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CN112349191B - 一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构 - Google Patents

一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及医疗模拟仿真技术领域，具体涉及一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，包括静平台、第一传动支链、第二传动支链、动平台装置、工作转轴和回转螺母机构，所述静平台的左右两侧分别固定安装有第一安装基座和第二安装基座，所述第一安装基座的上部连接有所述第一传动支链，所述第一安装基座的上部连接有所述第二传动支链，所述第一传动支链的末端与所述动平台装置固定连接，所述第二传动支链的末端与所述动平台装置通过转动副转动连接。本发明巧妙利用空间几何运动的定心偏转运动特点和螺旋运动的正反转运动特点，实现了大范围三向定心旋转运动和纵向滑移运动，同时机构的结构简单且紧凑，便于制造装配。

Description

一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构
技术领域
本发明涉及医疗模拟仿真技术领域，具体涉及一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构。
背景技术
腹腔镜手术由于其创口小、手术时间短、恢复快等优点，受到越来越多的患者和医疗机构的青睐。近年来，腹腔镜手术技术及其相关设备有了很大的发展，同时对腹腔镜手术医疗工作者的需求逐年增加，这就需要在短期内培训出更多合格的腔镜手术医疗工作者，针对这一状况，腹腔镜手术模拟系统应运而生。一般腹腔镜手术模拟系统均需要力反馈系统来尽可能逼真地创建虚拟手术环境，这就要求力反馈系统尽可能简单、紧凑且具有足够的灵活性和较大的运动范围。现有腹腔镜手术虚拟模拟训练系统多采用简单的串联结构，受机械结构限制，实际活动范围较小，如在各关节处增设力矩电机等驱动结构，则会增大机构的体积和重量，质量的增加也会进一步降低操作者的力觉感受，进而影响训练效果。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，从而实现结构紧凑工作要求下的定心三转动和大范围运动。
本发明要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的，一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，包括静平台、第一传动支链、第二传动支链、动平台装置、工作转轴和回转螺母机构，所述静平台的左右两侧分别固定安装有第一安装基座和第二安装基座，所述第一安装基座的上部连接有所述第一传动支链，所述第一安装基座的上部连接有所述第二传动支链，所述第一传动支链的末端与所述动平台装置固定连接，所述第二传动支链的末端与所述动平台装置通过转动副转动连接，所述第二传动支链末端与所述动平台装置之间的转动副的回转轴线与所述动平台装置的中心轴线重合，所述动平台装置包括动平台主体，所述动平台主体的中心设有工作转轴，所述工作转轴的前后两端均设有旋合安装有所述回转螺母机构的螺纹结构，所述动平台主体的前部外侧和后部外侧分别固定安装有前端力矩电机和末端力矩电机，所述前端力矩电机和末端力矩电机均通过同步带与所述工作转轴前后两端旋合的回转螺母机构连接，所述工作转轴前后两端旋合的回转螺母机构均与所述动平台主体的前后两端分别同轴转动连接。
进一步，所述第一传动支链包括第一曲轴、第一转轴和第一短轴，所述第一曲轴的底端安装有第一转轴，所述第一曲轴通过所述第一转轴与所述第一安装基座转动连接，所述第一转轴上安装有第一力矩电机，所述第一曲轴的上端转动连接有所述第一短轴，所述第一短轴的末端与所述动平台装置固定连接；所述第二传动支链包括第二曲轴、第二转轴和第二短轴，所述第二曲轴的底端安装有第二转轴，所述第二曲轴通过所述第二转轴与所述第二安装基座转动连接，所述第二转轴上安装有第二力矩电机，所述第二曲轴的上端转动连接有所述第二短轴，所述第二短轴的末端与所述动平台装置通过转动副转动连接。
