一种力反馈式针穿刺手术训练仿真装置的制作方法

本发明涉及一种针穿刺手术训练仿真装置，特别是涉及一种力反馈式针穿刺手术训练仿真装置。

背景技术：

传统的手术训练过程通常以动物、人体样本以及假人作为实施载体，往往成本高昂、材料利用率低，从而在一定程度上抑制了医学工作者训练的效率和熟练度。近年来，随着虚拟现实技术的发展，针对手术训练的仿真系统也得到了越来越多的研究和应用。和传统训练方式相比，手术仿真系统具有对设备无伤、可重复性强的特点，且可以根据要求通过软件定制，有针对性地训练一些在实际中较为少见的手术过程，这样能够很大程度上缩短对医师的训练时间、减少训练成本、降低训练难度，从而造福整个医疗事业。在医师进行手术的过程中，触觉是除视觉以外最重要的判断依据，因而力反馈技术的引入对于高保真的手术仿真系统而言有着很大的意义。

目前，应用于手术仿真系统的力反馈机构主要是一些国外公司生产的多自由度力反馈装置，或由现有装置略微改造而成。因此该类力反馈装置在如自由度、工作范围、响应速度等方面，都有着资源浪费或是资源不足的现象，成本也居高不下。以具有力反馈技术的针穿刺仿真系统为例，现有的研究普遍停留在将国外公司生产的串联组合连杆式六自由度力反馈机构前端连接穿刺针来实现，但全自由度的串联机构意味着高昂的成本以及累积误差等不利因素。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于公开了一种力反馈式针穿刺手术训练仿真装置，专用性强、资源利用率高、实用性能好。

本发明的技术方案是：

本发明包括计算机、USB-CAN接口卡、开关电源、控制电路板、电机驱动器、三个直流电机、电机支座、联轴器、三个角位移传感器、传感器支座、安装底盘、传动机构和穿刺针；三个直流电机通过各自的电机支座沿圆周均布地安装在安装底盘上，每个直流电机侧方的安装底盘均通过传感器支座装有用于检测直流电机输出轴旋转的角位移传感器，直流电机的输出轴经联轴器与角位移传感器相连，三个直流电机经传动机构与穿刺针连接；计算机与USB-CAN接口卡相连，USB-CAN接口卡通过CAN总线分别与控制电路板和电机驱动器连接，开关电源分别与控制电路板、直流电机、电机驱动器连接进行供电，角位移传感器与控制电路板连接，控制电路板和电机驱动器连接，电机驱动器与直流电机连接，直流电机各自独立运行带动穿刺针仿真运动。

所述的传动机构包括主动臂、从动臂、动平台、关节轴承、联轴件、微型钻夹头、轴承内衬、支点平台和平台支承架；三根主动臂一端分别铰接在三个直流电机的输出轴上，三根主动臂另一端分别经各自的从动臂连接到动平台周边，动平台的中间孔内嵌入有关节轴承，微型钻夹头的底部通过联轴件以球铰方式铰接在关节轴承中，动平台上方设有支点平台，支点平台通过平台支承架与安装底盘形成固定连接，支点平台的中心通孔嵌装有关节轴承，关节轴承嵌入有轴承内衬，微型钻夹头顶部固定夹住穿刺针，微型钻夹头和穿刺针同轴，穿刺针上端穿出轴承内衬。

所述的主动臂和从动臂之间、从动臂和动平台之间均铰接，且铰接点为球铰结构。

所述的平台支承架为沿周向均布连接在支点平台和安装底盘之间的三根支撑臂。

所述的控制电路板包括相连接的单片机控制电路和CAN总线驱动电路；单片机控制电路：包括芯片U1，芯片U1的RESET脚分别经复位开关S2和电容C3后接地，RESET脚经电阻R4与工作电压VCC连接，NC脚经电阻R5与工作电压VCC连接，XTAL2脚和XTAL1脚之间并联晶振XTAL后分别通过电容C4、电容C5接地，GND脚接地，AREF脚经电容C6接地，AVCC脚经电容C7接地，AVCC脚经电感L1与工作电压VCC连接，VCC脚与工作电压VCC连接，PF7～PF4脚分别与J-TAG接口的9、3、5、1脚连接，PF7～PF4脚分别经电阻R9～R6后与工作电压VCC连接，RESET脚与J-TAG接口的6脚连接，J-TAG接口的4、7脚与工作电压VCC连接，J-TAG接口的2、10脚接地；

