專利名稱：虛擬仿真的力反饋手術(shù)器械的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種虛擬仿真的力反饋手
術(shù)器械。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展越來越多體現(xiàn)多學(xué)科的交叉和滲透。作為微創(chuàng)手術(shù)的一種，介入
手術(shù)已在諸多領(lǐng)域開始逐步替代部分傳統(tǒng)開放式手術(shù)。而虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，使
得虛擬手術(shù)成為正在發(fā)展起來的研究方向。介入手術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融合而成的虛擬介入
手術(shù)可以幫助醫(yī)生制定手術(shù)方案；也可以重復(fù)練習(xí)，降低手術(shù)訓(xùn)練費(fèi)用，縮短培養(yǎng)外科醫(yī)生
的周期，虛擬介入手術(shù)克服了依靠傳統(tǒng)臨床觀摩實(shí)踐來訓(xùn)練醫(yī)生時遇到的操作機(jī)會少、操
作對象昂貴等問題，對手術(shù)培訓(xùn)具有重要意義。實(shí)施虛擬介入手術(shù)的重要條件之一是提供
虛擬的介入手術(shù)器械進(jìn)行手術(shù)操作，作為操作者與虛擬場景進(jìn)行實(shí)時交互的工具。 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?00510027052. 9，名稱為多功
能虛擬手術(shù)器械，該專利使用直線位移和旋轉(zhuǎn)位移傳感器采集位移數(shù)據(jù)，通過設(shè)計帶有剪
刀手柄操作桿的工作臺實(shí)現(xiàn)手術(shù)剪刀、鉗夾和手術(shù)刀的虛擬操作，但該裝置尚不具備力反
饋功能。 檢索中還發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?008100270073. 4，名稱為一種虛擬手術(shù)的方 法及其裝置，該專利公開了一種虛擬手術(shù)的方法及其裝置，其能實(shí)現(xiàn)實(shí)時的力反饋和視覺 反饋，還能模擬多種手術(shù)器械的操作。但該發(fā)明實(shí)際僅介紹了一種虛擬手術(shù)的方法。所述 裝置為美國的PHANTOM Desktop力反饋設(shè)備。 美國的PHANTOM Desktop力反饋設(shè)備為一種虛擬仿真的手術(shù)器械裝置，但該裝置 的操作行程有限，不適合操作器械運(yùn)動范圍為大行程的手術(shù)(如心臟介入手術(shù))虛擬仿真， 且操作手柄的操作方式與心臟介入手術(shù)等有區(qū)別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種虛擬仿真的力反饋手術(shù)器械，通 過與虛擬仿真技術(shù)相配合，能夠?qū)崿F(xiàn)帶有力反饋功能的操作模擬，使得操作者與虛擬場景 得以交互。 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括底盤、俯仰裝置、操作平臺、驅(qū)動 組件、固定組件和控制檢測模塊，其中底板與俯仰調(diào)節(jié)裝置的一端固定連接，俯仰調(diào)節(jié)裝 置的另一端與操作平臺轉(zhuǎn)動連接，第一驅(qū)動組件和固定組件分別固定設(shè)置于操作平臺上， 第二驅(qū)動組件與固定組件相連接，控制檢測模塊分別與第一驅(qū)動組件和第二驅(qū)動組件相連 接。 所述的俯仰裝置包括立柱、支撐板、俯仰調(diào)節(jié)器和連接軸，其中立柱垂直固定 設(shè)置于底盤上，連接軸垂直貫穿立柱并轉(zhuǎn)動連接，連接軸的兩端分別與兩個俯仰調(diào)節(jié)器相 連接，兩個俯仰調(diào)節(jié)器分別與支撐板和操作平臺固定連接，支撐板垂直固定設(shè)置于立柱的
