帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置制造方法
【專利摘要】本裝置含有五個空間自由度：滑塊在滑軌上的軸向移動；支撐盤在水平面上的轉動；手柄桿沿著軸線的上下移動；手柄桿豎直平面內的轉動；手柄桿繞自身軸線的轉動。操作者先調整裝置到最適宜自己操作的位置，操作時零件的轉動會傳遞給對應電機，電機將此信息傳遞給計算機，計算出相應的反饋力，并將此信息傳遞給電機，電機將此反饋力傳遞給零件，使體驗者能獲得最佳的訓練效果。本發明能根據使用者的不同及其不同的操作習慣，靈活調整手術刀和內窺鏡的位置和角度，并給出相應的反饋力，達到逼真模擬關節手術的效果，縮短了手術醫師的培訓時間，節省了培訓費用，另外，此裝置結構簡單，易于操作和維修。
【專利說明】帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置

【技術領域】
[0001]本發明專利屬于虛擬手術設備領域，涉及了力反饋技術，同時涉及一種虛擬膝關節鏡手術的裝置。

【背景技術】
[0002]虛擬手術，又稱手術仿真，是虛擬現實技術在醫學領域中的應用。虛擬現實技術通過計算機圖形學中的真實感繪制方法逼真地表現出人體器宮的解剖結構、解剖位置、物理特征以及生理特征，模擬手術過程中可能遇到的各種現象，為醫生提供一個虛擬的手術場景，同時通過交互設備，使醫生能夠感知到與虛擬器官的交互并通過與虛擬人體器官進行交互來完成手術過程的模擬。虛擬手術系統可供醫生進行手術訓練、手術計劃甚至輔助真實的手術治療。關節鏡手術開始主要應用于膝關節，20世紀初起源于日本，20世紀70年代后在美國等國家得到長足的發展。關節鏡手術器械價格昂貴，患者的手術需求較多，但是熟練使用的醫生不多，主要是關節鏡手術有很多制約因素，如醫生的視野窄，手、眼的協作受到限制，手術器械的活動范圍有限，手術操作難度高，不經過長期訓練以及經驗積累，醫生難以勝任。而目前的方法是讓被訓練者觀察有經驗的外科醫生的操作，以熟悉整個手術過程，或用其他塑料仿制品代替，受訓者無法感受到手術器械與組織之間正確的力的交互，這樣正式手術時風險很高。與快速發展的手術需求相比，缺乏熟練掌握關節鏡手術的醫生是制約關節鏡手術普及發展的一個瓶頸。如何提供一種更好的方式對關節鏡手術操作人員進行訓練與教育，以縮短知識獲取的時間和成本已經成為本領域亟待解決的問題，
基于虛擬現實技術的關節鏡手術訓練系統可以隨時隨地開展訓練，使用成本很低，無疑對于手術技術的發展與推廣具有很高的使用價值，但是當前國內的虛擬膝關節鏡手術的研究多處于軟件開發階段，硬件交互設備的發展嚴重滯后，成為此關節鏡手術虛擬訓練水平提高的一大障礙。
[0003]發明專利內容
針對上述當前虛擬關節鏡手術領域所遇到的問題，本發明專利提供一種虛擬膝關節鏡手術交互裝置，其能根據使用者不同及其不同的操作習慣，靈活調整手術刀和內窺鏡的位置和角度，同時還可以通過電機感受到一種反饋力，給人一種更加逼真的效果，可以達到逼真模擬關節手術的效果，另外，此裝置結構簡單，易于操作和維修。
[0004]本發明專利的技術方案為:帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，包括滑軌(I)、滑塊(2)、支撐柱(3)、底板(4)、支撐盤(8)、第一支撐架(10)、第二支撐架(11)、第一齒輪(14)、第二齒輪(21)、第三齒輪(23)、齒條(17)、軸承連接盤(12)、第一聯軸器(7)、第二聯軸器(13)、第三聯軸器(19)、第四聯軸器(20)、角位移傳感器(28)、第一電機(33)、第二電機(39)、第三電機(41)、第四電機(42)、第五電機(43)、第六電機(44)、第七電機(45)等組件，機構的左部分和右部分除手柄部位基本相同，其特征在于:該裝置含有5個空間自由度、7個增量式編碼器、7個電機和2個角位移傳感器，應用力反饋技術，實時捕獲操作者的動作，返還操作者相應的反饋力，滑軌(I)與滑塊(2)可以進行橫向調整。