进一步，所述第一曲轴和第二曲轴的轮廓沿长度方向均呈手托形弯折走向。
进一步，所述第一转轴的转动轴线与所述第二转轴的转动轴线相交于一点，所述第一短轴的转动轴线和第二短轴的转动轴线也相交于所述第一转轴和第二转轴的两个转动轴线的上述交点上。
进一步，所述工作转轴的回转轴线通过所述第一转轴和第二转轴的两个转动轴线的交点。
进一步，所述工作转轴外接有操作器，所述操作器可操作进行的运动包括周向旋转运动和轴向滑移运动。
进一步，所述工作转轴的前后两端分别设有旋向相反的螺纹结构，所述工作转轴前后两端的螺纹结构上分别安装对应旋向的所述回转螺母机构。
进一步，所述第一传动支链和第二传动支链整体呈对称布局设置在所述静平台上部左右两侧。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
本发明巧妙利用空间几何运动的定心偏转运动特点和螺旋运动的正反转运动特点，实现了大范围三向定心旋转运动和纵向滑移运动，同时机构的结构简单且紧凑，便于制造装配；机构运动形式简单，易于反馈和控制，动态稳定好；本机构采用了并联结构，使得机构约束刚度高，运动部件质量小、使用力觉效果好且可靠性高。
附图说明
图1是本发明的纵向姿态的结构示意图；
图2是本发明的横向姿态的结构示意图；
1-静平台，11-第一安装基座，12-第二安装支座，2-第一传动支链，21-第一曲轴，22-第一转轴，221-第一力矩电机，23-第一短轴，3-第二传动支链，31-第二曲轴，32-第二转轴，321-第二力矩电机，33-第二短轴，4-动平台装置，41-动平台主体，42-前端力矩电机，43-末端力矩电机，5-工作转轴，6-回转螺母机构。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-2所示，本发明公开了一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，包括静平台1、第一传动支链2、第二传动支链3、动平台装置4、工作转轴5和回转螺母机构6，所述静平台1的左右两侧分别固定安装有第一安装基座11和第二安装基座12，所述第一安装基座11的上部连接有所述第一传动支链2，所述第一安装基座11的上部连接有所述第二传动支链3，所述第一传动支链2的末端与所述动平台装置4固定连接，所述第二传动支链3的末端与所述动平台装置4通过转动副转动连接，所述第二传动支链3末端与所述动平台装置4之间的转动副的回转轴线与所述动平台装置4的中心轴线重合，所述第一传动支链2包括第一曲轴21、第一转轴22和第一短轴23，所述第一曲轴21的底端安装有第一转轴22，所述第一曲轴21通过所述第一转轴22与所述第一安装基座11转动连接，所述第一转轴22上安装有第一力矩电机221，所述第一曲轴21的上端转动连接有所述第一短轴23，所述第一短轴23的末端与所述动平台装置4固定连接；所述第二传动支链3包括第二曲轴31、第二转轴32和第二短轴33，所述第二曲轴31的底端安装有第二转轴32，所述第二曲轴31通过所述第二转轴32与所述第二安装基座12转动连接，所述第二转轴32上安装有第二力矩电机321，所述第二曲轴31的上端转动连接有所述第二短轴33，所述第二短轴33的末端与所述动平台装置4通过转动副转动连接，所述第一传动支链2和第二传动支链3整体呈对称布局设置在所述静平台1上部左右两侧。所述动平台装置4包括动平台主体41，所述动平台主体41的中心设有工作转轴5，所述工作转轴5的前后两端均设有旋合安装有所述回转螺母机构6的螺纹结构，所述动平台主体41的前部外侧和后部外侧分别固定安装有前端力矩电机42和末端力矩电机43，所述前端力矩电机42和末端力矩电机43均通过同步带与所述工作转轴5前后两端旋合的回转螺母机构6连接，所述工作转轴5前后两端旋合的回转螺母机构6均与所述动平台主体41的前后两端分别同轴转动连接。
