专利名称：虚拟仿真的力反馈手术器械的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种医疗器械技术领域的装置，具体是一种虚拟仿真的力反馈手
术器械。
背景技术：
现代科学的发展越来越多体现多学科的交叉和渗透。作为微创手术的一种，介入
手术已在诸多领域开始逐步替代部分传统开放式手术。而虚拟现实在医学领域的应用，使
得虚拟手术成为正在发展起来的研究方向。介入手术和虚拟现实技术融合而成的虚拟介入
手术可以帮助医生制定手术方案；也可以重复练习，降低手术训练费用，縮短培养外科医生
的周期，虚拟介入手术克服了依靠传统临床观摩实践来训练医生时遇到的操作机会少、操
作对象昂贵等问题，对手术培训具有重要意义。实施虚拟介入手术的重要条件之一是提供
虚拟的介入手术器械进行手术操作，作为操作者与虚拟场景进行实时交互的工具。 经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请号200510027052. 9，名称为多功
能虚拟手术器械，该专利使用直线位移和旋转位移传感器采集位移数据，通过设计带有剪
刀手柄操作杆的工作台实现手术剪刀、钳夹和手术刀的虚拟操作，但该装置尚不具备力反
馈功能。 检索中还发现，中国专利申请号2008100270073. 4，名称为一种虚拟手术的方 法及其装置，该专利公开了一种虚拟手术的方法及其装置，其能实现实时的力反馈和视觉 反馈，还能模拟多种手术器械的操作。但该发明实际仅介绍了一种虚拟手术的方法。所述 装置为美国的PHANTOM Desktop力反馈设备。 美国的PHANTOM Desktop力反馈设备为一种虚拟仿真的手术器械装置，但该装置 的操作行程有限，不适合操作器械运动范围为大行程的手术(如心脏介入手术)虚拟仿真， 且操作手柄的操作方式与心脏介入手术等有区别。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种虚拟仿真的力反馈手术器械，通 过与虚拟仿真技术相配合，能够实现带有力反馈功能的操作模拟，使得操作者与虚拟场景 得以交互。 本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括底盘、俯仰装置、操作平台、驱动 组件、固定组件和控制检测模块，其中底板与俯仰调节装置的一端固定连接，俯仰调节装 置的另一端与操作平台转动连接，第一驱动组件和固定组件分别固定设置于操作平台上， 第二驱动组件与固定组件相连接，控制检测模块分别与第一驱动组件和第二驱动组件相连 接。 所述的俯仰装置包括立柱、支撑板、俯仰调节器和连接轴，其中立柱垂直固定 设置于底盘上，连接轴垂直贯穿立柱并转动连接，连接轴的两端分别与两个俯仰调节器相 连接，两个俯仰调节器分别与支撑板和操作平台固定连接，支撑板垂直固定设置于立柱的
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所述的第一驱动组件包括第一滑轮组、第二滑轮组、传动线缆、第一驱动电机和 线缆张紧组件，其中第一滑轮组和第二滑轮组分别固定设置于操作平台的两端，传动线缆 环形套接在滑轮组上，第一驱动电机与第一滑轮组同轴设置，线缆张紧组件设置在第二滑 轮组下。 所述的第二驱动组件包括操作杆、滑块和第二驱动电机，其中滑块设置在固定 组件上，其下端与传动线缆固定连接，滑块上固定设置有第二驱动电机，操作杆与第二驱动 电机的伸出轴同轴设置，并被一个固定座限制自由度。 所述的第一驱动电机和第二驱动电机为微型伺服电机、步进电机、电/磁流变液
元件或磁粉制动器，该第一驱动电机和第二驱动电机分别连接至控制检测模块。
所述的固定组件包括固定座、直线导轨和限位块，其中两个固定座固定设置在
操作平台的两端，直线导轨固定设置在两个固定座上，限位块固定设置在直线导轨上。
所述的控制检测模块包括控制处理器、驱动板和传感器，其中控制处理器与驱
动板连接，驱动板和传感器分别与第一驱动组件和第二驱动组件相连接将位移信号传输给
