一种六自由度力反馈手术训练的装置的制作方法

本发明属于废物处理技术领域，具体涉及一种六自由度力反馈手术训练的装置。

背景技术：

目前国内还没有成熟的力反馈手术训练装置产品的推出，并且主要是一些具有雄厚机器人知识基础的高校最先投入精力研发。

例如哈尔滨工业大学2014年设计的串联触觉反馈装置，这是一款可用于微创手术的8自由度力反馈主操作手。该主手包括手臂机构，手腕机构和夹持机构。手臂机构能够提供3自由度的位置输出以及力反馈功能，手腕机构具有一个冗余自由度，能够提供3自由度的姿态输出。

上述中，的串联触觉反馈装置多为串联机构，并且没有带力传感器与计算机组成闭环系统，操作惯性大，占用空间过大，力反馈不真实，难以模拟真实的手术情况。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种六自由度力反馈手术训练的装置,能接收三个方向的平移和三个方向的旋转信息，并把数据传输到计算机软件系统，并能接收计算机传输回来的反馈力信息，产生三个平移方向的反馈力。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种六自由度力反馈手术训练的装置，包括左手装置和右手装置以及导轨，左手装置和右手装置为对立相同的结构，所述左手装置和右手装置包括底座机构、连杆机构、万向节机构、操作杆机构，所述左手装置还包括手柄，所述右手装置还包括夹子机构，底座机构包括底板、第一侧板、第二侧板、第一底板固定块、第二底板固定块、第一电机、第二电机、第三电机、连接盘、第一联轴器、第二联轴器、第三联轴器；所述连杆机构包括三个一级A 连杆、一级B连杆、一级C连杆、A连接块、B连接块、C连接块、D连接块、 E连接块、F连接块、二级A连杆、二级B连杆、二级C连杆、三维力传感器；万向节机构包括外框主体、外框连接件、内框主体、内框连接件、内外框连接轴、第一电位器、第二电位器、内框封闭件；操作杆机构包括杆头、杆中间块、杆连接套、电位器、杆固定块、杆连接块、杆柄、杆连接轴；夹子机构包括电机、夹子下部、夹子夹紧块、夹子连接块、夹子中间块和夹子上部，所述底座机构和连杆机构构成一个类Delta并联机构，整个机构是一个混联机构。

优选的，所述底板的左右两侧面分别与第一侧板和第二侧板的侧面通过螺钉进行固定连接；第一底板固定块、第二底板固定块的底面通过螺钉与底板的顶面进行固定连接；底板的底面与竖直放置的第一电机和第二电机通过螺钉进行固定连接，这样就使得竖直放置的第一电机和第二电机固定在底板底面处；横向放置的第三电机穿过第二侧板的圆孔与连接盘通过螺钉进行固定连接，同时连接盘与第二侧板的左侧面通过螺钉进行固定连接，这样就使得横向放置的第三电机能够固定在第二侧板上；第一侧板、第二侧板侧面底部有一个螺纹孔，用来与导轨通过螺钉连接固定。

优选的，所述第一联轴器、第二联轴器、第三联轴器的一端的中心孔与第一电机、第二电机和第三电机的轴通过紧定螺钉或键槽周向固定在一起，并通过紧定螺钉防止第一联轴器、第二联轴器和第三联轴器轴向窜动；三个一级A连杆、一级B连杆和一级C连杆一端的螺纹孔与第一联轴器、第二联轴器、第三联轴器另一端的侧孔通过螺钉进行固定连接，这样一级A连杆、一级B连杆和一级C连杆的旋转角位移就能传递给第一联轴器、第二联轴器和第三联轴器，其第一联轴器、第二联轴器和第三联轴器进而将角位移传递给第一电机、第二电机和第三电机，其第一电机、第二电机和第三电机上的增量式编码器将角位移转化为脉冲信号传递给虚拟手术系统进行计算，其虚拟手术系统经过计算后得到相应的反馈力数据，然后将反馈力数据传递给电机的驱动器，驱动器驱动电机产生相应的反馈力矩，操作者因此能感受到反馈力而获得更真实的操作体验。

