[發明專利]五自由度力反饋虛擬手術器械

無效

• 申請號: 200810037094.4
• 申請日: 2008-05-08
• 公開（公告）號: CN101261781A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發明（設計）人: 謝叻;李國杰;張艷;賴蕓;楊揚;宋亞沖;馬浩博;吳崢;莊小龍;趙志球
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G09B25/02
• 分類號: G09B25/02;A61B17/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種醫療器械技術領域的手術器械，特別是一種五自由度力反饋虛擬手術器械。

背景技術

現代科學的發展越來越多體現多學科的交叉和滲透。虛擬現實在醫學領域的應用，使得虛擬手術成為正在發展起來的研究方向。虛擬手術可以幫助醫生制定手術方案；也可以重復練習，降低手術訓練費用，縮短培養外科醫生的周期，虛擬手術克服了依靠傳統臨床觀摩實踐來訓練醫生時遇到的操作機會少、操作對象昂貴等問題，對醫學手術培訓具有重要意義。實施虛擬手術的重要條件之一是提供虛擬的手術器械進行手術操作，作為操作者與虛擬場景進行實時交互的工具。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利申請號：02118522.0，名稱為：虛擬手術刀裝置，該專利中使用了磁傳感器的三維跟蹤裝置測出手術刀的三維位姿信息，通過比例電磁鐵提供驅動力，實現手術刀切割方向的單方向反饋力，但滿足要求的三維跟蹤裝置成本較高，只有一維的力反饋，且不能適用于手術剪刀、鉗夾操作，而手術剪刀、手術鉗夾的操作在許多外科手術中是重要的操作之一。檢索中還發現，中國專利申請號：200510027052.9，名稱為：多功能虛擬手術器械，該專利使用直線位移和旋轉位移傳感器采集位移數據，通過設計帶有剪刀手柄操作桿的工作臺實現手術剪刀、鉗夾和手術刀的虛擬操作，但該裝置尚不具備力反饋功能。而操作手術器械時的力覺感知對于手術醫生至關重要，虛擬手術刀、虛擬手術剪刀，虛擬手術鉗夾的力反饋功能對于虛擬手術的逼真程度有較大的影響。

發明內容

本發明針對現有技術的不足和缺陷，提供一種五自由度力反饋虛擬手術器械。使其具有力反饋功能，適合手術剪刀操作，也適合手術夾鉗、手術刀、手術縫針等操作，實現虛擬手術系統中操作者與虛擬場景的交互，主要適合于腔鏡外科、微創外科、顯微外科等虛擬手術的操作。

本發明是通過以下技術方案實現的，包括：控制檢測系統、機械機構。所述的機械機構包括一組底腳、底板、兩個立柱、頂板、四個減速輪、四個減速弧、四個固定板、兩個剪刀柄、兩平行導桿、一組拉桿、操作桿、滾動軸承、上橫梁、下橫梁、滾輪、滑塊，五個驅動執行元件。它們的連接關系為：第一減速弧用滾動軸承與底板固定，從而底板可自轉；兩個立柱固定在第一減速弧上，第一減速輪安裝在第一驅動執行元件的轉動軸上，第一驅動執行元件固定在第一固定板上，第一固定板固定在底板上，第二減速輪安裝在第二驅動執行元件的轉動軸上，第二驅動執行元件固定在第一立柱上，第二減速弧固定在頂板上，第二減速弧的側面與第一立柱滾動連接，第三驅動執行元件固定在第二固定板上，第二固定板固定在頂板上，第二固定板的側面與第二立柱滾動連接，剪刀柄固定在第三固定板上，剪刀柄與第四減速弧固定，同時與第三固定板滾動連接，第四減速輪安裝在第五驅動執行元件的轉動軸上，第五驅動執行元件固定在第三固定板上，操作桿固定在第三固定板上，第三減速輪安裝在第四驅動執行元件的轉動軸上，第四驅動執行元件固定在頂板上，兩平行導桿和一組拉桿一端固定在頂板上，另一端固定在第四固定板上，上橫梁、下橫梁固定在兩平行導桿上，上橫梁、下橫梁的中間分別與滾輪滾動連接，鑲嵌在上橫梁的滾輪安裝在第三驅動執行元件的轉動軸上，操作桿穿過第三減速弧與之平動連接，操作桿的下端固定在滑塊上，滑塊與兩平行導桿滑動連接。五個驅動執行元件與控制檢測系統連接。

所述五個驅動執行元件(第一驅動執行元件、第二驅動執行元件、第三驅動執行元件、第四驅動執行元件、第五驅動執行元件)的實現形式可以是微型伺服電機，也可以是電/磁流變液元件、磁粉制動器。

所述機械機構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械運動和力矩。

所述四個減速輪分別與對應的四個減速弧線傳動。鑲嵌在上橫梁、下橫梁中間的兩個滾輪之間的傳動線固定在滑塊上，通過操作桿的平動，帶動下端的滑塊沿兩平行導桿滑動，拉動傳動線傳動。

所述的控制檢測系統包括：處理與控制器、驅動板、傳感器，處理與控制器與驅動板連接，驅動板與安裝在機械機構中的驅動執行元件連接，傳感器與驅動執行元件連接，將位移信號傳輸給處理與控制器。傳感器檢測出各運動自由度上的位置變化情況，將這些位置信息分別發送給處理與控制器；處理與控制器計算出操作手柄的空間位姿以及計算出各個驅動執行元件上的力或力矩參數；按照這些參數信息通過驅動板控制各驅動執行元件工作；這樣，在操作手柄上便合成了所需的反饋力矢量。

所述傳感器有五個，分別與五個驅動執行元件同軸安裝的傳感器，為位置/速度傳感器。