[0005]本發明專利所述底板(4)的底面同連接盤(5)通過螺釘進行固定連接，然后連接盤(5)和第二電機(39)通過螺釘進行固定，這樣使第二電機(39)固定在底板(4)底面處，以便后面接收第一聯軸器(7)傳遞過來的轉矩。
[0006]本發明專利所述第二電機(39)軸伸入第一聯軸器(7)再通過第一聯軸器(7)外表面的螺釘周向固定在一起，第一聯軸器(7)另一端伸入支撐盤(8)的開孔得以固定，使得支撐盤(8 )的水平面轉矩可以傳遞給第一聯軸器(7 )，第一聯軸器(7 )進而將轉矩通過電機軸傳遞給第二電機(39)，第二電機(39)接收到轉動信號后將信號傳遞給增量式編碼器，并由增量式編碼器傳遞給系統進行計算，系統經過計算后反饋給增量式編碼器反饋力數據，增量式編碼器再將此數據傳遞給第二電機(39 )，第二電機(39 )以此數據產生一個反饋力，操作者因此感受到反饋力而獲得更真實的操作體驗。
[0007]本發明專利所述第三電機(41)通過螺釘固定在軸承連接盤(12)上，軸承連接盤
(12)通過螺釘固定在第一支撐架(10)上，因此第三電機(41)和軸承連接盤(12)以及第一支撐架(10)固定在一起，第三電機(41)伸出部分的電機軸伸入第二聯軸器(13)，再通過第二聯軸器(13)外表面的螺釘周向固定在一起，第二聯軸器(13)的另一側通過鍵連接和第一齒輪(14)周向固定，因此第一齒輪(14)的轉動可以通過第二聯軸器(13)傳遞給第三電機(41)。
[0008]本發明專利所述手柄桿(40)在桿的中間部位焊接固定上一個凸起塊，凸起塊的上下各有一個相同的連接塊(統稱為27)，上下兩個連接塊(27)通過螺釘固定在連接套(26)上，齒條(17)通過螺釘固定在連接套(26)的底部，因此手柄桿(40)、連接塊(27)、連接套
(26)和齒條(17)連接在一起，手柄桿(40)在豎直方向的上下移動通過凸起塊帶動連接塊
(27)，由連接塊(27)帶動連接套(26)進而帶動齒條(17)—起上下移動。
[0009]本發明專利所述手柄桿(40)末端截面有一個一字型凸起，以便與連接套(26)內部的角位移傳感器(28)的伸出軸截面剛好契合，角位移傳感器(28)因此能感受到手柄桿的周向轉動。
[0010]本發明專利所述手柄桿(40)通過鍵連接和軸(25)周向固定，在軸(25)的左側套上長套筒(24) —方面起到擋圈的作用避免齒輪左側軸向移動，一方面避免軸(25)的轉動干擾到左側聯軸器(29)的轉動，軸(25)的右側相當于聯軸器，第四電機(42)的伸出部分電機軸伸入軸(25)的截面孔內，通過軸(25)表面的螺釘固定使軸(25)和第四電機(42)達成周向固定，手柄桿(40 )在豎直方向的上下移動帶動齒條(17 )進行上下移動，進而使第三齒輪(23 )轉動，第三齒輪(23 )通過軸(25 )將轉矩傳遞給第四電機(42 )，使第四電機(42 )感受到第三齒輪(23)的轉矩，第四電機(42)接收到轉動信號后將信號傳遞給增量式編碼器，并由增量式編碼器傳遞給系統進行計算，系統經過計算后反饋給增量式編碼器反饋力數據，增量式編碼器再將此數據傳遞給第四電機(42 )，第四電機(42 )以此數據產生一個反饋力，操作者因此感受到反饋力而獲得更真實的操作體驗。