优选的，所述一级A连杆、一级B连杆和一级C连杆的一端均设有侧孔，所述A连接块、B连接块、C连接块、D连接块、E连接块和F连接块上均设有两个通孔所述二级A连杆、二级B连杆和二级C连杆的两端也均设有侧孔，三维力传感器三个底部伸出端设有孔，侧孔、两个通孔和孔均装有轴承，且侧孔、两个通孔和圆孔与轴承的外圈过盈配合；轴承之间的连接使用细小的轴与轴承的内圈过盈配合；一级A连杆、一级B连杆和一级C连杆一端的轴承与A连接块、B连接块、C连接块其中一个孔内的轴承进行连接；A连接块、 B连接块、C连接块的另一个孔内的轴承与二级A连杆、二级B连杆和二级C 连杆一端的轴承进行连接；所述二级A连杆、二级B连杆和二级C连杆另一端的轴承与D连接块、E连接块和F连接块的一端的轴承进行连接；D连接块、 E连接块和F连接块另一端的轴承与三维力传感器的伸出端内的轴承连接。

优选的，所述三维力传感器设有三个方向的平动自由度，其三维力传感器的平动位移能够通过二级A连杆、二级B连杆、二级C连杆、一级A连杆、一级B连杆和一级C连杆转化成角位移传递给电机；三维力传感器可以获得实际受力数据，然后通过信号采集卡传递给虚拟手术系统，虚拟手术系统通过理论预设定的计算力与现实力的误差，自动计算出附加的补偿力，然后传递给第一电机、第二电机、第三电机的驱动器，驱动器驱动第一电机、第二电机、第三电机产生附加的补偿力补偿掉装置的重力和惯性力。

优选的，所述外框主体与外框连接件通过螺钉固定构成外框，内框主体与内框连接件通过螺钉固定构成内框；外框主体的中间孔与内框主体下方侧孔均装有轴承，并且轴承的外圈与孔过盈配合，内外框连接轴与轴承的内圈过盈配合，使得内外框在下方得到铰接；竖直放置的第一电位器的轴穿过外框主体的通孔，第一电位器外壳通过六角螺帽与外框主体固定；竖直放置的电位器的轴还穿过内框主体的上侧孔，并且与内框封闭件的一字型凸出相契合，并且内框封闭件通过螺钉与内框主体固定，从而内外框在上方得到铰接；因此，内框的水平面旋转角位移就能传递到电位器中，电位器把角位移转换为电信号传到虚拟手术系统中。

优选的，所述杆头与杆中间块的底部通过螺纹固定，所述杆中间块的顶部与杆连接套的底部通过螺钉固定；电位器的轴穿过杆固定块的通孔，并且通过六角螺帽使得电位器的外壳与杆固定块固定；杆固定块与杆连接套的中间侧孔通过螺钉固定；杆连接块的中间通孔内装有轴承，并且轴承的外圈与孔过盈配合，杆柄的上端穿过轴承的内圈，与轴承内圈间隙配合，杆连接块与杆连接套的上端侧孔通过螺钉固定；杆柄的下端的一字型凸出与电位器相契合，从而杆柄的自转角位移就能传递到电位器中，电位器把角位移转换为电信号传到虚拟手术系统中。

优选的，所述杆中间块的左侧面与杆连接轴的右侧面通过螺钉固定，内框连接件的中间孔内装有轴承，并且轴承的外圈与孔过盈配合；杆连接轴的左端与轴承的内圈过盈配合，这样万向节内框与杆在左方得到铰接；横向放置的第二电位器的轴依次穿过内框主体的右侧通孔和杆中间块的中间通孔，第二电位器的外壳与内框主体通过六角螺帽固定，第二电位器的轴与杆连接轴右端的一字型凸出相契合，从而操作杆的竖直平面的角位移就能传递到第二电位器中；第二电位器把角位移转换为电信号传到虚拟手术系统中；所述电机被夹在夹子下部与夹子夹紧块的圆弧凹陷之间，夹子下部与夹子夹紧块通过螺栓六角螺帽夹紧电机外壳；夹子连接块的一端的小通孔与电机轴通过紧定螺钉或者键槽连接周向固定，并通过紧定螺钉防止夹子连接块的轴向窜动；夹子中间块的一端与夹子连接块的另一端通过螺钉固定，夹子中间块的另一端与夹子上部通过螺钉固定；夹子上部的角位移就能传递给电机，电机上的增量式编码器将角位移转化为脉冲信号传递给虚拟手术系统进行计算，虚拟手术系统经过计算后得到相应的反馈力数据，然后将反馈力数据传递给电机的驱动器，驱动器驱动电机产生相应的反馈力矩，操作者因此能感受到反馈力而获得更真实的操作体验。

