本發明涉及醫療訓練器技術領域，特別涉及一種虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統。

背景技術：

隨著機器人技術、計算機圖形學、生物建模技術的不斷發展，基于虛擬現實技術的虛擬腹腔鏡手術訓練系統為醫護人員的手術訓練提供了機會。虛擬腹腔鏡手術系統可以通過構建逼真的手術場景、模擬手術過程、獲取觸覺反饋來培訓醫護人員的手術技能。與傳統醫師受訓過程不同，虛擬腹腔鏡手術可以毫無限制的重復操作，而且可以根據需要設置不同訓練難度，讓不同級別的醫護人員反復訓練。同時，可以不必擔心實驗材料、場地的限制，可以最大限度的縮短培訓周期。實施虛擬手術需要利用機械結構控制手術流程，并在手術過程中獲取觸覺反饋信息。

中國專利申請號：201410456577.3，名稱為一種用于虛擬腹腔鏡手術的裝置、方法及系統。該專利中所述裝置包括一對相對設置的機械操作桿，機械操作桿包括直桿、c形連接桿和橫桿；直桿上部為手握部分，下部連接c形連接桿，上部和下部通過第一套管連接，其中設有直線位移傳感器和第一角位移傳感器；直桿下部底端設有第二套管，第二套管內設有第二角位移傳感器；c形連接桿凹部連接直桿下部，背部通過第三套管連接橫桿，第三套管中設置有第三角位移傳感器。所述系統包括所述裝置及虛擬模塊。該腹腔鏡虛擬手術裝置雖能實現手術流程，但對于在實際手術時由于器械碰觸組織后由組織產生并傳遞給操作者的觸覺反饋卻沒有考慮，使醫師在訓練過程中缺乏相應的交互觸覺體驗，大大影響了醫師對手術真實感的把握，不利于手術醫師的訓練工作。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明提出一種用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統。

一種用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統，其包括：

機械子系統以及電氣子系統；

所述機械子系統用于實現擬腹腔鏡手術過程中的俯仰、伸縮、自轉、剪切、橫滾五自由度運動，并采集運動過程中的力反饋；

所述電氣子系統用于實現采集擬腹腔鏡手術過程中的俯仰、伸縮、自轉、剪切、橫滾五自由度運動過程的數據信息，對手術場景進行模擬，并提供將反饋力分解到各個運動自由度上去的驅動指令。

在本發明所述的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中，

所述機械子系統包括：一對相對設置的機械操作手，機械操作手包括主軸、橫板、平臺、擋板、u型連接桿、橫向軸和機箱轉動軸；

所述主軸上部連接手術器械，設有第一線輪組、第一驅動執行元件和第一信號采集元件，用以采集手術器械的剪切運動偏轉角度和執行剪切運動的力反饋；

主軸上部有橫板，下部連接平臺，其中設有第二線輪組、第二驅動執行元件、第二信號采集元件、第三驅動執行元件、第三線輪組、第三信號采集元件和主軸滑塊，上部和下部通過兩塊擋板連接；第二線輪組、第二驅動執行元件和第二信號采集元件，用以采集主軸自轉運動偏轉角度和執行自轉運動的力反饋；第三線輪組、第三驅動執行元件和第三信號采集元件，用以采集主軸伸縮運動位置數據和執行伸縮運動的力反饋；

擋板外接u型連接桿，u型連接桿外部連接橫向軸，設有第四線輪組、第四驅動執行元件和第四信號采集元件，用以采集主軸俯仰運動偏轉角度和執行俯仰運動的力反饋；

u型連接桿背部與機箱轉動軸連接，設有第五線輪組、第五驅動執行元件和第五信號采集元件，用以采集主軸橫滾運動偏轉角度和執行橫滾運動的力反饋。

在本發明所述的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中，

主軸的自轉運動角度在0度到360度之間。

在本發明所述的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中，

主軸上部和下部之間可以伸縮運動，伸縮運動距離為0～200mm之間。

在本發明所述的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中，

主軸的前后俯仰運動開合角度在0度到60度之間；主軸的左右橫滾運動開合角度在0度到60度之間。

在本發明所述的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中，

第一驅動執行元件、第二驅動執行元件、第三驅動執行元件、第四驅動執行元件、第五驅動執行元件均為直流伺服電機；

在本發明所述的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中，

第一信號采集元件、第二信號采集元件、第三信號采集元件、第四信號采集元件、第五信號采集元件均為編碼器。

在本發明所述的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中，

各線輪組均由兩個線輪組成，一個線輪與驅動執行元件軸線相連，另一個與主軸自由度運動相連，各組線輪之間的傳動形式均為鋼絲繩傳動，通過鋼絲繩纏繞在一組線輪上實現主從件間的運動和力矩傳遞。

