[发明专利]一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统

权利要求书

1.一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统，其特征在于该系统包括以下部件：

一立体转动操作台，所述的立体转动操作台由一垂直转动支架和一水平转动支架组成，其中，所述水平转动支架包括底座、转动台和两块夹板组成，所述底座中间设有立轴，所述转动台设有一中心孔，孔内设有轴承，所述转动台套装在于所述立轴，所述立轴上端穿过所述转动台中心孔与固定于所述转动台上端面的水平方向圆光栅旋转编码器联接；所述垂直转动支架包括一手术器械固定板和U形支架，所述手术器械固定板两侧各设有一根横轴，分别插入所述U形支架两侧立板上的通孔中，所述U形支架底部通过两块所述夹板与所述转动台固定为一体，两块所述夹板之间通过螺栓连接；所述手术器械固定板的一根横轴外端与设置于所述U形支架的一侧的上下方向光栅编码器固接，所述手术器械固定板的另一根横轴外端与固定在所述U形支架另一侧的上下方向电磁刹车器固接；

一固定于该立体转动操作台上的仿真内窥镜手术器械，包括操作手柄和与之连接的操纵杆，所述操纵杆外部套装有一直线轴承，所述直线轴承固定于所述手术器械固定板的上端；所述操纵杆的外圆面设有齿条，所述直线轴承底部中间开有一缺口，缺口内装有一直齿轮，该直齿轮与所述操纵杆的外圆面齿条啮合；所述直齿轮同轴装有上圆锥齿轮和前后方向圆光栅旋转编码器，二者分别位于所述直线轴承的两侧；该上圆锥齿轮与下圆锥齿轮啮合；所述下圆锥齿轮固定于一根磁性轴端部，该磁性轴下端与一固定于所述手术器械固定板上的永磁铁固定圆筒活动联接，所述永磁铁固定圆筒底部通过螺丝与前后方向电磁刹车器固定联接；所述永磁铁固定圆筒内腔中开有三个大体排列成一直线的盲孔，所述磁性轴下部安装于中心盲孔中，可在该中心盲孔中自由转动；所述中心盲孔两侧盲孔中均固定有永磁体，所述永磁体的磁极与所述磁性轴的磁极异性相对，通过磁力将所述永磁铁固定圆筒吸附于所述磁性轴上，所述永磁铁固定圆筒两端通过轴承座定位，可随所述磁性轴一起转动；

一磁性力反馈控制装置，包括单片机系统，所述单片机系统的信号输入端分别与所述上下方向光栅编码器、前后方向光栅编码盘以及水平方向光栅编码器的信号输出端连接，用于接收三个所述光栅编码盘发出的旋转参数；所述单片机系统的信号输出端分别与所述前后方向电磁刹车器、上下方向电磁刹车器的控制端连接，用于控制两个所述电磁刹车器的状态切换。

2.根据权利要求1所述具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统，其特征在于：所述上下方向光栅编码器、前后方向光栅编码盘以及水平方向光栅编码器采用的光栅盘均在圆周上等分为1000个单位。

3.根据权利要求1或2任一项所述具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统，其特征在于：所述永磁铁固定圆筒为铝制柱形部件。

4.根据权利要求1或2任一项所述具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统，其特征在于：所述U形支架前部设有上下方向运动限位杆，用于所述手术器械固定板的限位。

5.根据权利要求1或2任一项所述具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统，其特征在于：所述前后方向电磁刹车器、上下方向电磁刹车器均为电磁粉末刹车器。

6.一种基于方向包围盒的权1所述内窥镜仿真训练系统的三平面碰撞计算方法，其特征在于具有以下步骤：

(1)设平面p₁，存在五种不同的相交可能性：

a.三个平面间彼此平行(也可能共面)。

b.一个平面贯穿两个平面平行，从而形成两条相互平行的交线。

c.三个平面相较于一条直线。

d.三个平面之间彼此两两相交于一天直线。

e.三个平面相较于一点。

(2)定义三个平面。p₁：n₁·X＝d₁,p₂：n₂·X＝d₂,p₃：n₃·X＝d₃；对于上述相交状态“a”，则有n₁·(n₂×n₃)＝0,其他状态同理加以定义其中，当平面相交于一点X＝(x₁,x₂,x₃)时，可将平面方程视为一个3×3线性方程组，并求解该交点：

n₁·X＝d₁

n₂·X＝d₂

n₃·X＝d₃

可利用高斯消元法或根据行列式和克莱姆法则求解该方程组，

令m1=n1xn2xn3xT,m2=n1yn2yn3yT,m3=n1zn2zn3zT,]]>根据克莱姆法则，解为：

x₁＝|d m₁ m₃|/|m₁ m₂ m₃|

x₂＝|m₁ d m₃|/|m₁ m₂ m₃|

x₃＝|m₁ m₂ d|/|m₁ m₂ m₃|

其中，d＝[d₁ d₂ d₃]^T；

选择最为适宜的计算表达式，简化为：

x₁＝d·u/denom

x₂＝m₃·v/denom

x₃＝-m₂·v/denom

其中，u＝m₂×m₃，v＝m₁×d，denom＝m₁×m₁×u。