[發(fā)明專利]生物軟組織力反饋觸覺(jué)建模的測(cè)試系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810236150.7
• 申請(qǐng)日: 2008-11-17
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101441205A
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-05-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 曾慶軍;徐晶晶;黃巧亮;陳孝凱;王秋峰
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N33/00
• 分類號(hào): G01N33/00;G09B23/28;G01M19/00
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 魏學(xué)成

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種觸覺(jué)建模的測(cè)試系統(tǒng)，尤其涉及一種生物軟組織力反饋觸覺(jué)建模的測(cè)試 系統(tǒng)。

背景技術(shù)

生物軟組織建模不僅要使用幾何特性建立幾何模型，而且還要利用軟組織的生物力學(xué) 特性建立它的動(dòng)力學(xué)模型。在虛擬手術(shù)仿真中這兩種模型分別在視覺(jué)上和觸覺(jué)上產(chǎn)生一種 逼真的感覺(jué)。此外在機(jī)器人輔助的微創(chuàng)手術(shù)系統(tǒng)中軟組織作為手術(shù)器械的作業(yè)環(huán)境也倍受 關(guān)注，由于醫(yī)生在利用微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人進(jìn)行手術(shù)時(shí)因?yàn)槭チ碎_(kāi)腔手術(shù)時(shí)的立體視覺(jué)感受， 所以就必須利用手術(shù)器械的力反饋信息來(lái)增加手術(shù)的可操作性。

目前對(duì)生物軟組織動(dòng)力學(xué)建模方法主要是兩種方法：①質(zhì)量-阻尼-彈簧模型；②有限元 模型。通常將軟組織的物理模型分為：線彈性模型、非線性模型和粘彈性模型。基于上述物 理模型的計(jì)算模型主要有彈簧—質(zhì)點(diǎn)模型和有限元模型。有限元方法(FEM)已經(jīng)較多地應(yīng)用 于物體的形變建模。有限元模型精確度和穩(wěn)定性較高，但實(shí)施困難、計(jì)算機(jī)效率較低。質(zhì)量 —阻尼—彈簧體模型實(shí)施簡(jiǎn)單、計(jì)算復(fù)雜度較低，且對(duì)于軟組織拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力較 好，被較多地用于軟組織的變形、切割、縫合等虛擬手術(shù)仿真、人體肌肉等彈性物體變形建 模仿真等。近年來(lái)通過(guò)對(duì)組織與安裝有傳感器的手術(shù)器械交互時(shí)的特性進(jìn)行直接測(cè)量建模的 方法引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者較大的研究興趣。國(guó)外針對(duì)肝臟切割過(guò)程中手術(shù)刀受力進(jìn)行測(cè)量及初 步的分析，但是并沒(méi)有考慮組織的動(dòng)態(tài)行為及切割深度與切割力的關(guān)系；還有針對(duì)手術(shù)穿刺 針及手術(shù)剪與軟組織的穿刺力及剪切力進(jìn)行了測(cè)量并建模；在國(guó)內(nèi)，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究 所針對(duì)生物組織切割過(guò)程建立了利用手術(shù)刀切割的軟組織的力反饋觸覺(jué)模型。天津大學(xué)針對(duì) 軟組織彈性模型得出不同軟組織的力與形變的曲線，對(duì)于微創(chuàng)手術(shù)以及手術(shù)前的觸診都有重 要的作用。目前這些研究普遍存在的缺點(diǎn)：1)只針對(duì)某一特定的軟組織開(kāi)展的，沒(méi)有普遍性； 2)沒(méi)有建立生物軟組織力反饋觸覺(jué)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提出一種生物軟組織力反饋觸覺(jué)建模 的測(cè)試系統(tǒng)。

本發(fā)明生物軟組織力反饋觸覺(jué)建模的測(cè)試系統(tǒng)，包括單自由度機(jī)械手、控制電路、電 源和作業(yè)環(huán)境支架，其中單自由度機(jī)械手包括機(jī)械臂，力矩電機(jī)，位置傳感器，力傳感器， 電機(jī)支撐盤，底盤，手術(shù)針及其夾具，控制電路包括力調(diào)理放大電路、位置信號(hào)調(diào)理電路、 數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示計(jì)算機(jī)、觸覺(jué)建模計(jì)算機(jī)、串口電路、單片機(jī)及其外圍電路和 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；其中力矩電機(jī)固定于電機(jī)支撐盤之間，位置傳感器裝設(shè)于力矩電機(jī)的轉(zhuǎn)軸 下部，電機(jī)支撐盤的下部與底盤固定，機(jī)械臂的一端與電機(jī)支撐盤的上部固定，力傳感器 固定于機(jī)械臂的另一端，手術(shù)針及其夾具與機(jī)械臂的另一端的頂部固定；力傳感器的輸出 端與力調(diào)理放大電路的輸入端連接，力調(diào)理放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的一個(gè)輸入端 連接，位置傳感器的輸出端與位置信號(hào)調(diào)理電路的輸入端連接，位置信號(hào)調(diào)理電路的輸出 端與數(shù)據(jù)采集卡的另一個(gè)輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示計(jì)算機(jī)的 輸入端、觸覺(jué)建模計(jì)算機(jī)的輸入端連接，觸覺(jué)建模計(jì)算機(jī)依次串接串口電路和單片機(jī)及其 外圍電路后經(jīng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與力矩電機(jī)的輸入端連接；所述作業(yè)環(huán)境支架由支架和盒子組 成；電源分別與單自由度機(jī)械手、控制電路電連接。

本發(fā)明生物軟組織力反饋觸覺(jué)建模的測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試范圍廣，建立了生物軟組織力 反饋觸覺(jué)模型的數(shù)據(jù)庫(kù)，測(cè)試速度快，精度高。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)框圖；

圖2是本發(fā)明單自由度機(jī)械手機(jī)械臂結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明作業(yè)環(huán)境支架示意圖；

圖4(a)是本發(fā)明作業(yè)環(huán)境盒子底座示意圖；

(b)是本發(fā)明作業(yè)環(huán)境盒子容器示意圖；

圖5是本發(fā)明力調(diào)理放大電路原理圖；

圖6是本發(fā)明位置信號(hào)調(diào)理電路原理圖；

圖7是本發(fā)明電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖；

圖8是本發(fā)明單片機(jī)處理電路模塊電路圖；

圖9是電源電路原理圖。

具體實(shí)施方式