[发明专利]一种两自由度虚拟手术的力反馈装置

说明书

一种两自由度虚拟手术的力反馈装置，其包括：机械子系统和电气子系统；所述机械子系统包括机械装置主轴、第一主轴固定座、第二主轴固定座、主轴滑块、导向杆、钢丝绳、第一线轮组、第一驱动执行元件、第二线轮组、第二驱动执行元件；所述机械装置主轴前部连接外部手术器械，中部由主轴滑块带动钢丝绳与第一线轮组、第一驱动执行元件相连，第二主轴固定座处设有第一信号采集元件，用来执行手术主轴伸缩运动，采集伸缩运动位置数据并执行力反馈过程；机械装置主轴前部有第一主轴固定座，第一固定座中部开孔处设有第二线轮组、第二驱动执行元件，第二主轴固定座设有第二信号采集元件；所述电气系统用于向用户提供操作过程中的力反馈作用。

技术领域

本发明涉及医疗训练器设计技术领域，特别涉及一种两自由度虚拟手术的力反馈装置。

背景技术

随着人均寿命和世界医疗水平的提高，医疗器械的开发也得到了较快发展，各种借助于医疗器械训练医师的仿真器也应孕而生。这些仿真器与虚拟的手术场景结合，在与医师交互中具有很强的实时性和交互感，可以大大缩短医师的培训时间。同时，仿真器可以多次、重复使用，在不同的手术步骤上重复训练，能提高医师的训练量和熟练度。虚拟手术装置具有良好效果的标准是具有逼真的图像场景和手术装置具有一定的力反馈功能。

中国专利申请号：200510027052.9，名称为多功能虚拟手术器械。该专利中所述装置采集直线位移传感器和角位移传感器信号，实现手术刀的剪切、移动、转动自由度运动。该虚拟手术器械虽能实现手术刀运动，但对于在实际手术时由于器械碰触组织后由组织产生并传递给操作者的触觉反馈却没有考虑，缺乏交互体验和操作沉浸感，对医师训练是一个不利影响。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种能够实现伸缩、自转两自由度运动，采集运动过程中的力反馈，并提供真实的运动力反馈效果的两自由度虚拟手术的力反馈装置。

一种两自由度虚拟手术的力反馈装置，其包括：

机械子系统和电气子系统；

所述机械子系统包括机械装置主轴、第一主轴固定座、第二主轴固定座、主轴滑块、导向杆、钢丝绳、第一线轮组、第一驱动执行元件、第二线轮组、第二驱动执行元件；

所述机械装置主轴前部连接外部手术器械，中部由主轴滑块带动钢丝绳与第一线轮组、第一驱动执行元件相连，第二主轴固定座处设有第一信号采集元件，用来执行手术主轴伸缩运动，采集伸缩运动位置数据并执行力反馈过程；机械装置主轴前部有第一主轴固定座，第一固定座中部开孔处设有第二线轮组、第二驱动执行元件，第二主轴固定座设有第二信号采集元件，用以采集主轴自转运动偏转角度和执行自转运动的力反馈；

所述电气系统用于向用户提供操作过程中的力反馈作用。

在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中，

所述机械装置主轴的自转运动角度在0度到360度之间。

在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中，所述机械装置主轴前端和末端之间可以进行伸缩运动，伸缩运动距离为0～200mm之间。

在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中，

所述第一驱动执行元件和/或第二驱动执行元件为直流伺服电机。

在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中，所述第一信号采集元件和/或第二信号采集元件为500线三相编码器。

在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中，所述机械子系统的第一线轮组由两个线轮组成，其中一线轮的轴线与第一驱动执行元件轴线重合，带动第一驱动执行元件运动，两个线轮的轴线相互平行；两线轮之间的传动形式为钢丝绳传动，通过钢丝绳缠绕在一组线轮上实现机械装置主轴和线轮组间的伸缩传动和力矩传递。

在本发明所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置中，