一種用于實(shí)現(xiàn)骨髓穿刺虛擬手術(shù)的二維力覺交互裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于醫(yī)療器械領(lǐng)域，特別是用于實(shí)現(xiàn)骨髓穿刺虛擬手術(shù)的二維力覺交互裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]虛擬手術(shù)訓(xùn)練中的力覺再現(xiàn)技術(shù)是非常重要的，引入力覺再現(xiàn)，可以使醫(yī)生訓(xùn)練時(shí)不僅能夠看到而且還能感覺到手術(shù)器官，醫(yī)生能夠沉浸虛擬世界，通過手和手臂的運(yùn)動，與虛擬模型和環(huán)境進(jìn)行交互，形成對虛擬模型的一個(gè)完整的認(rèn)識，并感受到與虛擬對象交互產(chǎn)生的接觸和力，如同操作真實(shí)物體一樣，無疑可使訓(xùn)練更真實(shí)、準(zhǔn)確、可靠。骨髓穿刺手術(shù)中，骨髓針一邊旋轉(zhuǎn)一邊前進(jìn)，垂直進(jìn)入穿刺部位，要嚴(yán)格控制骨髓針進(jìn)入骨髓腔的深度和角度，以免未到骨髓腔或者穿透骨髓腔，而造成提取骨髓不成功和加重患者痛苦。骨髓穿刺手術(shù)中僅受到被動阻尼力，即當(dāng)用骨髓針去穿刺骨髓時(shí)，才會有一個(gè)反作用力，不主動的作用，就不會受到作用力。
[0003]目前的力覺交互裝置主要由有源和無源兩種執(zhí)行器驅(qū)動。有源執(zhí)行器能夠主動產(chǎn)生力施加于操作者，即操作者無動作也能感受到裝置產(chǎn)生的作用力，由它驅(qū)動的力覺交互裝置也叫主動型力覺交互裝置。相反，無源為不能對操作者主動施加力，即操作者無動作時(shí)不能感受到裝置的作用力，只有動作時(shí)才能感受到裝置產(chǎn)生的反作用力。主動型力覺交互裝置作用力的產(chǎn)生和控制主要是基于電動、氣動、液壓或電磁場等有源執(zhí)行器，因此，它們普遍存在體積大、重量重、安全穩(wěn)定性差、力覺交互范圍小及保真性差的缺點(diǎn)。被動型力覺交互裝置是能量耗散的，本身具備安全穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，且體積小、重量輕，但不能主動給操作者施加力，屬于無源執(zhí)行器。
[0004]現(xiàn)有的虛擬手術(shù)中力交互裝置的力反饋驅(qū)動執(zhí)行器主要是由電機(jī)、氣動、液壓等主動型驅(qū)動設(shè)備來實(shí)現(xiàn)。研究表明，產(chǎn)生同樣大小力的主動式設(shè)備要比被動式設(shè)備的體積大得多。體積較大不易于安裝和攜帶，而且使得力反饋裝置的慣性變大。操作者操縱力反饋裝置在無約束空間自由移動時(shí)，應(yīng)能夠自由運(yùn)動，但因力反饋裝置本身慣量的存在使其受重力或慣性力作用而產(chǎn)生錯(cuò)覺，以為在操作受力虛擬物體，在操作受力虛擬物體時(shí)也易產(chǎn)生附加的重力和慣性力形成失真。
[0005]而無源驅(qū)動器顯然在骨髓穿刺虛擬手術(shù)中是不可或缺的。因?yàn)樵诠撬璐┐烫摂M手術(shù)中，骨髓針穿刺經(jīng)過皮膚、肌肉、骨骼三層不同物理特性的生物組織，其物理粘彈性各不相同，骨髓針在穿刺肌肉皮膚時(shí)既受到彈性力又受到了粘性力，其彈性力可以用電機(jī)等主動性驅(qū)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而其粘性力可以使用無源驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)。而目前的力交互裝置只提供單一有源或無源驅(qū)動器，無法真實(shí)的模擬穿刺肌肉與皮膚的觸覺力。
[0006]另外，現(xiàn)存的虛擬手術(shù)的力反饋裝置轉(zhuǎn)動慣量大，在自由空間的力覺交互中操作者操作手柄時(shí)不能夠輕松自如，裝置阻抗大。本發(fā)明采用鋁合金等輕質(zhì)材質(zhì)來減少運(yùn)動部件的質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量去除零件的冗余質(zhì)量以降低運(yùn)動慣量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]要解決的技術(shù)問題:針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種用于實(shí)現(xiàn)骨髓穿刺虛擬手術(shù)的二維力覺交互裝置，解決現(xiàn)有技術(shù)中的虛擬手術(shù)中力交互裝置體積大而笨重，并且僅有單一的驅(qū)動器類型無法準(zhǔn)確模擬骨髓穿刺手術(shù)真實(shí)感的技術(shù)問題。
[0008]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0009]一種用于實(shí)現(xiàn)骨髓穿刺虛擬手術(shù)的二維力覺交互裝置，包括機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)；
