用于手术模拟系统的用户接口设备的制造方法
【专利摘要】一种用于触觉反馈内窥镜模拟的用户接口，包括：器械(5)，其具有管状构件(8)；框架(10)；支撑装置(11)，其相对于框架可旋转地布置，并且布置成通过与管状构件的相对侧摩擦接触的两个摩擦轮(19a、19b)沿着轴线A接纳管状构件。该用户接口还包括：力传感器，其检测在支撑装置和框架之间的力；和控制器(9)，其布置成接收来自所述计算机系统的期望的触觉反馈和来自所述力传感器的表示施加的力的传感器信号，并且布置成控制致动器以操作所述摩擦轮提供所述期望的触觉反馈。该系统可以提供阻力，该阻力更接近对应的在实际手术期间的阻力感觉，降到无阻力或甚至在器械上的拉力。
【专利说明】用于手术模拟系统的用户接口设备发明领域
[0001]本发明总体上涉及用于手术模拟系统的用户接口设备，并且更具体地涉及用于内窥镜检查的模拟器的接口。
[0002]发明背景
[0003]近年来，用于手术模拟的系统已经被越来越多使用，以便给医生培训各种手术程序，而避免把活的病人放在风险之中。尤其是在微创手术领域，例如腹腔镜检查、内窥镜检查、结肠镜检查等，这类模拟系统已经获得明显的公认。在微创手术期间，医生通常依赖屏幕上的图像，而不是依赖对病人的实际观察，并且在当今强大的图像绘制可用的情况下，此类图像可以用很高程度的真实感来模拟。
[0004]在实际的手术期间，诸如Pentax ilO系列内窥镜的器械包括具有控制器的手柄、信号接口和插入管。器械的插入管通过器械的纵向和旋转运动以及控制器的操作来操纵进入病人的体内。当插入管在内部器官的壁内和它们之间被操纵时，存在自然阻力。用于模拟内窥镜手术的系统优选地包括类似的接口和在使用时用于接纳该接口的装置。手柄可以包括类似于实际手术器械的控制器，该控制器通过信号接口为模拟系统提供输入，所述模拟系统给予操作者模拟的手术程序的可视图像，其中，控制器的操作引起给予的模拟响应，该模拟响应对应于实际手术器械的控制器的操作。管的操纵由装置中的传感器检测，该传感器为模拟系统提供对应于器械的纵向和旋转运动的信号。在此类装置中，优选地还存在致动器，该致动器为操作者提供触觉反馈，该触觉反馈仿效发生在实际手术中的阻力。
[0005]在US6，926，531中描述了此类仪器的示例，其中用于使用内窥镜系统培训操作者的仪器被公开。在此仪器中，可旋转盘被布置成具有围绕盘的旋转轴线的多个辊。一个力反馈马达被设置成抵抗盘的旋转，并且进一步地，多个力反馈马达被设置成抵抗辊的旋转。类似的辊的单独布置被设置，并且传感器被要求提供独立的线性检测和旋转检测。因此，仪器被要求对检测当提供力反馈时可能发生的损失敏感度低，并且插入管以使得辊滑动的方式被操纵。
[0006]在US2012/0178062公开了另一个示例，电动马达和无源制动器的组合被用于涵盖力的范围。电动马达用于模拟较低范围的力，并且如果施加在内窥镜上的相应的力矩或力太强而不能通过马达来保持，则会使用动力制动器和机械制动器。该设计允许在一个方向上的运动，同时阻止在另一个方向上的运动。
[0007]独立的传感器以及反馈机构的布置需要相对大量的空间，导致笨重且可能昂贵的设计。此外，还存在摩擦的问题，该摩擦由每个旋转部件引发，导致固有阻力，甚至在力反馈马达没有被操作时。
[0008]发明概述
[0009]本发明的目的是处理现有技术的缺点，并且提供改进的用户接口，该用户接口在功能上是强健的并且制造成本效益高。另一个目的是提供用户接口，该用户接口在使用时为用户提供更紧密地类似实际手术器械的体验。
[0010]根据本发明的实施方案，这些和其它目的通过一种用于在计算机系统上实施的触觉反馈的内窥镜模拟的用户接口来实现，该用户接口包括:器械，其具有手柄和管状构件；框架;支撑装置，其相对于框架可旋转地布置，并且布置成沿着轴线A接纳管状构件。所述支撑装置包括:弹性压向彼此的两个摩擦轮，当管状构件被接纳在支撑装置中时，摩擦轮与管状构件的相对侧摩擦接触;第一旋转传感器，其布置成检测两个摩擦轮中的至少一个的旋转；以及至少一个致动器，其可操作地连接到所述摩擦轮。
