一种两自由度虚拟手术的力反馈装置.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107945603A(43)申请公布日2018.04.20(21)申请号201711115739.7(22)申请日2017.11.13(71)申请人华中科技大学鄂州工业技术研究院地址436044湖北省鄂州市梧桐湖新区凤凰大道特一号申请人华中科技大学(72)发明人刘谦郭琛琛(74)专利代理机构武汉智嘉联合知识产权代理事务所(普通合伙)42231代理人黄君军(51)Int.Cl.G09B9/00(2006.01)G09B23/28(2006.01)权利要求书1页说明书5页附图1页(54)发明名称一种两自由度虚拟手术的力反馈装置(57)摘要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。CN107945603ACN107945603A权利要求书1/1页1.一种两自由度虚拟手术的力反馈装置，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置，其特征在于，所述机械装置主轴的自转运动角度在0度到360度之间。3.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置，其特征在于，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。5.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置，其特征在于，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。6.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置，其特征在于，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。7.如权利要求1所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置，其特征在于，所述机械子系统的第二线轮组由两个线轮组成，其中一个轴线与第二驱动执行元件轴线重合，带动第二驱动执行元件运动，另一线轮的轴线与机械装置主轴轴线重合，跟随主轴完成自转运动，两线轮之间的传动形式为皮带轮传动，通过皮带轮传动实现机械装置主轴和线轮组间的自转传动和力矩传递。8.如权利要求1至7任一项所述的两自由度虚拟手术的力反馈装置，其特征在于，所述电气子系统包括数据采集模块部分，控制核心部分，驱动模块部分；核心控制部分分别与数据采集模块部分、驱动模块部分电连接；所述数据采集模块部分，用于采集机械子系统的第一信号采集元件的位置数据和第二信号采集元件的角度数据，通过数据传输协议，将其传递给控制核心部分；所述驱动模块部分，接收来自控制核心部分下传的自转和伸缩自由度上的反馈力，将反馈力施加到第一驱动执行元件、第二驱动执行元件，使操作者感受操作过程中的力反馈作用；所述控制核心部分，获取数据采集模块部分的角度和位置信息，确定场景中器械的空间位置，并将定位后的空间位姿信息实时传递给上位机，构建相应运动的图像三维场景；根据空间姿态实时计算运动合力大小，将合力按一定方法分解到自转和伸缩方向上去，对应产生各自运动方向上的反馈力，并下传给驱动模块部分。2CN107945603A说明书1/5页一种两自由度虚拟手术的力反馈装置技术领域[0001]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