CAN总线驱动电路：包括芯片U3，芯片U3的VCC脚与工作电压VCC连接，GND脚接地，Rs脚经电阻R2接地，CANL脚和CANH脚分别与信号接线端子JP2的1、2脚连接，RXD脚和TXD脚分别与芯片U1的PD6和PD5脚连接，CANL脚经电阻R3与CANH脚相连，信号接线端子JP2的1、2脚与USB-CAN接口卡的CAN接口相连，电机驱动器的输入端连接到USB-CAN接口卡的CAN接口，信号接线端子JP2的5脚、4脚、3脚连接分别与芯片U1的PF2～PF0脚连接，信号接线端子JP2的5脚、4脚、3脚分别与三个角位移传感器的输出端相连，三个电机驱动器的输出端分别与三个直流电机的输入端相连，开关电源的输出端与三个电机驱动器相连。

所述的控制电路板还包括分别与单片机控制电路和CAN总线驱动电路连接进行供电的供电电路，供电电路包括芯片U2，芯片U2的两个输入脚分别与电源接线端子JP1的2、1脚相连，电源接线端子JP1的1、2脚与开关电源的输出端相连，正输出脚和负输出脚之间串联有电源开关S1和电容C1，LED灯D1和电阻R1串联后与电容C2一起并联到电容C1的两端，电容C1的两端输出工作电压VCC。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

利用本发明，操作者手执穿刺针进行穿刺手术仿真模拟训练，手部会实时接受到近似于真实穿刺肌肉、骨骼等样本时的反馈力，提升穿刺手术训练的效果。

本发明装置中穿刺针有足够的运动空间用以模拟真实的穿刺过程，反馈力的最小分辨率也满足仿真需要。

与人体样本、假人等传统手段相比，本装置具有可重复性以及较大的灵活性；与其余力反馈装置相比，本装置对穿刺手术有很强的针对性，机构利用率较高，具有很高的性价比。本发明所涉及的接口标准、电路简单、机构稳定，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明装置总体结构连接关系示意图。

图2为装置总体机械结构示意图。

图3为装置总体机械结构正视图。

图4为装置总体机械结构俯视图。

图5为支点平台机械结构示意图。

图6为动平台机械结构示意图。

图7为单片机控制电路原理图。

图8为供电电路原理图。

图9为CAN总线驱动电路原理图。

图中：1、穿刺针，2、平台支承架，3、支点平台，4、微型钻夹头，5、联轴件，6、关节轴承，7、角位移传感器，8、传感器支座，9、安装底盘，10、电机支座，11、从动臂，12、直流电机，13、联轴器，14、动平台，15、主动臂，16、轴承内衬，17、传动机构，18、计算机，19、USB-CAN接口卡，20、开关电源，21、控制电路板，22、电机驱动器、23、单片机控制电路，24、供电电路，25、CAN总线驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明包括计算机18、USB-CAN接口卡19、开关电源20、控制电路板21、电机驱动器22、三个直流电机12、电机支座10、联轴器13、三个角位移传感器7、传感器支座8、安装底盘9、传动机构17和穿刺针1。如图2所示，三个直流电机12通过各自的电机支座10沿圆周均布地安装在安装底盘9上，每个直流电机12侧方的安装底盘9均通过传感器支座8装有用于检测直流电机12输出轴旋转的角位移传感器7，直流电机12的输出轴经联轴器13与角位移传感器7相连，三个直流电机12经传动机构17与用于手术训练的穿刺针1连接。

如图1所示，计算机18与USB-CAN接口卡19相连，USB-CAN接口卡19通过CAN总线分别与控制电路板21和电机驱动器22连接，开关电源20分别与控制电路板21、直流电机12、电机驱动器22连接进行供电，角位移传感器7与控制电路板21连接，控制电路板21和电机驱动器22连接，电机驱动器22与直流电机12连接，直流电机12各自独立运行带动穿刺针1仿真运动。

如图2～图4所示，传动机构17包括主动臂15、从动臂11、动平台14、关节轴承6、联轴件5、微型钻夹头4、轴承内衬16、支点平台3和平台支承架2；三根主动臂15一端分别铰接在三个直流电机12的输出轴上，三根主动臂15另一端分别经各自的从动臂11连接到动平台14周边，动臂15和从动臂11之间、从动臂11和动平台14之间均铰接，且铰接点为球铰结构。如图6所示，动平台14的中间孔内嵌入有关节轴承6，微型钻夹头4的底部通过过盈内嵌的联轴件5以球铰方式铰接在关节轴承6中，动平台14上方设有支点平台3，支点平台3通过平台支承架2与安装底盘9形成固定连接，平台支承架2为沿周向均布连接在支点平台3和安装底盘9之间的三根支撑臂，平台支承架2通过螺栓安装到安装底盘9上，并与支点平台3螺纹连接。