[0011]本發明專利所述手柄桿(40 )通過手柄架(31)和另兩根桿固定在一起，再通過連接板(18)和第四聯軸器(20)固定在一起，第四聯軸器(20)通過鍵連接和第二齒輪(21)達成周向固定，手柄桿(40 )在豎直平面前后轉動會帶動第四聯軸器(20 )進行轉動，第四聯軸器(20)帶動第二齒輪(21)轉動，進而將轉矩傳遞給第一齒輪(14)和第二聯軸器(13)，最終將轉矩傳遞給第三電機(41)，第三電機(41)接收到轉動信號后將信號傳遞給增量式編碼器，并由增量式編碼器傳遞給系統進行計算，系統經過計算后反饋給增量式編碼器反饋力數據，增量式編碼器再將此數據傳遞給第三電機(41)，第三電機(41)以此數據產生一個反饋力，操作者因此感受到反饋力而獲得更真實的操作體驗。
[0012]本發明專利所述夾子(34)和連接件(36)通過螺釘進行固定，夾子(35)通過螺釘固定在連接件(37)上，第一電機(33)通過螺釘固定在夾子(35)上，第一電機(33)伸出部分電機軸伸入連接件(36)孔內，通過螺釘固定使夾子(34)和第一電機(33)達成周向固定，夾子(34)轉動時帶動連接件(36)以第一電機(33)軸為中心軸進行轉動，并將轉動傳遞給第一電機(33)，第一電機(33)接收到轉動信號后將信號傳遞給增量式編碼器，并由增量式編碼器傳遞給系統進行計算，系統經過計算后反饋給增量式編碼器反饋力數據，增量式編碼器再將此數據傳遞給第一電機(33)，第一電機(33)以此數據產生一個反饋力，操作者因此感受到反饋力而獲得更真實的操作體驗。
[0013]本發明專利所述整個機構裝置右手部分可以更換刀具，當此裝置右手部分需要用刀具時，夾子(34、35)和連接件(36)以及第一電機(33)部分可以拆下，將需更換的刀具放入連接件(37)的凹槽處，通過螺釘擰緊固定，此時裝置右手部分模擬的是手術刀的操作。
[0014]本發明專利能根據使用者的不同及其不同的操作習慣，靈活調整手術刀和內窺鏡的位置和角度，同時能感受到電機傳遞來的反饋力，達到逼真模擬關節手術的效果，縮短了手術醫師的培訓時間，節省了培訓費用，另外，此裝置結構簡單，易于操作和維修。
[0015]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為本發明專利滑塊和滑軌裝配爆炸圖；
圖2為本發明專利底座處裝配爆炸圖；
圖3為本發明專利支撐架處電機、軸承連接盤、聯軸器和齒輪裝配爆炸圖；
圖4為本發明專利角位移傳感器部分裝配爆炸圖；
圖5為本發明專利中間齒輪處裝配爆炸圖；
圖6為本發明專利夾子處裝配爆炸圖；
圖7為本發明專利中間軸處裝配爆炸圖；
圖8為本發明專利支撐架處電機、聯軸器和軸承裝配爆炸圖；
圖9為本發明專利軸、聯軸器、齒輪和軸承裝配爆炸圖；
圖10為本發明專利總體結構示意圖；

【具體實施方式】
:
下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明專利做進一步的說明。
[0016]帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，包括滑軌(I)、滑塊(2)、支撐柱(3)、底板(4)、支撐盤(8)、第一支撐架(10)、第二支撐架(11)、第一齒輪(14)、第二齒輪(21)、第三齒輪(23)、齒條(17)、軸承連接盤(12)、第一聯軸器(7)、第二聯軸器(13)、第三聯軸器(19)、第四聯軸器(20)、角位移傳感器(28)、第一電機(33)、第二電機(39)、第三電機(41)、第四電機(42)、第五電機(43)、第六電機(44)、第七電機(45)等組件，機構的左部分和右部分除手柄部位基本相同，其特征在于:該裝置含有5個空間自由度、7個增量式編碼器、7個電機和2個角位移傳感器，應用力反饋技術，實時捕獲操作者的動作，返還操作者相應的反饋力，滑軌(I)與滑塊(2 )可以進行橫向調整。
