[發(fā)明專利]虛擬介入手術(shù)的力覺反饋模擬裝置

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010223033.4
• 申請日: 2010-07-09
• 公開（公告）號: CN101882394A
• 公開（公告）日: 2010-11-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋愛國;莊皓嵐;崔建偉;吳涓;徐效農(nóng);王蔚
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 南京經(jīng)緯專利商標(biāo)代理有限公司 32200
• 代理人: 黃雪蘭

一、技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種2自由度的力反饋模擬裝置，尤其是涉及用于虛擬介入手術(shù)的2自由度力反饋模擬裝置。

二、背景技術(shù)

微創(chuàng)介入技術(shù)提供了一種創(chuàng)傷較小的治療手段，使一些傳統(tǒng)手術(shù)難以處理的疾病得以完滿解決，為廣大患者帶來福音。“微創(chuàng)、無痛、舒適”已成為當(dāng)今人們追求的醫(yī)療理念。然而，進(jìn)行微創(chuàng)手術(shù)時，醫(yī)生應(yīng)該具備能夠熟練在微小切口上使用這種新工具的能力，且必須能夠使自己的運動和由攝像頭在病患體內(nèi)捕捉到得影像相互協(xié)調(diào)。因此，這種技術(shù)需要對醫(yī)生進(jìn)行長時間的訓(xùn)練。與傳統(tǒng)的手術(shù)訓(xùn)練相比，建立在虛擬現(xiàn)實概念基礎(chǔ)上的虛擬手術(shù)具有交互性、無損傷性、可重復(fù)性和可定制性等優(yōu)點。通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的力反饋接口，醫(yī)生不僅能夠以自然方式向計算機(jī)發(fā)送各種命令，而且可以通過操控裝置來操作虛擬物體，獲得和操作實際物體相同的力覺感知，從而產(chǎn)生更真實的沉浸感。因此，力反饋技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)中最需要完善的交互途徑，在人機(jī)交互過程中有著不可替代的優(yōu)越性，已成為人機(jī)交互領(lǐng)域中的最新研究熱點。分析心臟介入手術(shù)，醫(yī)生大致進(jìn)行以下幾個步驟：確定角度后進(jìn)行穿刺；穿刺成功后，導(dǎo)管或?qū)Ыz在血管內(nèi)運動。由于受到血管形狀的限制，導(dǎo)管或?qū)Ыz在人體內(nèi)只有兩個運動自由度，即：一個送進(jìn)或抽出的移動自由度，一個繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的自由度。由于穿刺角度確定后，手術(shù)過程中不會再更改，該自由度可看成是一個受限的自由度。因此，復(fù)雜的介入手術(shù)訓(xùn)練中需要進(jìn)行模擬訓(xùn)練的運動可以簡化為兩個自由度：沿軸向的平動和繞軸線的自轉(zhuǎn)運動。現(xiàn)存的力反饋接口裝置大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時存在以下缺點：短暫的接觸使得仿真整個手術(shù)成為不可能，較大的摩擦力和慣量使得力反饋精度不高，遲滯而不規(guī)則的激勵使得系統(tǒng)不能給出適當(dāng)及時的力反饋。

三、技術(shù)內(nèi)容

技術(shù)問題本發(fā)明提供了一種有利于減小系統(tǒng)摩擦力、提高力反饋精度、擴(kuò)大行程、結(jié)構(gòu)緊湊的2自由度虛擬介入的手術(shù)力覺反饋模擬裝置。

技術(shù)方案一種虛擬介入手術(shù)的力覺反饋模擬裝置，包括：支架，支架呈“L”型，在互相垂直的兩臂內(nèi)側(cè)上分別設(shè)有線傳動裝置和菱形傳動機(jī)構(gòu)，所述菱形傳動機(jī)構(gòu)將運動基座的運動限定在個自由度上，所述線傳動裝置由固定在支架上的主動輪基座、從動輪基座、固定在從動輪基座間的從動輪旋轉(zhuǎn)軸、主動輪、從動輪以及繞在兩輪上的鋼絲繩構(gòu)成，鋼絲繩穿過運動基座底部并通過螺栓固定，第一電機(jī)的輸出軸固定在主動輪的旋轉(zhuǎn)軸上并通過線傳動裝置提供平行于X軸的力反饋，所述菱形傳動機(jī)構(gòu)所在平面與鋼絲繩所在平面垂直，并且關(guān)于鋼絲繩所在平面對稱，菱形傳動機(jī)構(gòu)包括連桿一、連桿二、連桿三及連桿四，其中連桿一的一端與連桿二的一端轉(zhuǎn)動連接，連桿三的一端與連桿四的一端轉(zhuǎn)動連接，所述連桿一的另一端通過轉(zhuǎn)軸一與固定在支架上的固定直角一轉(zhuǎn)動連接，在轉(zhuǎn)軸一上設(shè)齒輪一，所述連桿三的另一端通過轉(zhuǎn)軸三與固定在支架上的固定直角三轉(zhuǎn)動連接，在轉(zhuǎn)軸三上設(shè)齒輪三，齒輪一與齒輪三相嚙合，所述連桿二的另一端通過轉(zhuǎn)軸二與固定在運動基座上的固定直角二轉(zhuǎn)動連接，在轉(zhuǎn)軸二上設(shè)齒輪二，所述連桿四的另一端通過轉(zhuǎn)軸四與固定在運動基座上的固定直角四轉(zhuǎn)動連接，在轉(zhuǎn)軸四上設(shè)齒輪四，齒輪二與齒輪四相嚙合，運動基座上固定有第二電機(jī)，第二電機(jī)的輸出軸直接通過聯(lián)軸器與操作手柄相連，提供垂直于X軸的力矩反饋。