[0011]该用户接口还包括:力传感器，其布置成检测在支撑装置和框架之间的力；以及控制器，其布置成接收来自计算机系统的期望的触觉反馈和来自所述力传感器的表示施加的力的传感器信号，并且布置成控制所述致动器以操作摩擦轮提供期望的触觉反馈。
[0012]应由用户体验的期望的力反馈在计算机系统中实施的模拟中确定。控制器控制致动器提供此反馈力，但是还存在由摩擦轮产生的阻力。当操作者操纵该器械时，施加在框架上的实际力通过力传感器是可检测的，并且基于此反馈，控制器可以相应地调节由致动器施加的力。因此该系统将可能提供阻力，该阻力更接近对应的在实际手术期间的阻力感觉，降到无阻力或甚至在器械上的拉力。
[0013]根据本发明的装置使沿着轴线A的任何摩擦的补偿成为可能，并且因此允许施加同等的大的双向力(bilateral force)以改善在管状构件和摩擦轮之间的摩擦。这减少了滑动的风险，同时因为致动器可以帮助器件在检测到的力的方向上的运动，所以允许操作者体验低阻力或无阻力。
[0014]根据一个实施方案，两个摩擦轮和至少一个致动器具有旋转阻力，当管状构件被接纳在支撑装置中时，该旋转阻力被转化成沿着轴线A的平移阻力。控制器还可以因此布置成控制至少一个致动器以操作摩擦轮消除沿着轴线A的平移阻力。控制器可以基于来自力传感器的表示施加的力的传感器信号。
[0015]换句话说，控制器因此布置成具有表示施加的力的调节反馈回路信号，并且控制器可以驱动致动器，使得摩擦轮在施加的力的方向上拉动或推动管状构件，大体上消除在支撑装置中固有的平移阻力。这允许摩擦轮用较大的双向力压靠在管状构件上，这减少了管状构件和摩擦轮之间的滑动的风险。因为提供更强健的功能，所以旋转传感器对于管状构件的运动更精确。因为来自力传感器的信号可以与期望的力反馈比较，所以在没有负面影响来自模拟的力反馈的情况下，固有阻力的消除可以实施。
[0016]每个摩擦轮可以布置在可枢转臂上，使得所述摩擦轮可移动地与所述管状构件接触。支撑装置可以因此接受管状构件上的直径变动，并且通常在内窥镜检查中使用的具有较高级别的轴向力的较厚的管状构件将有利地用更高的双侧夹紧力被夹持在摩擦轮之间。
[0017]根据一个实施方案，每个可枢转臂可操作地连接到连杆机构，该连杆机构包括:滑块，其沿着所述轴线A滑动布置;和两个连杆托架，每个连杆托架分别具有与所述滑块枢转连接的第一端和枢转连接到所述臂中的一个的第二端，使得当滑块沿着轴线A移动时，摩擦轮被压靠在管状构件上。
[0018]这样的连杆机构确保由两个摩擦轮施加的对称的力。该力可以通过调节滑块来调节。可选地，滑块可以是弹簧加载的，这允许摩擦轮的压力自调节。此外，这样的机构可以能够调节管状构件的磨损。
[0019]此连杆机构还可以有利地独立于本发明，S卩，也在用户接口方面而没有以上公开的力反馈控制。因此，连杆机构应被认为是单独的发明构思，可以成为分开的专利申请的主题。
[0020]本发明人意识到，由于不同的磨损、生产公差和/或材料公差，摩擦轮对管状构件的恒定压力在管状构件的长度上造成不同的阻力。根据本发明的至少一个实施方案，通过摩擦轮施加在管状构件上的弹簧加载的或动态的力可以考虑这样的差异。
[0021]根据一个实施方案，用户接口还包括至少一个弹簧，所述至少一个弹簧与摩擦轮互连，使得当管状构件被接纳在支撑装置中时，摩擦轮用对所述管状构件的预定的力弹性地压向彼此。虽然目的之一是减少滑动，但是也期望保持致动器输出的需要使得可以保持它们的大小和成本效益，并且这同样适用于任何使用的弹簧。因此，存在在摩擦力与双向力之间的平衡，所述摩擦力可以通过例如在摩擦轮上的花纹图案和/或材料来实现，所述双向力受例如有弹性的弹簧影响。所述摩擦轮中的每一个述管状构件的预定的力可以有利地等于或大于5N，或者等于或大于30N。所述摩擦轮中的每一个对管状构件的预定的力可以在10-50N的范围内，或者在35-45N的范围内，或者在38-42N的范围内。