[0017]如圖2所示，底板(4)的底面同連接盤(5)通過螺釘進行固定連接，然后連接盤(5)和第二電機(39)通過螺釘進行固定，這樣使第二電機(39)固定在底板(4)底面處。
[0018]所述第二電機(39)軸伸入第一聯軸器(7)再通過螺釘固定在一起，第一聯軸器
(7)另一端伸入支撐盤(8)得以固定，使得支撐盤的水平轉動可以通過聯軸器傳遞給第二電機(39)軸。
[0019]如圖3所示，第三電機(41)通過軸承連接盤(12)和螺釘固定在第一支撐架(10)上，第三電機(41)軸通過第二聯軸器(13)與第一齒輪(14)相連接，當手柄桿在豎直平面內轉動時，手柄桿的轉動通過連接板(18 )、聯軸器(20、13 )、齒輪(21、14 )、軸承連接盤(12 )把豎直方向的轉矩傳遞給第三電機(41)，電機因此通過計算機給出了相應的反饋力。
[0020]如圖4所示，手柄桿(40)在桿的中間部位焊接上一個凸起塊，使得手柄桿(40)可以同連接件(26)進行固定，豎直方向的上下移動可以通過連接件(26)傳遞給齒條(17)，以便帶動齒條(17 ) —起上下移動。
[0021]所述手柄桿(40)末端截面有一個一字型凸起，以便與角位移傳感器(28)相連接，接受手柄桿(40)的繞著自身軸向的轉動。
[0022]如圖5所示，手柄桿(40)的豎直方向上下移動帶動齒條(17)進行上下移動，從而使第三齒輪(23 )轉動，第三齒輪(23 )將轉動通過軸傳遞給第四電機(42 )，使電機能感受到手柄桿(42)的上下移動，并給出相應的反饋力。
[0023]所述手柄桿(40)的豎直方向轉動時將帶動第四聯軸器(20)傳遞轉動給第二齒輪
(21)、再通過第二齒輪(21)將轉動傳遞給第一齒輪(14)，繼而通過第一齒輪(14)和第二聯軸器(13)將轉矩傳遞給第三電機(41)軸，使第三電機(41)能感受到手柄桿(40)的豎直方向的轉矩，并給出相應的反饋力。
[0024]如圖6所示，夾子(34)通過連接件(36)與第一電機(33)軸固定在一起，夾子(34)進行豎直方向轉動帶動連接件(36)—起繞著第一電機(33)的軸線方向轉動，并將此轉動傳遞給第一電機(33)，使第一電機(33)感受到夾子(34)的豎直方向的轉矩，并給出相應的反饋力。
[0025]如圖7所示，軸(25)端面處有圓孔，此處可插入電機軸，再通過圓面上的螺紋孔通過螺釘進行固定，軸(25)中間部位有鍵槽，與第三齒輪(23)進行周向固定，軸(25)另一側與套筒(24)相套，這樣手柄桿(40)的豎直方向上下運動可通過齒條(17)帶動第三齒輪(23 )，第三齒輪(23 )通過鍵槽帶動軸(25 )進行周向轉動，并將轉矩傳遞給第四電機(42 )，第四電機(42)給出了相應的反饋力。
[0026]如圖8所示，第四電機(42)通過螺釘固定在第二支撐架(11)上，滾動軸承(22)嵌套在第二支撐架(11)內并與第三聯軸器(19 )相連，第三齒輪(23 )通過軸(25 )的鍵槽相連接，軸(25)與第四電機(42)相連接，使電機能感受到手柄桿上下的運動。
[0027]如圖9所示，第四聯軸器(20)與套筒(24)相嵌套，第二齒輪(21)通過鍵槽與第四聯軸器(20 )達成周向固定，通過連接板(18 )來接受手柄桿(40 )豎直平面的轉動，并傳遞給第三電機(41)。
[0028]所述整個機構(如圖10)左邊的部分和右邊的部分除去手柄處是對稱的。
[0029]本裝置含有五個空間自由度:滑塊在滑軌上的軸向移動；支撐盤在水平面上的轉動；手柄桿豎直方向的上下移動；手柄桿豎直平面內的轉動；手柄桿繞自身軸線的轉動。操作者先調整裝置到最適宜自己操作的位置，操作時零件的轉動會傳遞給對應電機，電機將此信息傳遞給計算機，計算出相應的反饋力，并將此信息傳遞給電機，電機將此反饋力傳遞給零件，使體驗者能獲得最佳的訓練效果。