[0010]所述機(jī)械裝置包括T型操作桿、導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)和矩形旋轉(zhuǎn)子，所述T型操作桿包括頭部橫桿和與橫桿垂直的導(dǎo)桿，其中導(dǎo)桿的末端固定有握持手柄，頭部橫桿兩端均內(nèi)嵌有直線軸承，直線軸承的軸向與T型操作桿的導(dǎo)桿方向平行，矩形旋轉(zhuǎn)子的一組對邊分別穿過兩個(gè)直線軸承，矩形旋轉(zhuǎn)子另一組對邊中遠(yuǎn)離導(dǎo)桿的一邊的中心與旋轉(zhuǎn)方向控制器相連，所述旋轉(zhuǎn)方向控制器包括同軸設(shè)置的一號磁流變液阻尼器和一號角度傳感器；導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)上的導(dǎo)軌平行于導(dǎo)桿方向，導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)上的滑塊內(nèi)嵌有滾動軸承，所述導(dǎo)桿穿過滾動軸承；所述滑塊通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)與平動方向控制器相連，所述平動方向控制器包括同軸設(shè)置的電機(jī)、二號磁流變液阻尼器、二號角度傳感器以及固定在曲柄連桿機(jī)構(gòu)的曲柄上的應(yīng)變片。
[0011]所述控制系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)；其中下位機(jī)內(nèi)設(shè)置有混合驅(qū)動算法，包括平動方向的PID閉環(huán)控制算法和旋轉(zhuǎn)方向的控制算法；上位機(jī)內(nèi)包括虛擬場景模塊、碰撞檢測模塊和力反饋計(jì)算模塊；所述虛擬場景模塊包括虛擬骨髓針和虛擬人體并以虛擬現(xiàn)實(shí)3D動畫模擬骨髓穿刺手術(shù)場景；所述碰撞檢測模塊接收下位機(jī)傳遞來的T型操作桿的位置信號，實(shí)時(shí)判斷虛擬骨髓針與虛擬人體之間的位置關(guān)系并重新渲染視覺場景；所述力反饋計(jì)算模塊根據(jù)虛擬骨髓針與虛擬人體上之間的位置關(guān)系并實(shí)時(shí)計(jì)算出需要反饋的力；
[0012]進(jìn)行虛擬手術(shù)時(shí)，操作者旋轉(zhuǎn)T型操作桿，矩形旋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，一號角度傳感器檢測到矩形旋轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度并將角度位置信號經(jīng)下位機(jī)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算出旋轉(zhuǎn)方向的反饋力后將該力的大小傳遞給旋轉(zhuǎn)方向的控制算法，旋轉(zhuǎn)方向的控制算法根據(jù)磁流變液阻尼器的電流與阻尼力成線性關(guān)系直接控制電流輸出來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)方向控制器中的一號磁流變液阻尼器提供精確的旋轉(zhuǎn)方向的反饋力作用到矩形旋轉(zhuǎn)子上，操作者會感受到旋轉(zhuǎn)方向的阻力；操作者推動T型操作桿，滑塊在導(dǎo)軌上滑動并帶動曲柄連桿機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，平動方向控制器中的角度傳感器檢測曲柄的旋轉(zhuǎn)角度經(jīng)下位機(jī)將其轉(zhuǎn)換為T型操作桿在平動方向的位移信號并將平動方向位移信號傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)計(jì)算出平動方向的反饋力后將該力的大小傳遞給平動方向的PID閉環(huán)控制算法，同時(shí)應(yīng)變片將自身測到的力傳遞給平動方向的PID閉環(huán)控制算法，平動方向的PID閉環(huán)控制算法根據(jù)反饋力和應(yīng)變片上測到的力之間的差值計(jì)算出平動方向控制器需要提供的力使得操作者手部實(shí)際受到的力等于平動方向的反饋力，平動方向控制器需要提供的力通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)速和二號磁流變液阻尼器上的電流共同作用實(shí)現(xiàn)并最終傳遞到T型操作桿上，操作者會感受到平動方向的阻力；
[0013]作為優(yōu)選的，在本發(fā)明中，矩形旋轉(zhuǎn)子上穿過直線軸承的對邊均為鋁合金制成的光桿。因摩擦阻力對精度有很大影響，故利用光桿盡可能的降低阻力。
[0014]作為優(yōu)選的，在本發(fā)明中，所述T型操作桿的材料為鋁合金。
[0015]采用鋁合金等輕質(zhì)材質(zhì)來減少運(yùn)動部件的質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量去除零件的冗余質(zhì)量以降低運(yùn)動慣量，使虛擬手術(shù)中矩形旋轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量變得很小，在自由空間的力覺交互中操作者操作T型操作桿時(shí)能夠輕松自如。并且鋁合金硬度較大，提高裝置剛度。