[0022]当管状构件被接纳在支撑装置中且被强迫侧向偏离轴线A时，所述至少一个弹簧可以布置成保持在所述摩擦轮之间的距离和力中的至少一个。装置允许两个摩擦轮保持与管状构件接触，即使管状构件没有与轴线A对齐，从而减少了在管状构件和摩擦轮之间滑动的风险。更具体地，减少了在管状构件和摩擦轮中的管状构件远离偏离(如果管状构件没有与轴线A对齐)的那个摩擦轮之间滑动的风险。
[0023]根据本发明的一个实施方案，框架还可以包括基座和支架，以用于悬挂支撑装置，其中力传感器设置在所述基座和所述支架之间。力传感器可以布置成检测在所述支撑装置和所述框架之间的纵向力。
[0024]至少一个致动器可以有利地用至少一个传动装置连接到成对的摩擦轮中的至少一个，以使更大的力矩能够被施加。
[0025]本发明还涉及一种用于在用于模拟内窥镜检查程序的系统中控制触觉反馈的方法，所述方法包括:确定期望的反馈力;检测施加到所述管状构件的实际力；比较所述期望的反馈力与所述实际力，以提供误差信号；以及基于所述误差信号，控制操作地连接到与所述管状构件摩擦接触的摩擦轮的致动器，从而提供所述期望的反馈力。
[0026]附图简述
[0027]参照示出了本发明的当前优选实施方案的附图，将更详细地描述本发明。
[0028]图1是根据本发明的示例性实施方案的具有用户接口设备的手术模拟系统的示意图；
[0029]图2是图1中的支撑装置的示意性的透视图；
[0030]图3是图1中的支撑装置的详细侧视图；以及
[0031]图4是根据本发明的另一个示例性实施方式的用户接口设备的侧视图。
[0032]详细描述
[0033]图1示出了根据本发明的用户接口设备1，该用户接口设备示意性地作为用于手术模拟的系统的一部分连接。模拟系统包括计算机系统3和显示器4，所述计算机系统运行软件以用于模拟手术程序(在这里是内窥镜检查程序)，所述显示器用于为用户显示可视化的模拟程序。用户接口设备I连接到计算机系统3，并且允许用户将输入提供给系统3，从而与在显示设备4上可视化的模拟交互。
[0034]用户接口I包括可移动的器械5，该器械包括手柄7和管状构件8。该器械意在与实际的内窥镜器械(例如Olympus GIF-HQ190)相似，并且管状构件8类似于或可以可选地是实际的手术插入管，例如与Olympus GIF-HQ190系列的内窥镜器械一起使用的插入管。用户接口还包括信号接口 6，管状构件8可插入到该信号接口中。
[0035]两个摩擦轮19a、19b抵靠管状构件8偏置，具有足够的力以避免滑动。摩擦轮由致动器22a、22b来致动，并且其旋转由至少一个旋转传感器25a来检测。传感器和致动器连接到控制器9。
[0036]如图1中所示，信号接口6包括框架10，该框架悬挂可旋转的支撑装置11，以用于接纳管状构件8。框架10具有基座13，该基座用作支架14的基础，支架14悬挂在基座13上。至少一个力传感器15，例如应变仪，被设置成检测在支架14和基座13之间的力。每个传感器15连接到控制器9。来自每个力传感器15的信号主要表示施加在管状构件8的纵向方向上的力。
[0037]在使用时，计算机系统3执行模拟手术程序的模拟软件。模拟的当前状态基于预先加载到模拟软件中的参数，并且自开始模拟以后基于操作者的动作的参数。参数可以例如是操作的类型，例如胃肠道手术或其它内窥镜手术，为对应于虚拟病人体内的器官和腔的边界和属性提供虚拟坐标系。操作者的先前动作提供例如坐标系中的虚拟内窥镜管的当前位置和方向。操作者对器械5的操纵造成模拟的输入。
[0038]更具体地，器械5的平移运动由传感器25a、25b检测，并且通过控制器9传达到计算机3。基于在计算机3中执行的模拟，期望的触觉力(或阻力)被计算出来，并且返回到控制器
9。控制器与致动器22a、22b交互以为用户提供力反馈。致动器可以提供双向阻力以及不动性(硬制动(hard brake))。
[0039]控制器还接收来自力传感器15的信号，该信号对应于施加到支架14的实际力。此力是操作者实际体验的力。控制器被配置成实施合适的控制方案，例如比例积分微分控制，以控制致动器的电功率输出，使得由传感器15检测到的力等于期望的触觉力。