[0030]本發明專利能根據使用者的不同及其不同的操作習慣，靈活調整手術刀和內窺鏡的位置和角度，并給出相應的反饋力，達到逼真模擬關節手術的效果，縮短了手術醫師的培訓時間，節省了培訓費用，另外，此裝置結構簡單，易于操作和維修。
【權利要求】
1.帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，包括滑軌(I)、滑塊(2)、支撐柱(3)、底板(4)、支撐盤(8)、第一支撐架(10)、第二支撐架(11)、第一齒輪(14)、第二齒輪(21)、第三齒輪(23)、齒條(17)、軸承連接盤(12)、第一聯軸器(7)、第二聯軸器(13)、第三聯軸器(19)、第四聯軸器(20)、角位移傳感器(28)、第一電機(33)、第二電機(39)、第三電機(41)、第四電機(42 )、第五電機(43 )、第六電機(44 )、第七電機(45 )等組件，機構的左部分和右部分除手柄部位基本相同，其特征在于:該裝置含有5個空間自由度、7個增量式編碼器、7個電機和2個角位移傳感器，應用力反饋技術，實時捕獲操作者的動作，返還操作者相應的反饋力，滑軌(I)與滑塊(2 )可以進行橫向調整。
2.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:底板(4)的底面同連接盤(5)通過螺釘進行固定連接，然后連接盤(5)和第二電機(39)通過螺釘進行固定，這樣使第二電機(39)固定在底板(4)底面處，以便后面接收第一聯軸器(7)傳遞過來的轉矩。
3.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:第二電機(39)軸伸入第一聯軸器(7)再通過第一聯軸器(7)外表面的螺釘周向固定在一起，第一聯軸器(7)另一端伸入支撐盤(8)的開孔得以固定，使得支撐盤(8)的水平面轉矩可以傳遞給第一聯軸器(7)，第一聯軸器(7)進而將轉矩通過電機軸傳遞給第二電機(39),第二電機(39)接收到轉動信號后將信號傳遞給增量式編碼器，并由增量式編碼器傳遞給系統進行計算，系統經過計算后反饋給增量式編碼器反饋力數據，增量式編碼器再將此數據傳遞給第二電機(39)，第二電機(39)以此數據產生一個反饋力，操作者因此感受到反饋力而獲得更真實的操作體驗。
4.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:第三電機(41)通過螺釘固定在軸承連接盤(12)上，軸承連接盤(12)通過螺釘固定在第一支撐架(10)上，因此第三電機(41)和軸承連接盤(12)以及第一支撐架(10)固定在一起，第三電機(41)伸出部分的電機軸伸入第二聯軸器(13)，再通過第二聯軸器(13)外表面的螺釘周向固定在一起，第二聯軸器(13)的另一側通過鍵連接和第一齒輪(14)周向固定，因此第一齒輪(14)的轉動可以通過第二聯軸器(13)傳遞給第三電機(41)。
5.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:手柄桿(40)在桿的中間部位焊接固定上一個凸起塊，凸起塊的上下各有一個相同的連接塊(27)，上下兩個連接塊(27)通過螺釘固定在連接套(26)上，齒條(17)通過螺釘固定在連接套(26)的底部，因此手柄桿(40)、連接塊(27)、連接套(26)和齒條(17)連接在一起，手柄桿(40)在豎直方向的上下移動通過凸起塊帶動連接塊(27)，由連接塊(27)帶動連接套(26)進而帶動齒條(17 ) —起上下移動。
