032]在下文中，将参照图1描述器械10。值得注意的是本发明不限于特定类型的器械。与此相反，本发明及其优点对于具有设置为围绕一个点枢转的刚性轴的各种器械来说都是相关的。
[0033]在图1中公开的器械包括附接到刚性轴21端部的手柄20。手柄20具有固定地连接到轴21的传感器主体22、以及旋转套筒23和握持部分24。本实施例中的器械10特别之处在于刚性轴不会围绕其自身纵向轴线C旋转。相反，握持部分24和旋转套筒23都可围绕轴21的纵向轴线C旋转。
[0034]正如在实际器械中，套筒23的旋转表示器械10的旋转。旋转套筒23相对于传感器主体的任何旋转将因此由传感器主体22中的传感器检测。握持部24和旋转套筒23通过一定的摩擦耦合，以便它们通常一起旋转。然而，用户可以克服这种摩擦，以使套筒23和握持部24相对于彼此旋转。当套筒23保持固定时，握持部24的旋转仅仅代表握持部相对于器械的调整，并且不会影响模拟的过程。然而，当握持部24保持固定时，套筒23相对于传感器主体的旋转将代表器械的旋转，并相应地由传感器主体检测。
[0035]握持部分24允许用户使用剪刀状握持部25执行夹持动作，且该动作也将由在传感器主体22中的传感器检测。信号线26连接传感器主体22与框架11，在图示例子中，连接传感器主体22与颈部15的远端15a。信号线26使来自传感器主体22的传感器信号的通信可行。该信号线是柔性的，以便允许器械10相对于框架11的运动。
[0036]在图示的实施方式中，界面装置I并不适用于提供任何与器械围绕轴线C的旋转相关联的力反馈。值得注意的是，当在人体内部操作时，在该自由度下作用于实际器械上的力通常非常有限。但是，如果这种反馈仍然需要，它可以通过使力与套筒23相对于传感器主体的旋转耦合来实现。作为一个简单的例子，被动可变的制动器可设置到套筒23。这样的制动器将引入阻力以转动套筒，并且该阻力可根据模拟变化。当然，主动的力反馈也可以使用合适的执行机构设想，例如电动马达。然而重要的是这种执行机构，如果安装在手柄上，是不能太重或者太大的，因为它可能在其他方面对用户体验产生负面影响。
[0037]刚性轴21被安装到框架11的悬架部分16，以便可沿着纵向轴线C移动。第三电动马达27被安装到悬架部分16，以沿轴线C将力传递至轴21。通过马达27的操作，力反馈因此可以沿轴线C提供。传感器(未示出)设置在悬架部分16中以检测轴相对于部分16的线性运动。在图示的例子中，轴21在一侧上设置有齿条28，齿条28啮合马达轴的端部上的齿轮29。轴21的任何线性运动将因此有效地被转换成旋转运动，其中扭矩可以由马达27施加至轴21。线性运动的检测也是容易的，并且传感器可以是集成到马达17中并设置为检测马达轴的旋转的旋转编码器。
[0038]框架11的底座12被安装到控制单元30，控制单元30包括通常地安装在印刷电路板33上的驱动电路31和通信接口 32。控制单元30可以被合并在工作台(未示出)上。接口 32被连接成接收来自手柄10和框架11中的不同传感器的传感器信号，并且使这些信号与模拟系统2通信。接口 32还被连接成接收来自模拟系统2的力反馈信号，也就是作为用户动作的结果作用在模拟器械上的力。驱动电路31连接到接口 32，并设置为基于来自模拟系统的力反馈信号驱动马达14、17和27。本文中，接口 32经由连接控制单元30的端子35与模拟系统的处理单元3的信号线34与模拟系统连接。可选地，连接可以是无线的，例如蓝牙或WiFi。
[0039]界面装置I还包括停放装置(parking arrangement) 40，以确保器械10位于预定的停放位置41。装置40包括接收器42，接收器42以固定关系安装到底座12 (本文中，它被安装在控制单元30上)并适用于容纳刚性轴21的远端21a。接收器42优选地具有使得轴21被引导进入充分确定的位置的形状，在这里其通过合适的力保持就位。在本实施例中，接收器42具有叉状形状。接收器42可以具有磁铁43，以将轴21固定在停放位置41处。接收器的其它设计同样是可能的。
[0040]停放装置40还包括电子开关44，电子开关44提供表明轴21停放在接收器42中的输出信号。开关44可以与磁铁43 (如果存在)相集成，或者可以是单独的装置。开关44通过通信线路45与接口 32连接，并且接口 32设置为使输出信号与模拟系统2通信。
