动模块部分,接收来自控制核心部分下传的自转和伸缩自由度上的反馈力,将反馈力施加到第一驱动执行元件、第二驱动执行元件,使操作者感受操作过程中的力反馈作用;
所述控制核心部分,获取数据采集模块部分的角度和位置信息,确定场景中器械的空间位置,并将定位后的空间位姿信息实时传递给上位机,构建相应运动的图像三维场景;根据空间姿态实时计算运动合力大小,将合力按一定方法分解到自转和伸缩方向上去,对应产生各自运动方向上的反馈力,并下传给驱动模块部分。
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