优选的，所述夹子下部的底端可与杆柄上端的凹槽契合，并通过螺钉固定；而装置左边部分手柄可与杆柄的上端通过螺钉固定；所述外框主体的下方侧面可与三维力传感器的顶面通过螺钉固定；操作杆就能把平动的位移传给三维力传感器，进而传递给电机。所述右手装置可以更换刀具，当此装置右手装置需要用刀具时，夹子下部、夹子上部、夹紧块、夹子连接块、中间块以及电机部分可以拆下，将需更换的刀具放入杆柄的凹槽处，通过螺钉拧紧固定，该右手装置模拟的是手术刀的操作。

优选的，所述导轨起到整体的固定作用，左手装置和右手装置两个机构可通过导轨中的凹槽左右调整位置，并可通过螺钉穿过导轨侧面的孔与左手装置和右手装置的侧板底部螺纹孔进行螺纹连接固定。

本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种六自由度力反馈手术训练的装置，与现有技术相比，本发明能根据使用者不同及其不同的操作习惯，灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，同时还可以通过电机感受到一种反馈力，给人一种更加逼真的效果，可以达到逼真模拟内窥镜微创手术的效果，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。

附图说明

图1为本发明专利右手部分底座及连杆部分爆炸图；

图2为本发明专利右手部分底座及连杆部分装配图；

图3为本发明专利万向节及操作杆部分爆炸图；

图4为本发明专利万向节及操作杆部分装配图；

图5为本发明专利夹子爆炸图；

图6为本发明专利夹子装配图；

图7为本发明左右手的三维力传感器、万向节、操作杆分别与手柄和夹子构成的装配体图；

图8为本发明的总体结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-8所示的一种六自由度力反馈手术训练的装置，包括左手装置和右手装置以及导轨49，左手装置和右手装置为对立相同的结构，所述左手装置和右手装置包括底座机构、连杆机构、万向节机构、操作杆机构，所述左手装置还包括手柄48，所述右手装置还包括夹子机构，底座机构包括底板1、第一侧板2、第二侧板3、第一底板固定块4、第二底板固定块5、第一电机6、第二电机7、第三电机8、连接盘9、第一联轴器10、第二联轴器11、第三联轴器12；所述连杆机构包括三个一级A连杆13、一级B连杆 14、一级C连杆15、A连接块16、B连接块17、C连接块18、D连接块19、E 连接块20、F连接块21、二级A连杆22、二级B连杆23、二级C连杆24、三维力传感器25；万向节机构包括外框主体26、外框连接件27、内框主体 28、内框连接件29、内外框连接轴30、第一电位器31、第二电位器41、内框封闭件32；操作杆机构包括杆头33、杆中间块34、杆连接套35、电位器 36、杆固定块37、杆连接块38、杆柄39、杆连接轴40；夹子机构包括电机 42、夹子下部43、夹子夹紧块44、夹子连接块45、夹子中间块46和夹子上部47，所述底座机构和连杆机构构成一个类Delta并联机构，整个机构是一个混联机构。

所述底板1的左右两侧面分别与第一侧板2和第二侧板3的侧面通过螺钉进行固定连接；第一底板固定块4、第二底板固定块5的底面通过螺钉与底板1的顶面进行固定连接；底板1的底面与竖直放置的第一电机6和第二电机7通过螺钉进行固定连接，这样就使得竖直放置的第一电机6和第二电机7 固定在底板1底面处；横向放置的第三电机8穿过第二侧板3的圆孔与连接盘9通过螺钉进行固定连接，同时连接盘9与第二侧板3的左侧面通过螺钉进行固定连接，这样就使得横向放置的第三电机8能够固定在第二侧板3上；第一侧板2、第二侧板3侧面底部有一个螺纹孔，用来与导轨49通过螺钉连接固定。

所述第一联轴器10、第二联轴器11、第三联轴器12的一端的中心孔与第一电机6、第二电机7和第三电机8的轴通过紧定螺钉或键槽周向固定在一起，并通过紧定螺钉防止第一联轴器10、第二联轴器11和第三联轴器12轴向窜动；三个一级A连杆13、一级B连杆14和一级C连杆15一端的螺纹孔与第一联轴器10、第二联轴器11、第三联轴器12另一端的侧孔通过螺钉进行固定连接，这样一级A连杆13、一级B连杆14和一级C连杆15的旋转角位移就能传递给第一联轴器10、第二联轴器11和第三联轴器12，其第一联轴器10、第二联轴器11和第三联轴器12进而将角位移传递给第一电机6、第二电机7和第三电机8，其第一电机6、第二电机7和第三电机8上的增量式编码器将角位移转化为脉冲信号传递给虚拟手术系统进行计算，其虚拟手术系统经过计算后得到相应的反馈力数据，然后将反馈力数据传递给电机的驱动器，驱动器驱动电机产生相应的反馈力矩，操作者因此能感受到反馈力而获得更真实的操作体验。

