[實用新型]虛擬介入手術的力覺再現交互感知模擬裝置

無效

• 申請號: 201020253706.6
• 申請日: 2010-07-09
• 公開（公告）號: CN201845490U
• 公開（公告）日: 2011-05-25
• 發明（設計）人: 宋愛國;莊皓嵐;崔建偉;吳涓;徐效農;王蔚
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G09B23/28
• 分類號: G09B23/28
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 黃雪蘭

一、技術領域

本實用新型涉及一種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的2自由度力反饋模擬裝置。?

二、背景技術

微創介入技術提供了一種創傷較小的治療手段，使一些傳統手術難以處理的疾病得以完滿解決，為廣大患者帶來福音?！拔?、無痛、舒適”已成為當今人們追求的醫療理念。然而，進行微創手術時，醫生應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捕捉到得影像相互協調。因此，這種技術需要對醫生進行長時間的訓練。與傳統的手術訓練相比，建立在虛擬現實概念基礎上的虛擬手術具有交互性、無損傷性、可重復性和可定制性等優點。通過虛擬現實系統中的力反饋接口，醫生不僅能夠以自然方式向計算機發送各種命令，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，從而產生更真實的沉浸感。因此，力反饋技術作為虛擬現實技術中最需要完善的交互途徑，在人機交互過程中有著不可替代的優越性，已成為人機交互領域中的最新研究熱點。分析心臟介入手術，醫生大致進行以下幾個步驟：確定角度后進行穿刺；穿刺成功后，導管或導絲在血管內運動。由于受到血管形狀的限制，導管或導絲在人體內只有兩個運動自由度，即：一個送進或抽出的移動自由度，一個繞自身軸線旋轉的自由度。由于穿刺角度確定后，手術過程中不會再更改，該自由度可看成是一個受限的自由度。因此，復雜的介入手術訓練中需要進行模擬訓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運動?，F存的力反饋接口裝置大多結構復雜，同時存在以下缺點：短暫的接觸使得仿真整個手術成為不可能，較大的摩擦力和慣量使得力反饋精度不高，遲滯而不規則的激勵使得系統不能給出適當及時的力反饋。?

三、實用新型內容

技術問題本實用新型提供了一種有利于減小系統摩擦力、提高力反饋精度、擴大行程、結構緊湊的2自由度虛擬介入的手術力覺反饋模擬裝置。?

技術方案一種虛擬介入手術的力覺再現交互感知模擬裝置，包括：支架，支架呈“L”型，支架兩個臂上分別設有線傳動裝置和菱形傳動機構，所述菱形傳動機構將運動基座的運動限定在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軸、主動輪、從動輪以及繞在兩輪上的鋼絲繩構成，鋼絲繩穿過運動基座底部并通過螺栓固定，第一電機的輸出軸固定在主動輪的旋轉軸上并通過線傳動裝置提供平行于X軸的力反饋，所述菱形傳動機構所在平面與鋼絲繩所在平面垂直，并且關于鋼絲?繩所在平面對稱，菱形傳動機構包括連桿一、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動連接，連桿三的一端與連桿四的一端轉動連接，所述連桿一的另一端通過轉軸一與固定在支架上的固定直角一轉動連接，在轉軸一上設齒輪一，所述連桿三的另一端通過轉軸三與固定在支架上的固定直角三轉動連接，在轉軸三上設齒輪三，齒輪一與齒輪三相嚙合，所述連桿二的另一端通過轉軸二與固定在運動基座上的固定直角二轉動連接，在轉軸二上設齒輪二，所述連桿四的另一端通過轉軸四與固定在運動基座上的固定直角四轉動連接，在轉軸四上設齒輪四，齒輪二與齒輪四相嚙合，運動基座上固定有第二電機，第二電機的輸出軸直接通過聯軸器與操作手柄相連。?

有益效果(1)本實用新型采用菱形傳動機構，將一般力反饋機構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仿真的真實性；(2)本實用新型通過線傳動力反饋驅動和菱形傳動機構的配合，實現了長達500mm的大行程介入手術模擬，相較之前的設計更能滿足醫生的手術訓練要求；(3)本實用新型利用平行于軸線方向上的線傳動機構，將電機的輸出力矩轉變為對操作手柄的軸向力反饋，電機的輸出力矩與操作手柄上感覺到的力反饋成線性關系，簡化了系統的控制運算；(4)本實用新型在菱形傳動機構的兩端連接處采用了對稱的齒輪嚙合結構，當菱形機構所作的運動關于X軸不對稱時，由于齒輪的對稱嚙合，機構將被反鎖，這樣操作手柄的運動就被限定在所需的兩個自由度上，結構也更緊湊；(5)本實用新型采用菱形傳動機構和線傳動相結合的設計方案，簡化了機構的復雜程度，準確實現了兩個自由度的力反饋；(6)本實用新型采用電機驅動，根據采集到的光電碼盤信號，分別產生兩個自由度的力和力矩，與現存的其他接口相比，有效減小了控制的延遲性。?

四、附圖說明

圖1是本實用新型實施例的結構示意圖。?

圖2是本實用新型實施例中線傳動裝置的結構示意圖。?

圖3是本實用新型實施例中菱形傳動機構的結構示意圖。?