在本發明所述的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中，

所述電氣子系統包括數據采集子模塊，圖像模擬子模塊，運算控制子模塊，驅動執行子模塊。

所述數據采集子模塊，用于采集機械子系統的第一信號采集元件、第二信號采集元件、第三信號采集元件、第四信號采集元件、第五信號采集元件的角度和位置數據，并將其傳遞給運算控制子模塊；

所述圖像模擬子模塊，實時模擬手術圖像，通過運算控制子模塊將角度和位置數據計算成對應的器械狀態數據和場景數據，實時模擬手術場景；

所述運算控制子模塊，獲取采集子模塊的角度和位置信息，確定場景中器械的空間位置，并將空間虛擬器械實時空間位姿信息傳遞給圖像模擬子模塊；根據空間位置計算該位置處虛擬器械實時的反饋力大小，將反饋力分解到各個運動自由度上去，并將各自由度上的反饋力傳遞給驅動執行子模塊；

所述驅動執行子模塊，獲取各自由度上的反饋力，將力反饋分給各驅動執行元件，使操作者感受操作過程中的反饋力作用。

實施本發明提供的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統與現有技術相比具有以下有益效果：在虛擬腹腔鏡手術中，設計了帶有力反饋功能的機械子系統和電氣子系統，能夠實時獲取五個自由度的運動姿態，且驅動執行速度快，可靠性高，魯棒性好。同時，還能夠使醫師在手術操作時感受到由場景中虛擬組織傳遞給的反饋力，增加手術操作真實感。

附圖說明

圖1是本發明實施例的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中機械子系統的示意圖；

圖2是本發明實施例的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中電氣子系統的示意圖；

在附圖1中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1為第一驅動執行元件；2為第三線輪組；3為第二驅動執行元件；4為第四驅動執行元件；5為第四線輪組；6為橫向軸；7為擋板；8為平臺；9為u型連接桿；10為主軸滑塊；11為機箱轉動軸；12為第五線輪組；13為第五驅動執行元件；14為第三驅動執行元件；15為橫板；16為第二線輪組；17為主軸；18為第一線輪組；19為手術器械。

具體實施方式

如圖1所示，為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。

本發明提供的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統中機械子系統，包括一對相對設置的機械操作手，所述機械操作手包括主軸17、橫板15、平臺8、擋板7、u型連接桿9、橫向軸6和機箱轉動軸11。

所述主軸17上部連接手術器械19，設有第一線輪組18、第一驅動執行元件1和第一信號采集元件，用以采集手術器械的剪切運動偏轉角度和執行剪切運動的力反饋；主軸上部有橫板15，下部連接平臺8，其中設有第二線輪組16、第二驅動執行元件3、第二信號采集元件、第三驅動執行元件14、第三線輪組2、第三信號采集元件和主軸滑塊10，上部和下部通過兩塊擋板7連接；第二線輪、第二驅動執行元件3和第二信號采集元件，第二信號采集元件用以采集主軸自轉運動偏轉角度和第二驅動執行元件3用于執行自轉運動的力反饋；第三線輪、第三驅動執行元件和第三信號采集元件，第三信號采集元件用以采集主軸伸縮運動位置數據和第三驅動執行元件14用于執行伸縮運動的力反饋；擋板外接u型連接桿9，u型連接桿外部連接橫向軸6，設有第四線輪組5、第四驅動執行元件4和第四信號采集元件，第四信號采集元件用以采集主軸俯仰運動偏轉角度和第四驅動執行元件4用于執行俯仰運動的力反饋；u型連接桿背部與機箱轉動軸11連接，設有第五線輪組12、第五驅動執行元件13和第五信號采集元件，第五信號采集元件用以采集主軸橫滾運動偏轉角度和第五驅動執行元件13用于執行橫滾運動的力反饋。

優選地，所述機械子系統，手術器械的剪切運動開合角度在-20度到20度之間。所述五個驅動執行元件均為直流伺服電機，型號maxonre40148877；所述五個信號采集元件均為編碼器，型號是500線heds55型。

如圖2所示，本發明提供的用于虛擬腹腔鏡手術的力反饋系統，包括所述的用于腹腔鏡虛擬手術的電氣子系統，所述電氣子系統包括數據采集子模塊20，圖像模擬子模塊23，運算控制子模塊21，驅動執行子模塊22。

所述數據采集子模塊，用于采集虛擬腹腔鏡手術力反饋裝置的第一至第五信號采集元件的角度和位置數據，并將其傳遞給運算控制子模塊。

所述圖像模擬子模塊，實時模擬手術圖像，通過運算控制子模塊將角度和位置數據計算成對應的器械狀態數據和場景數據，實時模擬手術場景。

所述運算控制子模塊，獲取采集子模塊的角度和位置信息，確定場景中器械的空間位置，并將空間虛擬器械實時空間位姿信息傳遞給圖像模擬子模塊；根據空間位置計算空間位置處虛擬器械實時的反饋力大小，將反饋力分解到各個運動自由度上去，并將各自由度上的反饋力傳遞給驅動執行子模塊；