[0040]重要的是要注意，摩擦轮19a、19b本身可能引起不可忽略的阻力。因此，在一些模拟周期期间，需要的阻力(来自模拟)将会小于由摩擦轮产生的摩擦力。在这样的周期，控制器将会控制致动器帮助器械5运动。在其它的周期，需要的阻力将会大于由摩擦轮产生的摩擦力。在这样的周期，控制器将会控制致动器增加抵抗力。
[0041 ]当然，也有可能，需要的阻力正好与由摩擦轮产生的力匹配，在这种情况下，致动器被控制成保持中立。
[0042]现在将更详细地描述信号接口的细节以及传感器和致动器的布置。
[0043]在所示出的示例中，支架14包括两个直立构件14a、14b，所述两个直立构件使支撑装置11悬挂在成对的球轴承16a、16b之间，使得支撑装置11围绕轴线A是可旋转的。球轴承16a、16b铰接地连接到直立构件14a、14b，再加上邻近基座的直立构件中的一个14b的铰接连接，允许当操作者操纵器械5时球轴承与轴线A的不对准的较大的容许度。
[0044]在图1中示出的本发明的示例性实施方案中，轴线A设置成与由基座13界定的平面成一定角度。因为人类工程学的原因而提供支撑装置的这种成角度的悬挂，以便改善模拟系统的操作者的工作条件，这与如果支撑装置11仅例如在水平对齐时是可用的相比可能更有利。然而，该模拟系统同样适合水平对齐。
[0045]如在图2和图3中更详细示出的，图1中的支撑装置11还包括管17，该管在轴承16a、16b之间连接。管17的第一端17a布置成接纳器械5的管状构件8。在邻近第一端17a的管的每个外侧面上存在开口 18a、18b，成对的摩擦轮19a、19b布置在这些开口处。每个轮的旋转轴线垂直于轴线A。摩擦轮19a、19b优选地在圆周上具有凹槽以具有更大的与管状构件8接触的表面区域，并且还可以存在径向狭缝或脊以改善摩擦。
[0046]每个摩擦轮19a、19b布置在由成对的杆件20a、21a、20b、21b形成的可枢转的臂上。臂允许摩擦轮运动以通过相应的开口 18a、18b与管状构件8接触。当管状构件8插入到管17中时，两个摩擦轮19&、1%将会夹持管状构件8。相应的成对的杆件2(^、213、2013、2113弹性地将摩擦轮19a、19b压靠在管8上，提供摩擦轮19a、19b的柔性以用弹性的方式相对于轴线A侧向移动。杆件20a、21a、20b、21b布置成距管17足够的距离以避免碰撞。
[0047]每个摩擦轮19a、19b连接到致动器，例如电动马达22a、22b。该连接可以是合适的传动带24a、24b。在所示出的示例中，马达22a、22b布置成使得它们的驱动轴线23a、23b与杆件20a、20b的旋转轴线对齐，使得每个摩擦轮19a、19b的运动形成部分的拱形轨迹，该拱形轨迹的旋转中心在相应的电动马达22&、2213的驱动轴23&、2313处。在摩擦轮19&、1%和马达22a、22b之间的固定距离应确保传动带24a、24b的张力是恒定的。
[0048]在图1中，传动带在马达处和在摩擦轮处连接到齿轮，在此示例性实施方案中，在摩擦轮处的齿轮在摩擦轮处大于在马达处的齿轮，以便提供预定的传动比。
[0049]旋转传感器25a、25b布置成检测每个摩擦轮19&、1%的旋转。传感器25&、2513在这里布置在每个马达22&、2213的驱动轴23&、2313处以提供表明摩擦轮19&、1%旋转和固有的管状构件8的线性运动的信号。
[0050]首先参照图2和图3，将描述为管状构件提供用于摩擦轮的弹性预张力(pretent1n)的连杆机构。连杆机构包括滑块28，该滑块沿着管17可滑动布置。滑块28具有枢轴29，成对的连杆托架30a、30b枢转地布置在该枢轴上。两个托架30a、30b还各自枢转地连接到摩擦轮19a、19b的旋转轴，使得每个摩擦轮19a、19b连接到滑块28。最后，滑块28连接到具有弹簧元件(例如，螺旋弹簧31)的支撑装置11。
[0051 ]当滑块28沿着管17受拉时，连杆托架30a、30b将会以配合的方式使摩擦轮19a、19b侧向移动，以弹簧加压的方式朝向该管内的管状构件8来挤压所述摩擦轮。