控制处理器。 所述的传感器为位置速度两用传感器，一个传感器设置于第一驱动电机的输出 轴，另一个设置于第二驱动电机的输出轴。位置传感器的实现形式可以是电位器、旋转变压 器、编码器，速度传感器的实现形式可以是测速电机或者编码器元件；其中，一种较理想的 实现形式是采用光电式数字编码器，同时测量角位移和转速两个参数。 本发明可实现两个自由度上力觉反馈功能，且实现了操作杆的操作角度的调整， 操作者可以利用此交互设备可以实现介入手术多种动作，可适用于心脏介入手术和经皮穿 剌椎间盘介入手术的多项培训任务。
图la及图lb为本发明结构示意图。 图2为本发明的检测控制模块的结构框图； 其中1底板、2俯仰调节装置、3操作平台、4第一驱动组件、5固定组件、6第二驱 动组件、7控制处理器、8驱动板、9传感器、21立柱、22支撑板、23俯仰调节器、24连接轴、41 滑轮组、42传动线缆、43第一驱动电机、44线缆张紧组件、51固定座、52直线导轨、53限位 块、61操作杆、62滑块、63第二驱动电机、100控制检测模块。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。 如图1和图2所示，本实施例包括底板1、俯仰调节装置2、操作平台3、第一驱动 组件4、固定组件5、第二驱动组件6和控制检测模块100，其中底板1上固定设置有俯仰 调节装置2，俯仰调节装置2的另一端与操作平台3转动连接，操作平台3上固定设置有第 一驱动组件4和固定组件5，第二驱动组件6设置在固定组件5上，控制检测模块100分别与第一驱动组件4和第二驱动组件6相连接。 所述的俯仰装置2包括立柱21、支撑板22、俯仰调节器23和连接轴24，其中立 柱21垂直固定设置在底盘1上，连接轴24垂直贯穿立柱21并转动连接，连接轴24的两端 分别与两个俯仰调节器23相连接，两个俯仰调节器23分别与支撑板22和操作平台3固定 连接，支撑板22垂直固定设置立柱6的一侧。 所述的第一驱动组件4包括滑轮组41、传动线缆42、第一驱动电机43，和线缆张 紧组件44，其中两个滑轮组41分别固定设置于操作平台3的两端，传动线缆42环形套接 在滑轮组43上，第一驱动电机43与滑轮组41同轴设置，线缆张紧组件44设置在一个滑轮 组41下。 所述的固定组件5包括固定座51、直线导轨52、限位块53，其中两个固定座51 固定设置在操作平台3的两端，直线导轨52固定设置在两个固定座51上，限位块53固定 设置在直线导轨52上。 所述的第二驱动组件6包括操作杆61、滑块62、第二驱动电机63，其中滑块62 设置在直线导轨52上，其下端与传动线缆42固定连接，滑块62上固定设置有第二驱动电 机63，操作杆61与第二驱动电机63的伸出轴同轴设置，并被一个固定座51限制自由度。
所述线缆张紧组件44为定期张紧装置。本装置亦可改装用张紧弹簧等实现自动 张紧。在本例或其它实施例中，还可通过设置张紧轮等张紧方式实现线缆的张紧。
所述俯仰调节装置7为机械调节装置，用于调节操作平台3的俯仰角度。在其它 实施例中，俯仰调节功能可以改为由电机实现。 所述第一驱动电机43和第二驱动电机63为驱动执行元件，实现方式为微型伺服 电机。但在本例或是其它实施例中，驱动执行元件的实现形式还可以是步进电机，电/磁流 变液元件或磁粉制动器。 所述第一驱动组件4中的传动形式为线传动，线传动依靠紧绕在线轮上的传动线 来传递主从动件间的机械运动和力矩。线传动平稳连续，无传动间隙，运动惯量小，驱动顺 滑，成本低廉。传动线可以选择常见的不锈钢丝、高分子合成线、钨线等。为提高传动线与线 轮间的摩擦力，在线轮上设置绕线槽；为保持线缆的张紧力，设置相应的线缆张紧组件44。