有益效果(1)本發(fā)明采用菱形傳動機(jī)構(gòu)，將一般力反饋機(jī)構(gòu)中軸向上的滑動摩擦力變更為滾動摩擦，同時，由于力的分解作用，軸向上的摩擦力被大大減小，提高了力反饋精度和介入手術(shù)仿真的真實性；(2)本發(fā)明通過線傳動力反饋驅(qū)動和菱形傳動機(jī)構(gòu)的配合，實現(xiàn)了長達(dá)500mm的大行程介入手術(shù)模擬，相較之前的設(shè)計更能滿足醫(yī)生的手術(shù)訓(xùn)練要求；(3)本發(fā)明利用平行于軸線方向上的線傳動機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的輸出力矩轉(zhuǎn)變?yōu)閷Σ僮魇直妮S向力反饋，電機(jī)的輸出力矩與操作手柄上感覺到的力反饋成線性關(guān)系，簡化了系統(tǒng)的控制運算；(4)本發(fā)明在菱形傳動機(jī)構(gòu)的兩端連接處采用了對稱的齒輪嚙合結(jié)構(gòu)，當(dāng)菱形機(jī)構(gòu)所作的運動關(guān)于X軸不對稱時，由于齒輪的對稱嚙合，機(jī)構(gòu)將被反鎖，這樣操作手柄的運動就被限定在所需的兩個自由度上，結(jié)構(gòu)也更緊湊；(5)本發(fā)明采用菱形傳動機(jī)構(gòu)和線傳動相結(jié)合的設(shè)計方案，簡化了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，準(zhǔn)確實現(xiàn)了兩個自由度的力反饋；(6)本發(fā)明采用電機(jī)驅(qū)動，根據(jù)采集到的光電碼盤信號，分別產(chǎn)生兩個自由度的力和力矩，與現(xiàn)存的其他接口相比，有效減小了控制的延遲性。

四、附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明實施例中線傳動裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明實施例中菱形傳動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

五、具體實施方案

實施例1本實施例涉及一種虛擬介入手術(shù)的力覺反饋模擬裝置，包括：支架1，支架1呈“L”型，在互相垂直的兩臂內(nèi)側(cè)上分別設(shè)有線傳動裝置和菱形傳動機(jī)構(gòu)2，所述菱形傳動機(jī)構(gòu)2將運動基座3的運動限定在1個自由度上，所述線傳動裝置由固定在支架1上的主動輪基座71、從動輪基座81、82，固定在從動輪基座間的從動輪旋轉(zhuǎn)軸83，和主動輪7、從動輪8以及繞在兩輪上的鋼絲繩構(gòu)成，鋼絲繩穿過運動基座3底部并通過螺栓固定，第一電機(jī)5的輸出軸固定在主動輪7的旋轉(zhuǎn)軸上并通過線傳動裝置提供平行于X軸的力反饋，所述菱形傳動機(jī)構(gòu)2所在平面與鋼絲繩所在平面垂直，并且關(guān)于鋼絲繩所在平面對稱，菱形傳動機(jī)構(gòu)2包括連桿一21、連桿二22、連桿三23及連桿四24，連桿一21的一端與連桿二22的一端轉(zhuǎn)動連接，連桿三23的一端與連桿四24的一端轉(zhuǎn)動連接，所述連桿一21的另一端通過轉(zhuǎn)軸一211與固定在支架1上的固定直角一210轉(zhuǎn)動連接，在轉(zhuǎn)軸一211上設(shè)齒輪一212，所述連桿三23的另一端通過轉(zhuǎn)軸三231與固定在支架1上的固定直角三230轉(zhuǎn)動連接，在轉(zhuǎn)軸三231上設(shè)齒輪三232，齒輪一212與齒輪三232相嚙合，所述連桿二22的另一端通過轉(zhuǎn)軸二221與固定在運動基座3上的固定直角二220轉(zhuǎn)動連接，在轉(zhuǎn)軸二221上設(shè)齒輪二222，所述連桿四24的另一端通過轉(zhuǎn)軸四241與固定在運動基座3上的固定直角四240轉(zhuǎn)動連接，在轉(zhuǎn)軸四241上設(shè)齒輪四242，齒輪二222與齒輪四242相嚙合，運動基座3上固定有第二電機(jī)6，第二電機(jī)6的輸出軸直接通過聯(lián)軸器與操作手柄4相連，提供垂直于X軸的力矩反饋，第一電機(jī)5和第二電機(jī)6上均設(shè)光電編碼器，用來測量操作手柄4的位置參數(shù)。