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所述的第一驅(qū)動組件包括第一滑輪組、第二滑輪組、傳動線纜、第一驅(qū)動電機(jī)和 線纜張緊組件，其中第一滑輪組和第二滑輪組分別固定設(shè)置于操作平臺的兩端，傳動線纜 環(huán)形套接在滑輪組上，第一驅(qū)動電機(jī)與第一滑輪組同軸設(shè)置，線纜張緊組件設(shè)置在第二滑 輪組下。 所述的第二驅(qū)動組件包括操作桿、滑塊和第二驅(qū)動電機(jī)，其中滑塊設(shè)置在固定 組件上，其下端與傳動線纜固定連接，滑塊上固定設(shè)置有第二驅(qū)動電機(jī)，操作桿與第二驅(qū)動 電機(jī)的伸出軸同軸設(shè)置，并被一個固定座限制自由度。 所述的第一驅(qū)動電機(jī)和第二驅(qū)動電機(jī)為微型伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電/磁流變液
元件或磁粉制動器，該第一驅(qū)動電機(jī)和第二驅(qū)動電機(jī)分別連接至控制檢測模塊。
所述的固定組件包括固定座、直線導(dǎo)軌和限位塊，其中兩個固定座固定設(shè)置在
操作平臺的兩端，直線導(dǎo)軌固定設(shè)置在兩個固定座上，限位塊固定設(shè)置在直線導(dǎo)軌上。
所述的控制檢測模塊包括控制處理器、驅(qū)動板和傳感器，其中控制處理器與驅(qū)
動板連接，驅(qū)動板和傳感器分別與第一驅(qū)動組件和第二驅(qū)動組件相連接將位移信號傳輸給
控制處理器。 所述的傳感器為位置速度兩用傳感器，一個傳感器設(shè)置于第一驅(qū)動電機(jī)的輸出 軸，另一個設(shè)置于第二驅(qū)動電機(jī)的輸出軸。位置傳感器的實(shí)現(xiàn)形式可以是電位器、旋轉(zhuǎn)變壓 器、編碼器，速度傳感器的實(shí)現(xiàn)形式可以是測速電機(jī)或者編碼器元件；其中，一種較理想的 實(shí)現(xiàn)形式是采用光電式數(shù)字編碼器，同時測量角位移和轉(zhuǎn)速兩個參數(shù)。 本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)兩個自由度上力覺反饋功能，且實(shí)現(xiàn)了操作桿的操作角度的調(diào)整， 操作者可以利用此交互設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)介入手術(shù)多種動作，可適用于心臟介入手術(shù)和經(jīng)皮穿 剌椎間盤介入手術(shù)的多項(xiàng)培訓(xùn)任務(wù)。


圖la及圖lb為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2為本發(fā)明的檢測控制模塊的結(jié)構(gòu)框圖； 其中1底板、2俯仰調(diào)節(jié)裝置、3操作平臺、4第一驅(qū)動組件、5固定組件、6第二驅(qū) 動組件、7控制處理器、8驅(qū)動板、9傳感器、21立柱、22支撐板、23俯仰調(diào)節(jié)器、24連接軸、41 滑輪組、42傳動線纜、43第一驅(qū)動電機(jī)、44線纜張緊組件、51固定座、52直線導(dǎo)軌、53限位 塊、61操作桿、62滑塊、63第二驅(qū)動電機(jī)、100控制檢測模塊。
具體實(shí)施例方式
下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。 如圖1和圖2所示，本實(shí)施例包括底板1、俯仰調(diào)節(jié)裝置2、操作平臺3、第一驅(qū)動 組件4、固定組件5、第二驅(qū)動組件6和控制檢測模塊100，其中底板1上固定設(shè)置有俯仰 調(diào)節(jié)裝置2，俯仰調(diào)節(jié)裝置2的另一端與操作平臺3轉(zhuǎn)動連接，操作平臺3上固定設(shè)置有第 一驅(qū)動組件4和固定組件5，第二驅(qū)動組件6設(shè)置在固定組件5上，控制檢測模塊100分別與第一驅(qū)動組件4和第二驅(qū)動組件6相連接。 所述的俯仰裝置2包括立柱21、支撐板22、俯仰調(diào)節(jié)器23和連接軸24，其中立 柱21垂直固定設(shè)置在底盤1上，連接軸24垂直貫穿立柱21并轉(zhuǎn)動連接，連接軸24的兩端 分別與兩個俯仰調(diào)節(jié)器23相連接，兩個俯仰調(diào)節(jié)器23分別與支撐板22和操作平臺3固定 連接，支撐板22垂直固定設(shè)置立柱6的一側(cè)。 所述的第一驅(qū)動組件4包括滑輪組41、傳動線纜42、第一驅(qū)動電機(jī)43，和線纜張 緊組件44，其中兩個滑輪組41分別固定設(shè)置于操作平臺3的兩端，傳動線纜42環(huán)形套接 在滑輪組43上，第一驅(qū)動電機(jī)43與滑輪組41同軸設(shè)置，線纜張緊組件44設(shè)置在一個滑輪 組41下。 