所述一级A连杆13、一级B连杆14和一级C连杆15的一端均设有侧孔，所述A连接块16、B连接块17、C连接块18、D连接块19、E连接块20和F 连接块21上均设有两个通孔所述二级A连杆22、二级B连杆23和二级C连杆24的两端也均设有侧孔，三维力传感器25三个底部伸出端设有孔，侧孔、两个通孔和孔均装有轴承，且侧孔、两个通孔和圆孔与轴承的外圈过盈配合；轴承之间的连接使用细小的轴与轴承的内圈过盈配合；一级A连杆13、一级 B连杆14和一级C连杆15一端的轴承与A连接块16、B连接块17、C连接块 18其中一个孔内的轴承进行连接；A连接块16、B连接块17、C连接块18的另一个孔内的轴承与二级A连杆22、二级B连杆23和二级C连杆24一端的轴承进行连接；所述二级A连杆22、二级B连杆23和二级C连杆24另一端的轴承与D连接块19、E连接块20和F连接块21的一端的轴承进行连接；D 连接块19、E连接块20和F连接块21另一端的轴承与三维力传感器25的伸出端内的轴承连接。

所述三维力传感器25就有三个方向的平动自由度，其三维力传感器25 的平动位移能够通过二级A连杆22、二级B连杆23、二级C连杆24、一级A 连杆13、一级B连杆14和一级C连杆15转化成角位移传递给电机；三维力传感器25可以获得实际受力数据，然后通过信号采集卡传递给虚拟手术系统，虚拟手术系统通过理论计算力与现实力的误差，自动计算出附加的补偿力，然后传递给第一电机6、第二电机7、第三电机8的驱动器，驱动器驱动第一电机6、第二电机7、第三电机8产生附加的补偿力补偿掉装置的重力和惯性力。

所述外框主体26与外框连接件27通过螺钉固定构成外框，内框主体28 与内框连接件29通过螺钉固定构成内框；外框主体26的中间孔与内框主体 28下方侧孔均装有轴承，并且轴承的外圈与孔过盈配合，内外框连接轴30与轴承的内圈过盈配合，使得内外框在下方得到铰接；竖直放置的第一电位器 31的轴穿过外框主体26的通孔，第一电位器31外壳通过六角螺帽与外框主体26固定；竖直放置的电位器31的轴还穿过内框主体28的上侧孔，并且与内框封闭件32的一字型凸出相契合，并且内框封闭件32通过螺钉与内框主体28固定，从而内外框在上方得到铰接；因此，内框的水平面旋转角位移就能传递到电位器31中，电位器31把角位移转换为电信号传到虚拟手术系统中。

所述杆头33与杆中间块34的底部通过螺纹固定，所述杆中间块34的顶部与杆连接套35的底部通过螺钉固定；电位器36的轴穿过杆固定块37的通孔，并且通过六角螺帽使得电位器36的外壳与杆固定块37固定；杆固定块 37与杆连接套35的中间侧孔通过螺钉固定；杆连接块38的中间通孔内装有轴承，并且轴承的外圈与孔过盈配合，杆柄39的上端穿过轴承的内圈，与轴承内圈间隙配合，杆连接块38与杆连接套35的上端侧孔通过螺钉固定；杆柄39的下端的一字型凸出与电位器36相契合，从而杆柄39的自转角位移就能传递到电位器36中，电位器36把角位移转换为电信号传到虚拟手术系统中。

所述杆中间块34的左侧面与杆连接轴40的右侧面通过螺钉固定，内框连接件29的中间孔内装有轴承，并且轴承的外圈与孔过盈配合；杆连接轴40 的左端与轴承的内圈过盈配合，这样万向节内框与杆在左方得到铰接；横向放置的第二电位器41的轴依次穿过内框主体28的右侧通孔和杆中间块34的中间通孔，第二电位器41的外壳与内框主体28通过六角螺帽固定，第二电位器41的轴与杆连接轴40右端的一字型凸出相契合，从而操作杆的竖直平面的角位移就能传递到第二电位器41中；第二电位器41把角位移转换为电信号传到虚拟手术系统中；所述电机42被夹在夹子下部43与夹子夹紧块44 的圆弧凹陷之间，夹子下部43与夹子夹紧块44通过螺栓六角螺帽夹紧电机 42外壳；夹子连接块45的一端的小通孔与电机42轴通过紧定螺钉或者键槽连接周向固定，并通过紧定螺钉防止夹子连接块45的轴向窜动；夹子中间块46的一端与夹子连接块45的另一端通过螺钉固定，夹子中间块46的另一端与夹子上部47通过螺钉固定；夹子上部47的角位移就能传递给电机42，电机42上的增量式编码器将角位移转化为脉冲信号传递给虚拟手术系统进行计算，虚拟手术系统经过计算后得到相应的反馈力数据，然后将反馈力数据传递给电机42的驱动器，驱动器驱动电机42产生相应的反馈力矩，操作者因此能感受到反馈力而获得更真实的操作体验。