所述驅動執行子模塊，獲取各自由度上的反饋力，將力反饋分給各驅動執行元件，使操作者感受操作過程中的反饋力作用。

以下為實施例：

實施例1

一種用于腹腔鏡虛擬手術的力反饋機械子系統，包括一對相對設置的機械操作手。如圖1所示，所述機械操作手包括主軸17、橫板15、平臺8、擋板7、u型連接桿9、橫向軸6和機箱轉動軸11。

所述主軸17上部連接手術器械19，設有第一線輪組18、第一驅動執行元件1和第一信號采集元件，用以采集手術器械的剪切運動偏轉角度和執行剪切運動的力反饋；主軸上部有橫板15，下部連接平臺8，其中設有第二線輪組16、第二驅動執行元件3、第二信號采集元件、第三驅動執行元件14、第三線輪組2、第三信號采集元件和主軸滑塊10，上部和下部通過兩塊擋板7連接；第二線輪、第二驅動執行元件和第二信號采集元件，用以采集主軸自轉運動偏轉角度和執行自轉運動的力反饋；第三線輪組、第三驅動執行元件和第三信號采集元件，用以采集主軸伸縮運動位置數據和執行伸縮運動的力反饋；擋板外接u型連接桿9，u型連接桿外部連接橫向軸6，設有第四線輪組5、第四驅動執行元件4和第四信號采集元件，用以采集主軸俯仰運動偏轉角度和執行俯仰運動的力反饋；u型連接桿背部與機箱轉動軸11連接，設有第五線輪組12、第五驅動執行元件13和第五信號采集元件，用以采集主軸橫滾運動偏轉角度和執行橫滾運動的力反饋。

實施例2

一種用于腹腔鏡虛擬手術的力反饋系統，包括所述的用于腹腔鏡虛擬手術的電氣子系統，所述電氣子系統包括數據采集子模塊20，圖像模擬子模塊23，運算控制子模塊21，驅動執行子模塊22；

所述數據采集子模塊20，用于采集虛擬腹腔鏡手術力反饋裝置的第一至第五信號采集元件的角度和位置數據。所述數據采集子模塊，使用stm32作為控制核心，獲取機械手第一至第五信號采集元件的脈沖信號，并轉化為角度和位置數據，將其傳遞給運算控制子模塊。

所述圖像模擬子模塊23，包括上位機和顯示器。所述上位機用于實時模擬手術圖像，通過運算控制子模塊將角度和位置數據計算成對應的器械狀態數據和場景數據，實時模擬手術場景。所述顯示器用于實時顯示手術場景。所述上位機和顯示器通過信號線相連，傳遞圖像信號。

所述運算控制子模塊21，獲取采集子模塊的角度和位置信息，確定場景中器械的空間位置，并將空間虛擬器械實時空間位姿信息傳遞給圖像模擬子模塊；根據空間位置計算空間位置處虛擬器械實時的反饋力大小，將反饋力分解到各個運動自由度上去，并將各自由度上的反饋力傳遞給驅動執行子模塊；

所述驅動執行子模塊22，采用stm32作為控制核心，串口接收各自由度上的反饋力，轉變為電流信號，存儲在dma模塊中，再利用can總線模塊將不同自由度的電流信號施加在相對應的驅動元件上，驅動元件產生對應大小的力矩，讓操作者在操作過程中感受反饋力作用。

實施例3

各自由度力反饋實現過程如下：

操作者握住手術器械19做剪切運動時，帶動第一線輪組18旋轉，通過線輪與第一驅動執行元件1的連接關系帶動第一驅動執行元件軸線的旋轉；

操作者握住手術器械19繞機械手主軸17做自轉運動時，帶動第二線輪組16旋轉，第二線輪組又與第二驅動執行元件3連接，帶動第二驅動執行元件旋轉；

操作者握住手術器械19沿機械手主軸17做上下伸縮運動時，帶動主軸滑塊10上下運動，主軸滑塊與第三線輪組2通過鋼絲繩緊定連接，帶動第三線輪組旋轉，并帶動第三驅動執行元件14旋轉；

操作者握住手術器械19繞橫向軸6做前后俯仰運動時，帶動第四線輪組5旋轉，第四線輪組又與第四驅動執行元件4連接，帶動第四驅動執行元件旋轉；

操作者握住手術器械19繞機箱轉動軸11做左右橫滾運動時，帶動第五線輪組12旋轉，第五線輪組又與第五驅動執行元件13連接，帶動第五驅動執行元件旋轉；

五個驅動執行元件的軸運動時，對應的五個數據采集元件將測量出剪切運動的開合角度、自轉運動的旋轉角度、伸縮運動的運動距離、俯仰運動和橫滾運動的旋轉角度；再經由運算控制子模塊21計算反饋力大小，驅動執行子模塊22將不同自由度的電流信號施加在相對應的驅動元件上；最終使驅動執行元件產生與運動方向相反的力矩，實現五自由度的力反饋功能。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。