[0016]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，矩形旋轉(zhuǎn)子通過彈性聯(lián)軸器與旋轉(zhuǎn)方向控制器相連。通過彈性聯(lián)軸器將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞到旋轉(zhuǎn)方向控制器上。
[0017]T型操作桿與矩形旋轉(zhuǎn)子通過直線軸承連接，因此T型操作桿可以在矩形旋轉(zhuǎn)子上做直線無摩擦運(yùn)動，同時(shí)可以將旋轉(zhuǎn)力矩傳遞到矩形旋轉(zhuǎn)子上，完成直線與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的耦合。同理，T型操作桿與導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)通過滾動軸承連接，這樣T型操作桿可以自由旋轉(zhuǎn)，同時(shí)可以將直線方向的力傳遞到滑塊上，完成直線與旋轉(zhuǎn)方向的耦合。
[0018]作為優(yōu)選的，在本發(fā)明中，平動方向控制算法中加入摩擦分量，所述摩擦分量根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得，所述摩擦分量通過電機(jī)旋轉(zhuǎn)作用在T型操作桿上水平方向的力與T型操作桿受到的摩擦力大小相同、方向相反。考慮到摩擦?xí)扔泻艽蟮挠绊?，在直線運(yùn)動方向通過電機(jī)帶動T型操作桿來抵消摩擦。
[0019]進(jìn)一步的，在本發(fā)明中，虛擬骨髓針在穿刺虛擬人體過程中，先后穿刺3層組織分別為皮膚層、肌肉層和骨髓層，力反饋計(jì)算模塊根據(jù)不同組織設(shè)置不同計(jì)算參數(shù)。虛擬骨髓針穿刺經(jīng)過皮膚層、肌肉層、骨髓層三層不同物理特性的生物組織，其物理粘彈性各不相同，骨髓針在穿刺肌肉皮膚時(shí)既受到彈性力又受到了粘性力，其彈性力可以用電機(jī)等主動性驅(qū)動機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，而其粘性力可以使用無源驅(qū)動器來實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明中在平動方向設(shè)置了電機(jī)與二號磁流變液阻尼器可以采用有/無源混合控制，更加逼真的模擬粘彈力共存的復(fù)合狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了以往一種驅(qū)動器無法完成的功能。
[0020]有益效果:
[0021]本發(fā)明裝置從骨髓穿刺手術(shù)的原理出發(fā)，將旋轉(zhuǎn)與直線運(yùn)動耦合，模擬骨髓針旋轉(zhuǎn)與前進(jìn)時(shí)受到的阻尼力，因?yàn)樵诠撬栳樑龅焦撬钑r(shí)僅受到被動阻尼力，因此將骨髓穿刺手術(shù)中僅受被動阻尼力的特點(diǎn)與磁流變液阻尼器可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)主動控制被動阻尼力的大小特性結(jié)合，使本發(fā)明裝置成為一種具有更強(qiáng)逼真性的骨髓穿刺虛擬手術(shù)的力覺交互裝置。
[0022]具體的，本發(fā)明將無源的磁流變液被動力覺驅(qū)動器與有源的電機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了有/無源混合執(zhí)行器控制，這樣的控制方式穩(wěn)定性好、安全性高、保真度高的力交互裝置；
[0023]本發(fā)明傳動采用直線軸承傳遞平移運(yùn)動，滾動軸承傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使虛擬手術(shù)的力反饋裝置存在傳動間隙小，力反饋的連續(xù)性效果好，減少了傳感器對設(shè)備位姿的檢測誤差，而且降低了運(yùn)動副上的摩擦力，使力傳遞更加穩(wěn)定平滑；
[0024]同時(shí)采用鋁合金等輕質(zhì)材質(zhì)來減少運(yùn)動部件的質(zhì)量，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量去除零件的冗余質(zhì)量以降低運(yùn)動慣量，使虛擬手術(shù)的力反饋裝置轉(zhuǎn)動慣量變得很小，在自由空間的力覺交互中操作者操作手柄時(shí)能夠輕松自如；
[0025]更為細(xì)致的，考慮到摩擦?xí)扔泻艽蟮挠绊懀谥本€運(yùn)動方向可以通過電機(jī)抵消這一影響，當(dāng)自由運(yùn)動的時(shí)候，可以用來抵消摩擦，使空載的時(shí)候更加自由逼真。
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明中機(jī)械裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明中控制部分的示意框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0029]如圖1所示，一種用于實(shí)現(xiàn)骨髓穿刺虛擬手術(shù)的二維力覺交互裝置，包括機(jī)械裝置和控制系統(tǒng)；
[0030]所述機(jī)械裝置包括T型操作桿2、導(dǎo)軌滑塊機(jī)構(gòu)和矩形旋轉(zhuǎn)子7