所述的固定組件5包括固定座51、直線導(dǎo)軌52、限位塊53，其中兩個固定座51 固定設(shè)置在操作平臺3的兩端，直線導(dǎo)軌52固定設(shè)置在兩個固定座51上，限位塊53固定 設(shè)置在直線導(dǎo)軌52上。 所述的第二驅(qū)動組件6包括操作桿61、滑塊62、第二驅(qū)動電機(jī)63，其中滑塊62 設(shè)置在直線導(dǎo)軌52上，其下端與傳動線纜42固定連接，滑塊62上固定設(shè)置有第二驅(qū)動電 機(jī)63，操作桿61與第二驅(qū)動電機(jī)63的伸出軸同軸設(shè)置，并被一個固定座51限制自由度。
所述線纜張緊組件44為定期張緊裝置。本裝置亦可改裝用張緊彈簧等實(shí)現(xiàn)自動 張緊。在本例或其它實(shí)施例中，還可通過設(shè)置張緊輪等張緊方式實(shí)現(xiàn)線纜的張緊。
所述俯仰調(diào)節(jié)裝置7為機(jī)械調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)操作平臺3的俯仰角度。在其它 實(shí)施例中，俯仰調(diào)節(jié)功能可以改為由電機(jī)實(shí)現(xiàn)。 所述第一驅(qū)動電機(jī)43和第二驅(qū)動電機(jī)63為驅(qū)動執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)方式為微型伺服 電機(jī)。但在本例或是其它實(shí)施例中，驅(qū)動執(zhí)行元件的實(shí)現(xiàn)形式還可以是步進(jìn)電機(jī)，電/磁流 變液元件或磁粉制動器。 所述第一驅(qū)動組件4中的傳動形式為線傳動，線傳動依靠緊繞在線輪上的傳動線 來傳遞主從動件間的機(jī)械運(yùn)動和力矩。線傳動平穩(wěn)連續(xù)，無傳動間隙，運(yùn)動慣量小，驅(qū)動順 滑，成本低廉。傳動線可以選擇常見的不銹鋼絲、高分子合成線、鎢線等。為提高傳動線與線 輪間的摩擦力，在線輪上設(shè)置繞線槽；為保持線纜的張緊力，設(shè)置相應(yīng)的線纜張緊組件44。
所述的控制檢測模塊100包括處理與控制器7、驅(qū)動板8、傳感器9，處理與控制 器7與驅(qū)動板8連接，驅(qū)動板8分別與第一驅(qū)動電機(jī)43和第二驅(qū)動電機(jī)63連接，傳感器9 與驅(qū)動執(zhí)行元件連接，將位移信號傳輸給處理與控制器7。 傳感器9共有兩個，均為位置速度兩用傳感器，兩個傳感器9分別與第一驅(qū)動電機(jī) 43和第二驅(qū)動電機(jī)63同軸設(shè)置，位置傳感器的實(shí)現(xiàn)形式可以是電位器、旋轉(zhuǎn)變壓器、編碼 器，速度傳感器的實(shí)現(xiàn)形式可以是測速電機(jī)或者編碼器元件；其中，一種較理想的實(shí)現(xiàn)形式 是采用光電式數(shù)字編碼器，同時測量角位移和轉(zhuǎn)速兩個參數(shù)。 當(dāng)操作者握住操作桿61的末端沿操作桿61軸線方向進(jìn)行平動操作時，操作桿61 推動滑塊62在直線導(dǎo)軌52上滑動，并受到限位塊53的行程限制，滑塊62帶動固定設(shè)置在 其下端的傳動線纜42繞兩個滑輪組41轉(zhuǎn)動，并帶動第一驅(qū)動電機(jī)43的軸轉(zhuǎn)動。
當(dāng)操作者握住操作桿61的末端繞操作桿61軸線方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作時，操作桿61 的另一末端直接帶動第二驅(qū)動電機(jī)63的軸轉(zhuǎn)動。 當(dāng)?shù)谝或?qū)動電機(jī)43和第二驅(qū)動電機(jī)63轉(zhuǎn)動時，其對應(yīng)設(shè)置的傳感器9測量出驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動角度，再推算出對應(yīng)的操作桿61平動距離、操作桿12自轉(zhuǎn)角度。根據(jù)控制處 理器7計算出各驅(qū)動組件力或力矩控制參數(shù)，按照這些控制參數(shù)信息通過驅(qū)動板8控制各 驅(qū)動組件工作；使得各驅(qū)動組件產(chǎn)生與運(yùn)動方向相反的力矩，從而實(shí)時采集操作桿61兩自 由度的運(yùn)動信息，同時實(shí)現(xiàn)了兩自由度的力覺反饋。
