专利名称：虚拟介入手术的力觉再现交互感知模拟装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种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
实用新型内容技术问题本实用新型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再现交互感知模拟装置，包括支架，支架呈 “L”型，支架两个臂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1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。有益效果(1)本实用新型采用菱形传动机构，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)本实用新型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)本实用新型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)本实用新型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)本实用新 型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)本实用新型采用电机驱动，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
图1是本实用新型实施例的结构示意图。图2是本实用新型实施例中线传动装置的结构示意图。图3是本实用新型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再现交互感知模拟装置，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M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M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M2，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。
权利要求1. 一种虚拟介入手术的力觉再现交互感知模拟装置，其特征在于，包括支架(1)，支 架(1)呈“L”型，支架(1)两个臂上分别设有线传动装置和菱形传动机构O)，所述菱形传 动机构( 将运动基座C3)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)、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( 包括连杆一(21)、连杆二(22)、连杆三及连杆 四(M)，连杆一 的一端与连杆二 0 的一端转动连接，连杆三的一端与连杆四 (24)的一端转动连接，所述连杆一 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 012)，所述连杆三的另一端 通过转轴三031)与固定在支架(1)上的固定直角三(230)转动连接，在转轴三031)上 设齿轮三032)，齿轮一(21 与齿轮三(23 相啮合，所述连杆二 0 的另一端通过转轴 二 021)与固定在运动基座C3)上的固定直角二(220)转动连接，在转轴二 021)上设齿 轮二 022)，所述连杆四04)的另一端通过转轴四041)与固定在运动基座C3)上的固定 直角四(MO)转动连接，在转轴四(Ml)上设齿轮四042)，齿轮二(22 与齿轮四(M2) 相啮合，在运动基座C3)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。
专利摘要一种虚拟介入手术的力觉再现交互感知模拟装置，包括支架，在支架上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，所述线传动装置由主动轮基座、从动轮基座，从动轮旋转轴、主动轮、从动轮以及绕在其上的钢丝绳构成，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，且关于钢丝绳所在平面对称，其一端与支架转动连接，另外一端与运动基座转动连接，上述两个连接处分别使用一对齿轮将相邻两个连杆的转动轴进行对称啮合，运动基座上固定有第二电机，该电机直接通过联轴器与操作手柄相连。
文档编号G09B23/28GK201845490SQ20102025370
公开日2011年5月25日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者吴涓, 宋爱国, 崔建伟, 庄皓岚, 徐效农, 王蔚 申请人:东南大学