[0052]应注意，优选地在管17的相反侧上存在相同的连杆机构，尽管这在图2和图3中没有清楚地可见。通过在管17的两侧上具有相同的连杆机构，可以实现均匀分布的力。
[0053]图4示出了根据本发明的另外的实施方式的用户接口设备101。类似于图1-图3中的用户接口设备I，用户接口设备101包括框架110，该框架具有悬挂在基座113上的支架114，用户接口设备101布置成具有在支架114和基座113之间的至少一个力传感器115。然而，此示出的实施方案的支架114形成为用于可选转的支撑装置111的单个支撑，而不是像在图1-图3中所示出的实施方案一样包括两个直立构件14a、14b。可旋转的支撑装置111被布置使得支架114保持可旋转的支撑装置111的纵向的中心部分以及滑环连接器126，可旋转的支撑装置111延伸通过该滑环连接器126。此外，图4中所示出的实施方案的可旋转的支撑装置111不同于其它示出的实施方案，与图1-图3中所示出的实施方案相比，不同点在于，滑块28、托架30a、30b和螺旋弹簧31已经通过使每对杆件120a、120b从致动器122a、122b朝向摩擦轮119a、119b延伸并且进一步超出摩擦轮119a、119b延伸来代替。这允许至少一个弹簧135远离致动器122a、122b在杆件120a、120b之间的布置。另外地或可选地，至少一个弹簧可以布置在杆件之间(在图4中未示出)，该弹簧保持相应的摩擦轮119a、119b的相对侧。
[0054]布置在杆件120a、120b之间的至少一个弹簧135使得摩擦轮119a、119b弹性地压向彼此。当在使用时，在杆件120a、120b上的摩擦轮119a、119b的弹性悬挂允许管状构件8以与轴线A成一定的角度和/或偏离所述轴线插入，使得管状构件8主要压向摩擦轮119a、119b中的一个，其中至少一个弹簧135允许摩擦轮119a、119b中的另一个对管状构件8保持压力。因此，可以保持摩擦。
[0055]杆件120a、120b、摩擦轮119a、119b和至少一个弹簧135的每个设置，使得当使用时每个摩擦轮对管状构件8施加至少30N的力。例如杆件120a、120b的形式和长度的参数;摩擦轮119a、119b的形状、大小和凹槽花纹(groove tread)以及弹簧135的弹簧系数和预张力可以被选择，使得每个摩擦轮对管状构件8施加例如40N+/-2N的力。
[0056]此外，类似于图1-图3中所示出的实施方案，可旋转的支撑装置111致动器122a通过传动驱动装置124a可操作地连接到摩擦轮119a。
[0057]摩擦轮119a、119b对管状构件8的夹紧摩擦附着力(pinching frict1nal grip)为可旋转的支撑装置11提供管状构件8的旋转运动的转化。为了在旋转的方向上提供力反馈，致动器32布置在框架10上，用传动带(未示出)连接到围绕管17布置的嵌齿轮(cogwheel)(未示出)。另外的旋转传感器33还设置成检测支撑装置11围绕轴线A的旋转运动B。旋转传感器33可以有利地布置在致动器32的驱动轴上。
[0058]此外，另外的旋转传感器34可以布置成与管状构件8的延伸到管17外的端部接触(当充分地插入时)。旋转传感器34布置成检测管状构件8的旋转，这可以另外地用于与来自旋转传感器33的信号比较以检测在管状构件8和摩擦轮119a、119b之间的滑动。
[0059]有必要提供在马达22a、22b、传感器25a、25b和控制器9之间的电气连接，该电气连接具有由支撑装置的旋转造成的线路上的最小磨损，这可以例如通过提供足够的允许一些旋转的线路或以类似于钟表弹簧的方式盘绕的线束来解决。然而，由于此类解决方案限制了旋转数(number rotat1ns)，所以旋转滑环连接器26布置成围绕管17以提供相对于支撑装置11固定的电气接口，该电气接口与相对于框架10固定的另外的电气接口互连。