權(quán)利要求
一種虛擬仿真的力反饋手術(shù)器械，包括底盤、俯仰裝置、操作平臺、驅(qū)動組件、固定組件和控制檢測模塊，其中底板與俯仰調(diào)節(jié)裝置的一端固定連接，俯仰調(diào)節(jié)裝置的另一端與操作平臺轉(zhuǎn)動連接，第一驅(qū)動組件和固定組件分別固定設(shè)置于操作平臺上，第二驅(qū)動組件與固定組件相連接上，控制檢測模塊分別與第一驅(qū)動組件和第二驅(qū)動組件相連接，其特征在于所述的俯仰裝置包括立柱、支撐板、俯仰調(diào)節(jié)器和連接軸，其中立柱垂直固定設(shè)置于底盤上，連接軸垂直貫穿立柱并轉(zhuǎn)動連接，連接軸的兩端分別與兩個俯仰調(diào)節(jié)器相連接，兩個俯仰調(diào)節(jié)器分別與支撐板和操作平臺固定連接，支撐板垂直固定設(shè)置于立柱的一側(cè)；所述的第一驅(qū)動組件包括第一滑輪組、第二滑輪組、傳動線纜、第一驅(qū)動電機(jī)和線纜張緊組件，其中第一滑輪組和第二滑輪組分別固定設(shè)置于操作平臺的兩端，傳動線纜環(huán)形套接在滑輪組上，第一驅(qū)動電機(jī)與第一滑輪組同軸設(shè)置，線纜張緊組件設(shè)置在第二滑輪組下；所述的第二驅(qū)動組件包括操作桿、滑塊和第二驅(qū)動電機(jī)，其中滑塊設(shè)置在固定組件上，其下端與傳動線纜固定連接，滑塊上固定設(shè)置有第二驅(qū)動電機(jī)，操作桿與第二驅(qū)動電機(jī)的伸出軸同軸設(shè)置，并被一個固定座限制自由度。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬仿真的力反饋手術(shù)器械，其特征是，所述的第一驅(qū)動電 機(jī)和第二驅(qū)動電機(jī)為微型伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、電/磁流變液元件或磁粉制動器，該第一驅(qū) 動電機(jī)和第二驅(qū)動電機(jī)分別連接至控制檢測模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬仿真的力反饋手術(shù)器械，其特征是，所述的固定組件包 括固定座、直線導(dǎo)軌和限位塊，其中兩個固定座固定設(shè)置在操作平臺的兩端，直線導(dǎo)軌 固定設(shè)置在兩個固定座上，限位塊固定設(shè)置在直線導(dǎo)軌上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的虛擬仿真的力反饋手術(shù)器械，其特征是，所述的控制檢測模 塊包括控制處理器、驅(qū)動板和傳感器，其中控制處理器與驅(qū)動板連接，驅(qū)動板和傳感器 分別與第一驅(qū)動組件和第二驅(qū)動組件相連接將位移信號傳輸給控制處理器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的虛擬仿真的力反饋手術(shù)器械，其特征是，所述的傳感器為位 置速度兩用傳感器，其中一個傳感器設(shè)置于第一驅(qū)動電機(jī)的輸出軸，另一個傳感器設(shè)置于 第二驅(qū)動電機(jī)的輸出軸。
全文摘要
一種醫(yī)療器械技術(shù)領(lǐng)域的虛擬仿真的力反饋手術(shù)器械，包括底盤、俯仰裝置、操作平臺、驅(qū)動組件、固定組件和控制檢測模塊，其中底板與俯仰調(diào)節(jié)裝置的一端固定連接，俯仰調(diào)節(jié)裝置的另一端與操作平臺轉(zhuǎn)動連接，第一驅(qū)動組件和固定組件分別固定設(shè)置于操作平臺上，第二驅(qū)動組件與固定組件相連接，控制檢測模塊分別與第一驅(qū)動組件和第二驅(qū)動組件相連接。本發(fā)明通過與虛擬仿真技術(shù)相配合，能夠?qū)崿F(xiàn)帶有力反饋功能的操作模擬，使得操作者與虛擬場景得以交互。
文檔編號G09B19/00GK101702277SQ20091030694
公開日2010年5月5日 申請日期2009年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者宋亞沖, 莊小龍, 楊揚(yáng), 謝叻, 賴蕓, 趙志球 申請人:上海交通大學(xué);上海模具技術(shù)研究所有限公司