一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统技术方案

本实用新型专利技术属于在微创手术中用于仿真训练教学的一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真训练系统，操纵杆外圆面设计成齿条形式，操纵杆的齿条与直齿轮啮合，这使得手柄的直线运动被转换成圆周运动，与直齿轮同轴安装的前后方向圆光栅旋转编码器就可以通过读取参数，获得器械手柄的伸缩运动参数。同时，上下方向光栅编码器可获取手术器械固定板的前后运行参数，水平方向光栅编码器可获取手术器械固定板的水平旋转参数，手柄在三个自由度的运动参数均通过上述三个编码器反馈给单片机，单片机将手柄位置参数代入手术模拟场景，并在显示屏上显示出手柄在虚拟人体模型内运动，当手柄位置参数错误，单片机即控制相应的电磁刹车器刹车，使手柄产生力反馈。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于在微创手术中用于仿真训练教学的一种具有柔和力反馈的内窥 镜仿真训练系统。
技术介绍
近年来，W腹腔镜技术为代表的微创外科手术迅速兴起，许多传统手术都开始采 用微创外科技术。然而，微创手术受到视野视察范围小、术者缺乏触觉感觉、手术区域灵活 性小、人机协调困难等方面的限制。因此，要达到专业手术医生的水平，较传统手术而言需 要更长时间的学习和训练。同时，在传统的手术训练中，实习医生往往是在经验丰富的医生 演示后对人造模型、尸体、动物等对象进行练习。然而，人造模型真实感不够，尸体资源有限 且昂贵，动物活体组织及结构与人体差异较大。 继而就出现了W微创手术为藍本的模拟仿真训练系统，大多数的仿真系统中仿真 度不高，一方面因为虚拟模型不够逼真，而另一方面在于模拟操作中力的反馈真实程度。因 为在微创手术过程中，医生不仅仅是依靠视觉来判断器械和人体腔体内壁的相对位置W及 最适合的操作位置，而更多的时候是依靠手感来作为处理病灶点的一个衡量标准。所W在 传统的电机反馈中无法形象的模拟在真实人体中器械和腔体内壁交设时所产生的柔体变 形的力点，使操作者失去对手感的培养，达不到模拟培训的效果。 临床手术的学习和训练在医学教学领域一直是个难题，因为该关系到人的生命安 全，在病人身上学习和训练是绝对不可能的。动物和尸体解剖固然能起到一定的练习作用， 但毕竟和真正的临床手术有很大区别。因此，=维模拟仿真训练系统就应运而生了。但传 统的电机反馈中无法形象的模拟在真实人体中器械和腔体内壁交设时所产生的柔体变形 的力点，使操作者失去对手感的培养，达不到模拟培训的效果。本技术利用专口设计的 硬件结构，将仿真手术器械、传感器和力反馈结构有机结合起来，达到仿真模拟各种临床手 术的模拟和训练效果的系统。 本申请人曾于2013. 11. 27公开了一份专利号为化201320068523. 0的技术专 利，名为"一种力反馈内窥镜手术训练装置"，其方案采用了一种磁性力反馈控制装置，通过 驱动电路使力反馈线圈通电产生电流一定的电场，进而产生一与真实腔体内壁触感相似的 磁场，从而使得医务训练者在学习过程中真正体验到手术过程的真实手感。但在实际使用 时，发现该训练装置存在失真问题，需要操作杆通过接触腔体内壁模型后才能激发力反馈， 有一定滞后性，使得手柄运动过程缺乏真实感，同时手柄运动过程不能全程监控，手柄图像 会产生跳动、窜动等现象，严重影响了训练效果。
技术实现思路
为克服现有技术的不足之处，本技术提供一种具有柔和力反馈的内窥镜仿真 训练系统，W解决现有技术存在的技术问题。本技术所采用的技术方案是：一种具有柔 和力反馈的内窥镜仿真训练系统，该系统包括： 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屯、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 过所述转动台中屯、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；[000引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晒合；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 轮晒合；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=个大体排列成一直线的盲孔，所述 磁性轴下部安装于中屯、盲孔中，可在该中屯、盲孔中自由转动；所述中屯、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； 所述磁性轴与所述永磁铁固定圆筒依靠磁力吸附在一起，在不满足产生力反馈的 条件时，永磁铁固定圆筒与前后方向电磁刹车器的转子随磁性轴同步转动，前后方向电磁 刹车器的定子固定在手术器械固定板上的安装座上；一旦遇到满足力反馈的条件（即需要 发生力反馈）时，单片机系统会将电信号传递给前后方向电磁刹车器，电磁刹车器一般采 用电磁粉末刹车器，激磁线圈通电时形成磁场，磁粉在磁场作用下磁化，形成磁粉链，并在 固定的导磁体与转子间聚合，靠磁粉的结合力和摩擦力实现制动。激磁电流消失时磁粉处 于自由松散状态，制动作用解除。该种刹车器体积小，重量轻，激磁功率小，而且制动力矩 与转动件转速无关，便于自动控制，适用于各种机器的驱动系统。前后方向电磁刹车器锁死 后停止旋转，所述永磁铁固定圆筒也被锁死，该样本来同步旋转的磁性轴就会与两侧的永 磁体发生相对运动，手柄端就会感觉到磁性轴传递过来的因磁极分离而产生的吸力，从而 达到柔和力反馈的作用，手柄停止操作后，所述磁性轴在两侧的永磁体吸引下自动复位。 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W及水平方向光栅编码器的信号输出端连 接，用于接收=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。 操纵杆外圆面设计成齿条形式，在直线轴承的支承下自由的做往复直线运动，操 纵杆的齿条与直齿轮晒合，该使得手柄的直线运动被转换成圆周运动，与直齿轮同轴安装 的前后方向圆光栅旋转编码器就可w通过读取直齿轮圆周运动的参数，获得器械手柄的伸 缩运动参数。同时，上下方向光栅编码器可获取手术器械固定板的前后运行参数，水平方 向光栅编码器可获取手术器械固定板的水平旋转参数，手柄在=个自由度的运动参数均通 过上述=个编码器反馈给单片机，单片机将手柄位置参数代入手术模拟场景，并在显示屏 上显示出手柄在虚拟人体模型内运动，当手柄位置参数错误，接触到虚拟的人体部位，单片 机即发出控制信号，控制相应的电磁刹车器刹车，使手柄产生力反馈。上述=个光栅编码盘 采用的光栅盘均为在圆周上等分为1000个单位，精度完全可W满足仿真夹错的位移检测 需要。 有当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：曾国华，龙萍，黄强，傅强，沈爱宗，孙敬武，赵卫东，杨静，邵东升，李文，周旭，王翔，王洪，马骙，黄静波，冯重阳，
申请(专利权)人：合肥德铭电子有限公司，
类型：新型
国别省市：安徽;34