[0060]本领域的技术人员意识到本发明决不限于以上描述的优选的实施方式。相反，很多修改和变动在所附权利要求的范围内是可能的。例如，可以使用其它类型的传感器和编码器，以用于检测旋转以及平移。例如，霍尔效应传感器或压电式传感器。此外，器械5代表用于内窥镜手术的实际手术器械，同样地，存在可以被模仿的数种内窥镜手术器械。本领域的技术人员应意识到，根据至少一个实施方案的本发明应接受某些变动，例如插入管的直径的变动，或根据至少一个实施方案的本发明可以适合于特定的插入管。此外，虽然根据本发明的至少一个实施方案的手柄是交互式虚拟的手柄，例如Olympus GIF-HQ190系列内窥镜，但是本发明同样适合于模拟任何种类的内窥镜器械的手柄。
[0061]根据的至少一个示例性实施方案，支架通过柔性构件悬挂在基座上，所述柔性构件中的一些包括力传感器，例如应变仪。然而，也有可能的是，所有的柔性构件包括力传感器，或者仅它们中的一个包括力传感器。传感器的数量、相应的传感器几何结构和传感器的单独的布置可以适合于在方向、振幅和/或力矩方面实现不同的自由度。例如，当器械相对于框架和支撑装置被推或被拉，一个力传感器可以布置成感测在纵向方向上的施加的力，同时组合的多个传感器可以布置在基座和支架之间的多个位置，以检测纵向力、旋转力和/或侧向力。因此，在力传感器布置成检测旋转力和/或侧向力的情况下，技术人员应意识到，本发明可以同样适合于包括夹紧摩擦轮，以用于检测器械的旋转运动和随后使用在调节控制反馈回路中的旋转和/或侧向力信号，类似于对平移的纵向运动所描述的。相同的变动和优点是可适用的。
[0062]可选地，支架可以沿着一个轨道或多个轨道布置到基座上，具有检测沿着轨道的力的力传感器。另外一个解决方案将是将支架布置在基座上的低摩擦表面上。
[0063]技术人员应意识到，用于支撑装置的旋转悬挂的两个球轴承的使用代表一种可能的实施方案，具有单个中心轴承或沿着轴线A的数个轴承也将是有可能的。摩擦轮相对于致动器的配置以及致动器的数量和传动直接驱动的使用可以是不同的。例如，一个致动器可以用于操作两个摩擦轮。同样地，用于管状构件的旋转运动上的力反馈的致动器可以例如是制动致动器。
[0064]在没有弹簧加压的预张力的情况下，通过摩擦轮对管状构件施加的夹紧力可以被实现，例如，致动器可以调节轮的位置，连接摩擦轮和马达的钟表弹簧可以为每个摩擦轮提供单独的悬挂，或者这些轮可以通过至少一个弹簧互连。类似于车辆的轮，摩擦轮可以具有不同的模式，以根据例如管状构件的类型或大小改善摩擦。周围的凹槽的形状或深度也可以是不同的。摩擦轮的直径可以被改变。此外，将摩擦轮连接到致动器的带驱动传动装置可以被例如链传动、齿轮传动等所取代，而不限制本发明。
[0065]管17可以具有容易被具有类似样式和尺寸的网格结构(latticestructure)或轮廓取代的一些适应性。
【主权项】
1.一种用于在计算机系统(3)上实施的触觉反馈内窥镜模拟的用户接口，包括: 器械(5)，其具有手柄(7)和管状构件(8)， 框架(10;110)， 支撑装置(I I; 111)，其布置成相对于所述框架围绕轴线A旋转，并且布置成沿着所述轴线A接纳所述管状构件，所述支撑装置包括: 两个摩擦轮(19a、19b; 119a、119b)，其中所述摩擦轮弹性地压向彼此，并且其中，当所述管状构件被接纳在所述支撑装置中时，所述摩擦轮与所述管状构件的相对侧摩擦地接触， 第一旋转传感器(25a; 125a)，其布置成检测所述两个摩擦轮中的至少一个的旋转，以及 至少一个致动器(22a、22b; 122a)，其可操作地连接到所述摩擦轮； 所述用户接口还包括: 力传感器(15; 115)，其布置成检测在所述支撑装置和所述框架之间的力，以及 控制器(9)，其布置成接收来自所述计算机系统的期望的触觉反馈和来自所述力传感器的表示施加的力的传感器信号，并且布置成控制所述致动器(22a、22b; 122a)以操作所述摩擦轮来提供所述期望的触觉反馈。2.