[发明专利]生物软组织力反馈触觉建模的测试系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种触觉建模的测试系统，尤其涉及一种生物软组织力反馈触觉建模的测试 系统。

背景技术

生物软组织建模不仅要使用几何特性建立几何模型，而且还要利用软组织的生物力学 特性建立它的动力学模型。在虚拟手术仿真中这两种模型分别在视觉上和触觉上产生一种 逼真的感觉。此外在机器人辅助的微创手术系统中软组织作为手术器械的作业环境也倍受 关注，由于医生在利用微创手术机器人进行手术时因为失去了开腔手术时的立体视觉感受， 所以就必须利用手术器械的力反馈信息来增加手术的可操作性。

目前对生物软组织动力学建模方法主要是两种方法：①质量-阻尼-弹簧模型；②有限元 模型。通常将软组织的物理模型分为：线弹性模型、非线性模型和粘弹性模型。基于上述物 理模型的计算模型主要有弹簧—质点模型和有限元模型。有限元方法(FEM)已经较多地应用 于物体的形变建模。有限元模型精确度和稳定性较高，但实施困难、计算机效率较低。质量 —阻尼—弹簧体模型实施简单、计算复杂度较低，且对于软组织拓扑结构变化的适应能力较 好，被较多地用于软组织的变形、切割、缝合等虚拟手术仿真、人体肌肉等弹性物体变形建 模仿真等。近年来通过对组织与安装有传感器的手术器械交互时的特性进行直接测量建模的 方法引起了国内外学者较大的研究兴趣。国外针对肝脏切割过程中手术刀受力进行测量及初 步的分析，但是并没有考虑组织的动态行为及切割深度与切割力的关系；还有针对手术穿刺 针及手术剪与软组织的穿刺力及剪切力进行了测量并建模；在国内，中国科学院自动化研究 所针对生物组织切割过程建立了利用手术刀切割的软组织的力反馈触觉模型。天津大学针对 软组织弹性模型得出不同软组织的力与形变的曲线，对于微创手术以及手术前的触诊都有重 要的作用。目前这些研究普遍存在的缺点：1)只针对某一特定的软组织开展的，没有普遍性； 2)没有建立生物软组织力反馈触觉模型的数据库。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷提出一种生物软组织力反馈触觉建模 的测试系统。

本发明生物软组织力反馈触觉建模的测试系统，包括单自由度机械手、控制电路、电 源和作业环境支架，其中单自由度机械手包括机械臂，力矩电机，位置传感器，力传感器， 电机支撑盘，底盘，手术针及其夹具，控制电路包括力调理放大电路、位置信号调理电路、 数据采集卡、数据存储显示计算机、触觉建模计算机、串口电路、单片机及其外围电路和 电机驱动电路；其中力矩电机固定于电机支撑盘之间，位置传感器装设于力矩电机的转轴 下部，电机支撑盘的下部与底盘固定，机械臂的一端与电机支撑盘的上部固定，力传感器 固定于机械臂的另一端，手术针及其夹具与机械臂的另一端的顶部固定；力传感器的输出 端与力调理放大电路的输入端连接，力调理放大电路的输出端与数据采集卡的一个输入端 连接，位置传感器的输出端与位置信号调理电路的输入端连接，位置信号调理电路的输出 端与数据采集卡的另一个输入端连接，数据采集卡的输出端分别与数据存储显示计算机的 输入端、触觉建模计算机的输入端连接，触觉建模计算机依次串接串口电路和单片机及其 外围电路后经电机驱动电路与力矩电机的输入端连接；所述作业环境支架由支架和盒子组 成；电源分别与单自由度机械手、控制电路电连接。

本发明生物软组织力反馈触觉建模的测试系统，测试范围广，建立了生物软组织力 反馈触觉模型的数据库，测试速度快，精度高。

附图说明

图1是本发明系统框图；

图2是本发明单自由度机械手机械臂结构示意图；

图3是本发明作业环境支架示意图；

图4(a)是本发明作业环境盒子底座示意图；

(b)是本发明作业环境盒子容器示意图；

图5是本发明力调理放大电路原理图；

图6是本发明位置信号调理电路原理图；

图7是本发明电机驱动电路原理图；

图8是本发明单片机处理电路模块电路图；

图9是电源电路原理图。

具体实施方式