所述夹子下部43的底端可与杆柄39上端的凹槽契合，并通过螺钉固定；而装置左边部分手柄48可与杆柄39的上端通过螺钉固定；所述外框主体26 的下方侧面可与三维力传感器25的顶面通过螺钉固定；操作杆就能把平动的位移传给三维力传感器25，进而传递给电机。所述右手装置可以更换刀具，当此装置右手装置需要用刀具时，夹子下部43、夹子上部47、夹紧块44、夹子连接块45、中间块46以及电机42部分可以拆下，将需更换的刀具放入杆柄39的凹槽处，通过螺钉拧紧固定，该右手装置模拟的是手术刀的操作。

所述导轨49起到整体的固定作用，左手装置和右手装置两个机构可通过导轨中的凹槽左右调整位置，并可通过螺钉穿过导轨49侧面的孔与左手装置和右手装置的侧板底部螺纹孔进行螺纹连接固定。

如图1所示，三维力传感器25依次通过D连接块19、E连接块20、F连接块21、二级A连杆22、二级B连杆23、二级C连杆24、A连接块16、B连接块17、C连接块18、一级A连杆13、一级B连杆14、一级C连杆15、第一联轴器10、第二联轴器11、第三联轴器12把三个方向的平动位移传给第一电机6、第二电机7、第三电机8，第一电机6、第二电机7、第三电机8因此通过计算机给出相应的反馈力矩。

如图2所示，三维力传感器25可以在允许的工作空间内在三个方向上自由平动，当装置在闲置不操作的情况下，可以把三维力传感器25放置在底板第一底板固定块4、第二底板固定块5上卡位，以得到合理的起始位置。

如图3所示，杆柄39的自转可直接传递到电位器36中，杆柄39在竖直方向的旋转可通过杆连接块38、杆固定块37、杆连接套35、杆连接轴40传递到第二电位器41中，杆柄39水平方向的旋转可再通过内框连接件29、内框主体28、内框封闭件32传递到第一电位器31中，第一电位器31、电位器 36以及第二电位器41把角位移信息传递到计算机中。

如图6所示，夹子的旋转运动可通过夹子上部47、夹子中间块46、夹子连接块45传递到电机中，电机通过计算机给出相应的反馈力矩。

如图7所示，装置右边部分夹子下部分43的底端可与杆柄39上端的凹槽契合，并通过螺钉固定。而装置左边部分手柄48可与杆柄39的上端通过螺钉固定。外框主体26的下方侧面可与三维力传感器25的顶面通过螺钉固定；这样，操作杆就能把平动的位移传给三维力传感器25，进而传递给电机。

如图8所示，所述整个机构左手部分和右手部分除去手柄48和夹子部分是对称的。导轨49起到整体的固定作用，左手装置和右手装置两个机构可通过导轨中的凹槽左右调整位置，并可通过螺钉穿过导轨侧面的孔与左右手机构的侧板底部螺纹孔进行螺纹连接固定。

本发明专利的工作原理如下：本装置含有六个空间自由度，①三维力传感器25在竖直方向上的上下移动，②三维力传感器25在水平面上的左右移动，③三维力传感器25在水平面上的前后移动，④杆柄39在水平面上的转动，⑤杆柄39在竖直平面上的转动，⑥杆柄39绕自身轴线转动。其中，前三个自由度能够把位移的信息传递给电机，电机将此信息传递给计算机，给出相应的反馈力，与此同时，夹子部分会有一个附加的自由度，其中的电机也能给出相应的反馈力，使体验者能获得最佳的训练效果。左右手机构可通过导轨中的凹槽适当左右调整位置。

本发明专利能灵活调整手术刀和内窥镜的位置和角度，同时能感受到电机传递来的反馈力，达到逼真模拟内窥镜手术的效果，缩短了手术医师的培训时间，节省了培训费用，另外，此装置结构简单，易于操作和维修。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。