根据权利要求1所述的用户接口，其中，所述两个摩擦轮(19a、19b;119a、119b)和所述至少一个致动器(22a、22b; 122a)具有旋转阻力，当所述管状构件(8)被接纳在所述支撑装置(11; 111)中时，所述旋转阻力被转化成沿着所述轴线A的平移阻力，以及 其中，所述控制器(9)还布置成基于来自所述力传感器(15; 115)的表示所述施加的力的所述传感器信号来控制所述至少一个致动器以操作所述摩擦轮来消除沿着所述轴线A的所述平移阻力。3.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，其中，所述支撑装置包括管(17)，所述管状构件可插入到所述管中，所述管在相对侧上具有开口(I 8a、I Sb)，所述开口为所述摩擦轮提供接近所述管状构件的入口。4.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，其中，每个摩擦轮(19a、19b;119a、119b)布置在可枢转臂(20a、2Ia、20b、2Ib; 120a、120b)上，使得所述摩擦轮可移动到与所述管状构件接触。5.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，还包括至少一个弹簧(135)，所述至少一个弹簧与所述摩擦轮互连，使得当所述管状构件被接纳在所述支撑装置中时，所述摩擦轮用对所述管状构件(8)的预定的力弹性地压向彼此。6.根据权利要求5所述的用户接口，其中，所述摩擦轮中的每一个对所述管状构件的所述预定的力等于或大于5N，或者等于或大于30N。7.根据权利要求6所述的用户接口，其中，所述摩擦轮中的每一个对所述管状构件的所述预定的力在10-50N的范围内，或者在35-45N的范围内，或者在38-42N的范围内。8.根据权利要求5至7中任一项所述的用户接口，其中，当所述管状构件被接纳在所述支撑装置中且被强迫侧向地偏离所述轴线A时，所述至少一个弹簧布置成保持在所述摩擦轮之间的距离和力中的至少一个。9.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，所述框架(10)还包括基座(13)和用于悬挂所述支撑装置(11)的支架(14)，其中所述力传感器(15)布置在所述基座和所述支架之间。10.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，其中，所述力传感器布置成检测在所述支撑装置和所述框架之间的沿着轴线A的纵向力。11.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，其中，所述至少一个致动器(22a、22b)用至少一个传动装置连接到所述摩擦轮(19a、19b)。12.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，还包括第二旋转传感器，所述第二旋转传感器布置成检测所述支撑装置(11)相对于所述框架(1)的旋转，其中所述器械围绕所述轴线A的旋转运动通过所述摩擦轮(19a、19b)从所述管状构件(8)传递到所述支撑装置。13.根据前述权利要求中任一项所述的用户接口，还包括另外的致动器(32)，所述另外的致动器(32)布置成为所述管状构件(8)围绕所述轴线A的运动提供力反馈。14.一种用于在用于模拟内窥镜检查程序的系统中控制触觉反馈的方法，所述系统包括器械(5)，所述器械具有能插入到支撑装置(11)中的管状构件(8)，所述方法包括: 确定期望的反馈力， 检测施加到所述管状构件(8)的实际力， 比较所述期望的反馈力与所述实际力，以提供误差信号，以及 基于所述误差信号，控制操作地连接到与所述管状构件(8)摩擦地接触的摩擦轮的致动器，从而提供所述期望的反馈力。
【文档编号】G09B23/28GK105917398SQ201580004960
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年1月23日
【发明人】安德斯·拉尔森, 克里斯特尔·约翰逊, 马蒂亚斯·尼斯托姆
【申请人】外科科学瑞典有限公司