一种6自由度力反馈虚拟手术器械.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局*CN102208150A*(12)发明专利申请(10)申请公布号CN102208150A(43)申请公布日2011.10.05(21)申请号201110122863.2(22)申请日2011.05.13(71)申请人武汉理工大学地址430070湖北省武汉市洪山区珞狮路122号(72)发明人陈定方肖锐杨艳芳贺义方李佳黎国进陈杰王丽(74)专利代理机构武汉开元知识产权代理有限公司42104代理人潘杰(51)Int.Cl.G09B23/28(2006.01)A61B17/00(2006.01)权利要求书2页说明书4页附图4页(54)发明名称一种6自由度力反馈虚拟手术器械(57)摘要本发明涉及一种6自由度力反馈虚拟手术器械，包括机械机构和控制模块，其中机械机构包括底座、回转支撑轴承、两个底板、两个支撑板、三个支承座、主轴、两个减速轮、四组拉杆、滚动轴承、两个关节连接件、齿轮组、剪刀手柄、四组执行元件，六组传感检测元件；控制模块包括角度信号采集模块、主控芯片模块、执行元件驱动模块和SCI通讯模块。本发明为实现虚拟手术中的力觉模拟，设计了力反馈器机械臂，具有多自由度、大位移空间、定位精确以及反应灵敏等优点，为虚拟手术人机交互提供了一个很好的硬件和软件平台；本发明的控制模块能够很好地实现力反馈控制，具有成本低廉、性能良好、操作简单、准确性及可靠性高、鲁棒性高等优点。CN10285ACCNN110220815002208156A权利要求书1/2页1.一种6自由度力反馈虚拟手术器械，包括机械机构和控制模块，其中机械机构包括底座、回转支撑轴承、两个底板、两个支撑板、三个支承座、主轴、两个减速轮、四组拉杆、滚动轴承、两个关节连接件、齿轮组、剪刀手柄、四组执行元件，六组传感检测元件，其特征在于：回转支撑轴承下半部分与底座固定，第一支承座与底座固定，回转支撑轴承上半部分与第一底板固定，第一底板与第二底板固定，组成回转支撑机构；两个支撑板固定在第二底板上，主轴固定在两个支撑板上，两个减速轮与主轴滚动连接，第二、三支承座与第二底板固定；第一、二拉杆下端分别与两个减速轮连接，第一、二拉杆上端分别与第一关节连接件连接；第三拉杆两端分别与第一关节连接件和第二关节连接件固定；第四拉杆一端与第二关节连接件连接，第四拉杆另一端与剪刀手柄固定；第一执行元件与第一支承座固定，第一执行元件的转动轴与第二底板连接传动；第二、三执行元件分别与第二、三支承座固定，第二、三执行元件转动轴也分别与两个减速轮连接传动；第四执行元件固定于剪刀手柄上，第四执行元件的转动轴与齿轮组配合；六组传感检测元件中，有四组传感检测元件分别与四组执行元件配合，另外两组传感检测元件固定于第二关节连接件上。2.如权利要求1所述的6自由度力反馈虚拟手术器械，其特征在于：四组执行元件为无刷直流电机。3.如权利要求1所述的6自由度力反馈虚拟手术器械，其特征在于：传感检测元件为光电式旋转编码器或电位器角度传感器。4.如权利要求1所述的6自由度力反馈虚拟手术器械，其特征在于：执行元件的转动轴与减速轮以及第一底板的传动形式为线传动。5.如权利要求1所述的6自由度力反馈虚拟手术器械，其特征在于：所述控制模块包括：角度信号采集模块：用于采集四组执行元件上传感检测元件的信号以及第二关节上传感检测元件的信号；主控芯片模块：用于对采集到的传感检测元件信号进行结算分析，将解算信号通过SCI通讯模块传送给上位机虚拟环境，并从上位机接受信号进行解算后向执行元件驱动模块传递控制信号；执行元件驱动模块：利用大功率M0SFET搭建的双H桥，集成逻辑控制单元，以及光电隔离器件，利用PWM进行电压控制，从而实现力反馈；SCI通讯模块：用于实现控制模块与上位机的互联；电源模块：提供六路独立的开关电源，其中四路电源为四组执行元件实现独立供电，保证控制模块的高效与稳定性。6.如权利要求6所述的6自由度力反馈虚拟手术器械，所述控制模块的控制方法是：201、上位机通过SCI通讯模块向虚拟手术器械发送请求信号，从控制模块中获取每个传感检测元件的信号；202、上位机对所获取的每个传感检测元件信号进行解算，得到虚拟手术器械中的执行元件和第二关节连接件的绝对参数，并在虚拟环境中进行力反馈的结算分析；203、向控制模块提供力反馈信号，通过SCI通讯模块将各自由度的力反馈控制信号传送给下位机控制器，由下位机控制器进行下一步解算分析，确定执行元件控制输出信号大小；2CCNN110220815002208156A权利要求书2/2页204、通过解算分析结果向控制模块中的执行元件驱动模块提供电压信号，从而得到力反馈输出，完成整个虚拟手术器械的控制。3CCNN110220815002208156A说明书1/4页一种6自由度力反馈虚拟手术器