[发明专利]虚拟介入手术的力觉反馈模拟装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种2自由度的力反馈模拟装置，尤其是涉及用于虚拟介入手术的2自由度力反馈模拟装置。

二、背景技术

微创介入技术提供了一种创伤较小的治疗手段，使一些传统手术难以处理的疾病得以完满解决，为广大患者带来福音。“微创、无痛、舒适”已成为当今人们追求的医疗理念。然而，进行微创手术时，医生应该具备能够熟练在微小切口上使用这种新工具的能力，且必须能够使自己的运动和由摄像头在病患体内捕捉到得影像相互协调。因此，这种技术需要对医生进行长时间的训练。与传统的手术训练相比，建立在虚拟现实概念基础上的虚拟手术具有交互性、无损伤性、可重复性和可定制性等优点。通过虚拟现实系统中的力反馈接口，医生不仅能够以自然方式向计算机发送各种命令，而且可以通过操控装置来操作虚拟物体，获得和操作实际物体相同的力觉感知，从而产生更真实的沉浸感。因此，力反馈技术作为虚拟现实技术中最需要完善的交互途径，在人机交互过程中有着不可替代的优越性，已成为人机交互领域中的最新研究热点。分析心脏介入手术，医生大致进行以下几个步骤：确定角度后进行穿刺；穿刺成功后，导管或导丝在血管内运动。由于受到血管形状的限制，导管或导丝在人体内只有两个运动自由度，即：一个送进或抽出的移动自由度，一个绕自身轴线旋转的自由度。由于穿刺角度确定后，手术过程中不会再更改，该自由度可看成是一个受限的自由度。因此，复杂的介入手术训练中需要进行模拟训练的运动可以简化为两个自由度：沿轴向的平动和绕轴线的自转运动。现存的力反馈接口装置大多结构复杂，同时存在以下缺点：短暂的接触使得仿真整个手术成为不可能，较大的摩擦力和惯量使得力反馈精度不高，迟滞而不规则的激励使得系统不能给出适当及时的力反馈。

三、技术内容

技术问题本发明提供了一种有利于减小系统摩擦力、提高力反馈精度、扩大行程、结构紧凑的2自由度虚拟介入的手术力觉反馈模拟装置。

技术方案一种虚拟介入手术的力觉反馈模拟装置，包括：支架，支架呈“L”型，在互相垂直的两臂内侧上分别设有线传动装置和菱形传动机构，所述菱形传动机构将运动基座的运动限定在个自由度上，所述线传动装置由固定在支架上的主动轮基座、从动轮基座、固定在从动轮基座间的从动轮旋转轴、主动轮、从动轮以及绕在两轮上的钢丝绳构成，钢丝绳穿过运动基座底部并通过螺栓固定，第一电机的输出轴固定在主动轮的旋转轴上并通过线传动装置提供平行于X轴的力反馈，所述菱形传动机构所在平面与钢丝绳所在平面垂直，并且关于钢丝绳所在平面对称，菱形传动机构包括连杆一、连杆二、连杆三及连杆四，其中连杆一的一端与连杆二的一端转动连接，连杆三的一端与连杆四的一端转动连接，所述连杆一的另一端通过转轴一与固定在支架上的固定直角一转动连接，在转轴一上设齿轮一，所述连杆三的另一端通过转轴三与固定在支架上的固定直角三转动连接，在转轴三上设齿轮三，齿轮一与齿轮三相啮合，所述连杆二的另一端通过转轴二与固定在运动基座上的固定直角二转动连接，在转轴二上设齿轮二，所述连杆四的另一端通过转轴四与固定在运动基座上的固定直角四转动连接，在转轴四上设齿轮四，齿轮二与齿轮四相啮合，运动基座上固定有第二电机，第二电机的输出轴直接通过联轴器与操作手柄相连，提供垂直于X轴的力矩反馈。

有益效果(1)本发明采用菱形传动机构，将一般力反馈机构中轴向上的滑动摩擦力变更为滚动摩擦，同时，由于力的分解作用，轴向上的摩擦力被大大减小，提高了力反馈精度和介入手术仿真的真实性；(2)本发明通过线传动力反馈驱动和菱形传动机构的配合，实现了长达500mm的大行程介入手术模拟，相较之前的设计更能满足医生的手术训练要求；(3)本发明利用平行于轴线方向上的线传动机构，将电机的输出力矩转变为对操作手柄的轴向力反馈，电机的输出力矩与操作手柄上感觉到的力反馈成线性关系，简化了系统的控制运算；(4)本发明在菱形传动机构的两端连接处采用了对称的齿轮啮合结构，当菱形机构所作的运动关于X轴不对称时，由于齿轮的对称啮合，机构将被反锁，这样操作手柄的运动就被限定在所需的两个自由度上，结构也更紧凑；(5)本发明采用菱形传动机构和线传动相结合的设计方案，简化了机构的复杂程度，准确实现了两个自由度的力反馈；(6)本发明采用电机驱动，根据采集到的光电码盘信号，分别产生两个自由度的力和力矩，与现存的其他接口相比，有效减小了控制的延迟性。

四、附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例中线传动装置的结构示意图。

图3是本发明实施例中菱形传动机构的结构示意图。

五、具体实施方案

实施例1本实施例涉及一种虚拟介入手术的力觉反馈模拟装置，包括：支架1，支架1呈“L”型，在互相垂直的两臂内侧上分别设有线传动装置和菱形传动机构2，所述菱形传动机构2将运动基座3的运动限定在1个自由度上，所述线传动装置由固定在支架1上的主动轮基座71、从动轮基座81、82，固定在从动轮基座间的从动轮旋转轴83，和主动轮7、从动轮8以及绕在两轮上的钢丝绳构成，钢丝绳穿过运动基座3底部并通过螺栓固定，第一电机5的输出轴固定在主动轮7的旋转轴上并通过线传动装置提供平行于X轴的力反馈，所述菱形传动机构2所在平面与钢丝绳所在平面垂直，并且关于钢丝绳所在平面对称，菱形传动机构2包括连杆一21、连杆二22、连杆三23及连杆四24，连杆一21的一端与连杆二22的一端转动连接，连杆三23的一端与连杆四24的一端转动连接，所述连杆一21的另一端通过转轴一211与固定在支架1上的固定直角一210转动连接，在转轴一211上设齿轮一212，所述连杆三23的另一端通过转轴三231与固定在支架1上的固定直角三230转动连接，在转轴三231上设齿轮三232，齿轮一212与齿轮三232相啮合，所述连杆二22的另一端通过转轴二221与固定在运动基座3上的固定直角二220转动连接，在转轴二221上设齿轮二222，所述连杆四24的另一端通过转轴四241与固定在运动基座3上的固定直角四240转动连接，在转轴四241上设齿轮四242，齿轮二222与齿轮四242相啮合，运动基座3上固定有第二电机6，第二电机6的输出轴直接通过联轴器与操作手柄4相连，提供垂直于X轴的力矩反馈，第一电机5和第二电机6上均设光电编码器，用来测量操作手柄4的位置参数。