專利名稱：虛擬介入手術(shù)的力覺再現(xiàn)交互感知模擬裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)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(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(lái)福音?！拔?chuàng)、無(wú)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(shí)，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(yùn)動(dòng)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(duì)醫(yī)生進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)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(shí)概念基礎(chǔ)上的虛擬手 術(shù)具有交互性、無(wú)損傷性、可重復(fù)性和可定制性等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的力反饋接 口，醫(yī)生不僅能夠以自然方式向計(jì)算機(jī)發(fā)送各種命令，而且可以通過(guò)操控裝置來(lái)操作虛擬 物體，獲得和操作實(shí)際物體相同的力覺感知，從而產(chǎn)生更真實(shí)的沉浸感。因此，力反饋技術(shù) 作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中最需要完善的交互途徑，在人機(jī)交互過(guò)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(diǎn)。分析心臟介入手術(shù)，醫(yī)生大致進(jìn)行以下幾個(gè)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(yùn)動(dòng)。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(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，即一個(gè)送進(jìn)或抽出的移動(dòng)自由度，一個(gè)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(guò)程中不會(huì)再更改，該自由度可看成是一個(gè) 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(yùn)動(dòng)可以簡(jiǎn)化為兩個(gè)自 由度沿軸向的平動(dòng)和繞軸線的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)存的力反饋接口裝置大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)存在 以下缺點(diǎn)短暫的接觸使得仿真整個(gè)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(lì)使得系統(tǒng)不能給出適當(dāng)及時(shí)的力反饋。
三
實(shí)用新型內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型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)的力覺再現(xiàn)交互感知模擬裝置，包括支架，支架呈 “L”型，支架兩個(gè)臂上分別設(shè)有線傳動(dòng)裝置和菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)基座 的運(yùn)動(dòng)限定在1個(gè)自由度上，所述線傳動(dòng)裝置由固定在支架上的主動(dòng)輪基座、從動(dòng)輪基座、 固定在從動(dòng)輪基座間的從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)軸、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪以及繞在兩輪上的鋼絲繩構(gòu)成，鋼絲 繩穿過(guò)運(yùn)動(dòng)基座底部并通過(guò)螺栓固定，第一電機(jī)的輸出軸固定在主動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸上并通過(guò) 線傳動(dòng)裝置提供平行于X軸的力反饋，所述菱形傳動(dòng)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(duì)稱，菱形傳動(dòng)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(dòng)連接，連桿三的一端與連桿四的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所 述連桿一的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸一與固定在支架上的固定直角一轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn)軸一上設(shè)齒輪 一，所述連桿三的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸三與固定在支架上的固定直角三轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)轉(zhuǎn)軸二與固定在運(yùn)動(dòng)基座上 的固定直角二轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn)軸二上設(shè)齒輪二，所述連桿四的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸四與固定在 運(yùn)動(dòng)基座上的固定直角四轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn)軸四上設(shè)齒輪四，齒輪二與齒輪四相嚙合，運(yùn)動(dòng)基 座上固定有第二電機(jī)，第二電機(jī)的輸出軸直接通過(guò)聯(lián)軸器與操作手柄相連。有益效果(1)本實(shí)用新型采用菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將一般力反饋機(jī)構(gòu)中軸向上的滑動(dòng) 摩擦力變更為滾動(dòng)摩擦，同時(shí)，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(shí)性；(2)本實(shí)用新型通過(guò)線傳動(dòng)力反饋驅(qū)動(dòng)和菱形傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)的配合，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)500mm的大行程介入手術(shù)模擬，相較之前的設(shè)計(jì)更能滿足醫(yī)生的手 術(shù)訓(xùn)練要求；(3)本實(shí)用新型利用平行于軸線方向上的線傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，將電機(jī)的輸出力矩轉(zhuǎn) 變?yōu)閷?duì)操作手柄的軸向力反饋，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(jiǎn)化了系統(tǒng)的控制運(yùn)算；(4)本實(shí)用新型在菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的兩端連接處采用了對(duì)稱的 齒輪嚙合結(jié)構(gòu)，當(dāng)菱形機(jī)構(gòu)所作的運(yùn)動(dòng)關(guān)于X軸不對(duì)稱時(shí)，由于齒輪的對(duì)稱嚙合，機(jī)構(gòu)將被 反鎖，這樣操作手柄的運(yùn)動(dòng)就被限定在所需的兩個(gè)自由度上，結(jié)構(gòu)也更緊湊；(5)本實(shí)用新 型采用菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和線傳動(dòng)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了兩 個(gè)自由度的力反饋；(6)本實(shí)用新型采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)采集到的光電碼盤信號(hào)，分別產(chǎn)生 兩個(gè)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
圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中線傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例中菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
五、具體實(shí)施方案實(shí)施例1本實(shí)施例涉及一種虛擬介入手術(shù)的力覺再現(xiàn)交互感知模擬裝置，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(dòng)裝置和菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2， 所述菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2將運(yùn)動(dòng)基座3的運(yùn)動(dòng)限定在1個(gè)自由度上，所述線傳動(dòng)裝置由固定在 支架1上的主動(dòng)輪基座71、從動(dòng)輪基座81、82，固定在從動(dòng)輪基座間的從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)軸83，和 主動(dòng)輪7、從動(dòng)輪8以及繞在兩輪上的鋼絲繩構(gòu)成，鋼絲繩穿過(guò)運(yùn)動(dòng)基座3底部并通過(guò)螺栓 固定，第一電機(jī)5的輸出軸固定在主動(dòng)輪7的旋轉(zhuǎn)軸上并通過(guò)線傳動(dòng)裝置提供平行于X軸 的力反饋，所述菱形傳動(dòng)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(duì)稱，菱形傳動(dòng)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(dòng)連接，連桿三23的一端與連桿四M的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述連 桿一 21的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸一 211與固定在支架1上的固定直角一 210轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)轉(zhuǎn)軸三231與固定在支架1上的固定直 角三230轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)轉(zhuǎn)軸二 221與固定在運(yùn)動(dòng)基座3上的固定直角二 220轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn) 軸二 221上設(shè)齒輪二 222，所述連桿四M的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸四241與固定在運(yùn)動(dòng)基座3上 的固定直角四240轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn)軸四241上設(shè)齒輪四M2，齒輪二 222與齒輪四242相嚙 合，運(yùn)動(dòng)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(guò)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(lái)測(cè)量操 作手柄4的位置參數(shù)。
權(quán)利要求1. 一種虛擬介入手術(shù)的力覺再現(xiàn)交互感知模擬裝置，其特征在于，包括支架(1)，支 架(1)呈“L”型，支架(1)兩個(gè)臂上分別設(shè)有線傳動(dòng)裝置和菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)O)，所述菱形傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)( 將運(yùn)動(dòng)基座C3)的運(yùn)動(dòng)限定在1個(gè)自由度上，所述線傳動(dòng)裝置由固定在支架(1) 上的主動(dòng)輪基座(71)、從動(dòng)輪基座(81、82)、固定在從動(dòng)輪基座間的從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)軸(83)、主 動(dòng)輪(7)、從動(dòng)輪(8)以及繞在兩輪上的鋼絲繩構(gòu)成，鋼絲繩穿過(guò)運(yùn)動(dòng)基座(3)底部并通過(guò) 螺栓固定，第一電機(jī)(5)的輸出軸固定在主動(dòng)輪(7)的旋轉(zhuǎn)軸上并通過(guò)線傳動(dòng)裝置提供平 行于X軸的力反饋，所述菱形傳動(dòng)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(duì)稱，菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)( 包括連桿一(21)、連桿二(22)、連桿三及連桿 四(M)，連桿一 的一端與連桿二 0 的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，連桿三的一端與連桿四 (24)的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述連桿一 的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸一(211)與固定在支架(1)上的 固定直角一(210)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn)軸一(211)上設(shè)齒輪一 012)，所述連桿三的另一端 通過(guò)轉(zhuǎn)軸三031)與固定在支架(1)上的固定直角三(230)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn)軸三031)上 設(shè)齒輪三032)，齒輪一(21 與齒輪三(23 相嚙合，所述連桿二 0 的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸 二 021)與固定在運(yùn)動(dòng)基座C3)上的固定直角二(220)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn)軸二 021)上設(shè)齒 輪二 022)，所述連桿四04)的另一端通過(guò)轉(zhuǎn)軸四041)與固定在運(yùn)動(dòng)基座C3)上的固定 直角四(MO)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，在轉(zhuǎn)軸四(Ml)上設(shè)齒輪四042)，齒輪二(22 與齒輪四(M2) 相嚙合，在運(yùn)動(dòng)基座C3)上固定有第二電機(jī)(6)，第二電機(jī)(6)的輸出軸直接通過(guò)聯(lián)軸器與 操作手柄(4)相連。
專利摘要一種虛擬介入手術(shù)的力覺再現(xiàn)交互感知模擬裝置，包括支架，在支架上設(shè)有線傳動(dòng)裝置和菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將運(yùn)動(dòng)基座的運(yùn)動(dòng)限定在個(gè)自由度上，所述線傳動(dòng)裝置由主動(dòng)輪基座、從動(dòng)輪基座，從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)軸、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪以及繞在其上的鋼絲繩構(gòu)成，鋼絲繩穿過(guò)運(yùn)動(dòng)基座底部并通過(guò)螺栓固定，第一電機(jī)的輸出軸固定在主動(dòng)輪的旋轉(zhuǎn)軸上并提供平行于X軸的力反饋，所述菱形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)所在平面與鋼絲繩所在平面垂直，且關(guān)于鋼絲繩所在平面對(duì)稱，其一端與支架轉(zhuǎn)動(dòng)連接，另外一端與運(yùn)動(dòng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，上述兩個(gè)連接處分別使用一對(duì)齒輪將相鄰兩個(gè)連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行對(duì)稱嚙合，運(yùn)動(dòng)基座上固定有第二電機(jī)，該電機(jī)直接通過(guò)聯(lián)軸器與操作手柄相連。
文檔編號(hào)G09B23/28GK201845490SQ20102025370
公開日2011年5月25日 申請(qǐng)日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者吳涓, 宋愛國(guó), 崔建偉, 莊皓嵐, 徐效農(nóng), 王蔚 申請(qǐng)人:東南大學(xué)