所述的控制检测模块100包括处理与控制器7、驱动板8、传感器9，处理与控制 器7与驱动板8连接，驱动板8分别与第一驱动电机43和第二驱动电机63连接，传感器9 与驱动执行元件连接，将位移信号传输给处理与控制器7。 传感器9共有两个，均为位置速度两用传感器，两个传感器9分别与第一驱动电机 43和第二驱动电机63同轴设置，位置传感器的实现形式可以是电位器、旋转变压器、编码 器，速度传感器的实现形式可以是测速电机或者编码器元件；其中，一种较理想的实现形式 是采用光电式数字编码器，同时测量角位移和转速两个参数。 当操作者握住操作杆61的末端沿操作杆61轴线方向进行平动操作时，操作杆61 推动滑块62在直线导轨52上滑动，并受到限位块53的行程限制，滑块62带动固定设置在 其下端的传动线缆42绕两个滑轮组41转动，并带动第一驱动电机43的轴转动。
当操作者握住操作杆61的末端绕操作杆61轴线方向进行旋转操作时，操作杆61 的另一末端直接带动第二驱动电机63的轴转动。 当第一驱动电机43和第二驱动电机63转动时，其对应设置的传感器9测量出驱动转动轴转动角度，再推算出对应的操作杆61平动距离、操作杆12自转角度。根据控制处 理器7计算出各驱动组件力或力矩控制参数，按照这些控制参数信息通过驱动板8控制各 驱动组件工作；使得各驱动组件产生与运动方向相反的力矩，从而实时采集操作杆61两自 由度的运动信息，同时实现了两自由度的力觉反馈。
权利要求
一种虚拟仿真的力反馈手术器械，包括底盘、俯仰装置、操作平台、驱动组件、固定组件和控制检测模块，其中底板与俯仰调节装置的一端固定连接，俯仰调节装置的另一端与操作平台转动连接，第一驱动组件和固定组件分别固定设置于操作平台上，第二驱动组件与固定组件相连接上，控制检测模块分别与第一驱动组件和第二驱动组件相连接，其特征在于所述的俯仰装置包括立柱、支撑板、俯仰调节器和连接轴，其中立柱垂直固定设置于底盘上，连接轴垂直贯穿立柱并转动连接，连接轴的两端分别与两个俯仰调节器相连接，两个俯仰调节器分别与支撑板和操作平台固定连接，支撑板垂直固定设置于立柱的一侧；所述的第一驱动组件包括第一滑轮组、第二滑轮组、传动线缆、第一驱动电机和线缆张紧组件，其中第一滑轮组和第二滑轮组分别固定设置于操作平台的两端，传动线缆环形套接在滑轮组上，第一驱动电机与第一滑轮组同轴设置，线缆张紧组件设置在第二滑轮组下；所述的第二驱动组件包括操作杆、滑块和第二驱动电机，其中滑块设置在固定组件上，其下端与传动线缆固定连接，滑块上固定设置有第二驱动电机，操作杆与第二驱动电机的伸出轴同轴设置，并被一个固定座限制自由度。
2. 根据权利要求1所述的虚拟仿真的力反馈手术器械，其特征是，所述的第一驱动电 机和第二驱动电机为微型伺服电机、步进电机、电/磁流变液元件或磁粉制动器，该第一驱 动电机和第二驱动电机分别连接至控制检测模块。
3. 根据权利要求1所述的虚拟仿真的力反馈手术器械，其特征是，所述的固定组件包 括固定座、直线导轨和限位块，其中两个固定座固定设置在操作平台的两端，直线导轨 固定设置在两个固定座上，限位块固定设置在直线导轨上。
4. 根据权利要求1所述的虚拟仿真的力反馈手术器械，其特征是，所述的控制检测模 块包括控制处理器、驱动板和传感器，其中控制处理器与驱动板连接，驱动板和传感器 分别与第一驱动组件和第二驱动组件相连接将位移信号传输给控制处理器。
5. 根据权利要求4所述的虚拟仿真的力反馈手术器械，其特征是，所述的传感器为位 置速度两用传感器，其中一个传感器设置于第一驱动电机的输出轴，另一个传感器设置于 第二驱动电机的输出轴。
全文摘要
一种医疗器械技术领域的虚拟仿真的力反馈手术器械，包括底盘、俯仰装置、操作平台、驱动组件、固定组件和控制检测模块，其中底板与俯仰调节装置的一端固定连接，俯仰调节装置的另一端与操作平台转动连接，第一驱动组件和固定组件分别固定设置于操作平台上，第二驱动组件与固定组件相连接，控制检测模块分别与第一驱动组件和第二驱动组件相连接。本发明通过与虚拟仿真技术相配合，能够实现带有力反馈功能的操作模拟，使得操作者与虚拟场景得以交互。
文档编号G09B19/00GK101702277SQ20091030694
公开日2010年5月5日 申请日期2009年9月14日 优先权日2009年9月14日
发明者宋亚冲, 庄小龙, 杨扬, 谢叻, 赖芸, 赵志球 申请人:上海交通大学;上海模具技术研究所有限公司