6.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:手柄桿(40)末端截面有一個一字型凸起，以便與連接套(26)內部的角位移傳感器(28)的伸出軸截面剛好契合，角位移傳感器(28)因此能感受到手柄桿的轉動角度。
7.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:第三齒輪(23 )通過鍵連接和軸(25 )周向固定，在軸(25 )的左側套上長套筒(24) 一方面起到擋圈的作用避免齒輪左側軸向移動，一方面避免軸(25)的轉動干擾到左側聯軸器(29)的轉動，軸(25)的右側相當于聯軸器，第四電機(42)的伸出部分電機軸伸入軸(25)的截面孔內，通過軸(25)表面的螺釘固定使軸(25)和第四電機(42)達成周向固定，手柄桿(40)在豎直方向的上下移動帶動齒條(17 )進行上下移動，進而使第三齒輪(23 )轉動，第三齒輪(23 )通過軸(25)將轉矩傳遞給第四電機(42)，使第四電機(42)感受到第三齒輪(23)的轉矩，第四電機(42)接收到轉動信號后將轉動信號傳遞給增量式編碼器，并由增量式編碼器傳遞給系統進行計算，系統經過計算后反饋給增量式編碼器反饋力數據，增量式編碼器再將此數據傳遞給第四電機(42)，第四電機(42)以此數據產生一個反饋力，操作者因此感受到反饋里而獲得更真實的操作體驗。
8.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:手柄桿(40)通過手柄架(31)和另兩根桿固定在一起，再通過連接板(18)和聯軸器(20)固定在一起，聯軸器(20)通過鍵連接和第二齒輪(21)達成周向固定，手柄桿(40)在豎直平面前后轉動會帶動聯軸器(20 )進行轉動，聯軸器(20 )帶動第二齒輪(21)轉動，進而將轉矩傳遞給第一齒輪(14)和第二聯軸器(13)，最終將轉矩傳遞給第三電機(41 )，第三電機(41)接收到轉動信號后將信號傳遞給增量式編碼器，并由增量式編碼器傳遞給系統進行計算，系統經過計算后反饋給增量式編碼器反饋力數據，增量式編碼器再將此數據傳遞給第三電機(41)，第三電機(41)以此數據產生一個反饋力，操作者因此感受到反饋力而獲得更真實的操作體驗。
9.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:夾子(34)和連接件(36)通過螺釘進行固定，夾子(35)通過螺釘固定在連接件(37)上，第一電機(33)通過螺釘固定在夾子(35)上，第一電機(33)伸出部分電機軸伸入連接件(36)孔內，通過螺釘固定使夾子(34)和第一電機(33 )達成周向固定，夾子(34)轉動時帶動連接件(36 )以第一電機(33)軸為中心軸進行轉動,并將轉動傳遞給第一電機(33),第一電機(33)接收到轉動信號后將信號傳遞給增量式編碼器，并由增量式編碼器傳遞給系統進行計算，系統經過計算后反饋給增量式編碼器反饋力數據，增量式編碼器再將此數據傳遞給第一電機(33)，第一電機(33)以此數據產生一個反饋力，操作者因此感受到反饋力而獲得更真實的操作體驗。
10.根據權利要求1所述的帶力反饋的膝關節鏡手術訓練裝置，其特征在于:此裝置右手部分可以更換刀具，當此裝置右手部分需要用刀具時，夾子(34、35)和連接件(36)以及第一電機(33)部分可以拆下，將需更換的刀具放入連接件(37)的凹槽處，通過螺釘擰緊固定，此時裝置右手部分模擬的是手術刀的操作。
【文檔編號】G09B23/28GK104361814SQ201410713096
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月28日 優先權日:2014年11月28日
【發明者】李日福, 李晉芳, 何漢武, 謝瑜, 陳杰新 申請人:廣東工業大學