如图5所示，支点平台3的中心通孔嵌装有关节轴承6，关节轴承6过盈嵌入有轴承内衬16，微型钻夹头4顶部固定夹住穿刺针1，微型钻夹头4和穿刺针1同轴，穿刺针1上端穿出轴承内衬16。

如图7～图9所示，控制电路板21包括单片机控制电路23、供电电路24和CAN总线驱动电路25。

如图7所示，单片机控制电路23采用单片机AT90CAN128作为主控芯片，20脚经复位开关S2接地，20脚经电容C3接地，20脚经电阻R4与工作电压VCC连接，1脚经电阻R5与工作电压VCC连接，23、24脚之间并联晶振XTAL后分别通过电容C4、C5接地，22、53、63脚接地，62脚经电容C6接地，64脚经电容C7接地，64脚经电感L1与工作电压VCC连接，21、52脚与工作电压VCC连接，54、55、56、57脚分别与J-TAG接口的9、3、5、1脚连接，54、55、56、57脚分别经电阻R9、R8、R7、R6与工作电压VCC连接，20脚与J-TAG接口的6脚连接，J-TAG接口的4、7脚与工作电压VCC连接，J-TAG接口的2、10脚接地。

如图8所示，供电电路24采用LM2596作为稳压芯片，1、2脚分别与电源接线端子JP1的2、1脚相连，电源接线端子JP1的1、2脚与开关电源20的输出端相连，3脚经电源开关S1与工作电压VCC连接，4脚接地，电容C1、C2并联在工作电压VCC与地之间，工作电压VCC经电阻R1、LED灯D1接地；

如图9所示，CAN总线驱动电路25采用TJA1050作为CAN总线驱动芯片，3脚与工作电压VCC连接，2脚接地，8脚经电阻R2接地，6、7脚与信号接线端子JP2的1、2脚连接，6脚经电阻R3与7脚相连，信号接线端子JP2的1、2脚与USB-CAN接口卡19的CAN接口相连，电机驱动器22和USB-CAN接口卡19的的CAN接口相连，USB-CAN接口卡19经USB接口与计算机18相连。

其中，CAN总线驱动芯片TJA1050的1脚、4脚分别与单片机AT90CAN128的30脚、31脚相连，单片机AT90CAN128的59脚、60脚、61脚分别与信号接线端子JP2的5脚、4脚、3脚连接，信号接线端子JP2的5脚、4脚、3脚分别与三个角位移传感器7的输出端相连，三个电机驱动器22的输出端分别与三个直流电机12的输入端相连，开关电源20的输出端与三个电机驱动器22相连。

本发明的具体实施工作过程如下：

以控制电路板21为核心，包括计算机18、USB-CAN接口卡19、开关电源20、电机驱动器22、直流电机12、电机支座10、联轴器13、角位移传感器7、传感器支座8、安装底盘9、传动机构17和穿刺针1。

具体实施中，USB-CAN接口卡19的型号为USBCAN-2A，开关电源20的型号为S-250-24，电机驱动器22的型号为RMDS-103，直流电机12的型号为RE25-118751，角位移传感器7的型号为WDD35D4。

操作者手执穿刺针1进行穿刺动作，通过传动机构17带动三个直流电机12旋转。控制电路板21接收三个角位移传感器7采集到的三个直流电机12的转动信号，通过CAN总线发送给USB-CAN接口卡19，再经USB接口传递给计算机18。计算机18结合内置的机构运动学模型，解算出穿刺针1的位置和姿态，并结合穿刺模拟对象的物理特性计算出向操作者反馈的力的大小和方向，再经由机构动力学模型计算出此时三个直流电机12分别应输出的转矩。计算机18向三个电机驱动器22通过CAN总线发送相应的控制信号，控制三个直流电机12的电枢电流，从而输出相应的转矩，实现完整的力觉反馈。重复进行上述的检测、反馈过程，即可实现针穿刺手术仿真训练中力觉的实时、精准的反馈，提升手术训练的效果。