[0041]停放装置40因此将向模拟系统2提供表明器械处于其停放位置的信号。在开始新的模拟之前通过要求器械10停放在该充分确定的停放位置，模拟系统的自动校准是可能的。
[0042]本领域的技术人员认识到本发明决不仅限于上述描述的优选实施方式。与此相反，在所附权利要求书的范围之内许多修改和变化是可能的。例如，其他类型的传感器和编码器可以被使用，用于旋转和平移的检测。例如，霍尔效应传感器或压电式传感器。此外，来自马达14和马达17的扭矩传输可以包括合适的齿轮传动以代替带传动。
【主权项】
1.一种用于手术模拟系统(2)的触觉用户界面装置(1)，包括: 框架(11)，其具有固定底座(12)、相对于所述底座(12)围绕第一轴线(A)可旋转的颈部部分(15)、以及相对于所述颈部部分(15)围绕第二轴线(B)可旋转的悬架部分(16)，所述第二轴线(B)与所述第一轴线(A)不平行， 器械(10)，其具有通过所述悬架部分(16)悬挂的刚性轴(21)，以便围绕所述第一轴线(A)和所述第二轴线(B)是可枢转的， 第一执行机构(14)，其安装在所述框架(11)上，并且设置为当围绕所述第一轴线(A)旋转所述器械(10)时，提供力反馈给用户，以及 第二执行机构(14)，其安装在所述框架(11)上，并且设置为当围绕所述第二轴线(B)旋转所述器械(10)时，提供力反馈给用户， 其特征在于， 所述第一执行机构和所述第二执行机构安装在所述颈部部分(15)上。2.根据权利要求1所述的用户界面，还包括第一柔性传动元件(7)，其设置为当所述器械围绕所述第一轴线㈧移动时，在所述第一马达(14)和所述底座(12)之间传递扭矩。3.根据权利要求1或2所述的用户界面，还包括第二传动元件(8)，其设置为当所述器械围绕所述第二轴线⑶移动时，在所述第二马达(17)和所述悬架部分(16)之间传递扭矩。4.根据前述权利要求中任一项所述的用户界面，其中所述刚性轴(21)相对于所述悬架部分(16)沿所述刚性轴(21)的纵向轴线是可移动的。5.根据前述权利要求中任一项所述的用户界面，还包括允许用户操作所述器械(10)的手柄(20)，所述手柄(20)具有围绕所述刚性轴(21)的纵向轴线可旋转的握持部分(24)。6.根据前述权利要求中任一项所述的用户界面，其中所述刚性轴(21)就围绕所述刚性轴(21)的纵向轴线的旋转而言相对于所述悬架部分(16)是固定的。7.根据权利要求6所述的用户界面，其中所述刚性轴(21)在一侧上具有齿条(28)，所述齿条(28)啮合所述框架(11)上的齿轮(29)，从而将所述轴的线性运动转换成所述齿轮的旋转。8.根据权利要求7所述的用户界面，还包括连接到所述齿轮(29)并且设置为提供力反馈给用户的执行机构(27)。9.一种手术模拟系统，包括: 用于执行模拟手术过程的模拟软件的处理单元(3)， 用于显示模拟过程的可视化的显示器(4)， 根据前述权利要求中任一项所述的用户界面装置(I)，其连接到所述处理单元(3)，用于允许用户与在所述显示器中可视的计算机模拟交流。
【专利摘要】用于手术模拟系统(2)的触觉用户界面装置(1)，包括：框架(11)，其具有固定底座(12)、相对于底座(12)围绕第一轴线(A)可旋转的颈部部分(15)、以及相对于颈部部分(15)围绕第二轴线(B)可旋转的悬架部分(16)；器械(10)，其具有通过悬架部分(16)悬挂的刚性轴(21)，以便围绕第一轴线(A)和第二轴线(B)可枢转；第一执行机构和第二执行机构(14、17)，其安装在框架(11)上并且设置为当围绕第一轴线(A)和第二轴线(B)旋转器械(10)时提供力反馈给用户。第一执行机构和第二执行机构安装在颈部部分(15)上。
【IPC分类】G09B23/28
【公开号】CN105009185
【申请号】CN201480005073
【发明人】克里斯特尔·约翰逊, 安德斯·拉尔森, 马蒂亚斯·尼斯托姆
【申请人】外科科学瑞典有限公司
【公开日】2015年10月28日
【申请日】2014年1月21日
【公告号】EP2760003A1, US20150325147, WO2014114636A1