所述第一曲轴21和第二曲轴31的轮廓沿长度方向均呈手托形弯折走向。所述第一转轴22的转动轴线与所述第二转轴32的转动轴线相交于一点，所述第一短轴23的转动轴线和第二短轴33的转动轴线也相交于所述第一转轴22和第二转轴32的两个转动轴线的上述交点上，并且，所述工作转轴5的回转轴线通过所述第一转轴22和第二转轴32的两个转动轴线的交点。所述工作转轴5外接有操作器，所述操作器可操作进行的运动包括周向旋转运动和轴向滑移运动，所述工作转轴5的前后两端分别设有旋向相反的螺纹结构，所述工作转轴5前后两端的螺纹结构上分别安装对应旋向的所述回转螺母机构6。
具体地，本发明利用差分原理，判断所述工作转轴5的运动情况：当所述工作转轴5仅做周向旋转运动时，所述前端力矩电机42和所述末端力矩电机43同速同向转动，前端力矩电机42和所述末端力矩电机43的转速和转向与所述工作转轴5相同；当所述工作转轴5仅做轴向滑移运动时，所述前端力矩电机42和所述末端力矩电机43同速反向转动，其各自转向与所述工作转轴5的轴向滑移运动的方向有关；当所述工作转轴5同时做周向旋转运动和轴向滑移运动时，所述前端力矩电机42和所述末端力矩电机43不同速(包含不同向)转动。本发明的整体工作原理为：操作者手动操作所述动平台主体41上的操作器。一方面，所述动平台主体41转动，带动第一传动支链2和第二传动支链3联动，继而带动具体的所述第一转轴22和所述第二转轴32转动，最终将所述动平台主体41的两自由度姿态运动映射到对应第一力矩电机221和第二力矩电机321的转动上。另一方面，所述工作转轴5被操作者拖动完成周向旋转运动和轴向滑移运动，该运动传递并转化为所述前端力矩电机42和所述末端力矩电机43相互关联的旋转运动。所述工作转轴5的所有四个自由度运动均可反映在四个力矩电机上，通过电机编码器的位置读取，结合程序，实现力反馈过程，完成工作。
本发明与现有技术相比，其不同点在于：本发明首先可实现机构上动平台的远端“定心”运动；其次，该机构运动范围大，因此应用范围广；最后，该结构简单、紧凑，便于制造装配。其运动形式简单，易于反馈和控制，动态稳定好；采用了并联结构，使得机构约束刚度高，可靠性高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，其特征在于：包括静平台、第一传动支链、第二传动支链、动平台装置、工作转轴和回转螺母机构，所述静平台的左右两侧分别固定安装有第一安装基座和第二安装基座，所述第一安装基座的上部连接有所述第一传动支链，所述第一安装基座的上部连接有所述第二传动支链，所述第一传动支链的末端与所述动平台装置固定连接，所述第二传动支链的末端与所述动平台装置通过转动副转动连接，所述第二传动支链末端与所述动平台装置之间的转动副的回转轴线与所述动平台装置的中心轴线重合，所述动平台装置包括动平台主体，所述动平台主体的中心设有工作转轴，所述工作转轴的前后两端均设有旋合安装有所述回转螺母机构的螺纹结构，所述动平台主体的前部外侧和后部外侧分别固定安装有前端力矩电机和末端力矩电机，所述前端力矩电机和末端力矩电机均通过同步带与所述工作转轴前后两端旋合的回转螺母机构连接，所述工作转轴前后两端旋合的回转螺母机构均与所述动平台主体的前后两端分别同轴转动连接，所述工作转轴的单周向旋转运动状态可通过前端力矩电机和末端力矩电机的同速同向转动的各自运动参数反映，所述工作转轴的单轴向滑移运动状态可通过前端力矩电机和末端力矩电机的同速反向转动的各自运动参数反映，所述工作转轴的周向旋转运动和轴向滑移混合运动状态可通过前端力矩电机和末端力矩电机的包含不同速不同向转动的相互关联的各自运动参数反映；所述第一传动支链包括第一曲轴、第一转轴和第一短轴，所述第一曲轴的底端安装有第一转轴，所述第一曲轴通过所述第一转轴与所述第一安装基座转动连接，所述第一转轴上安装有第一力矩电机，所述第一曲轴的上端转动连接有所述第一短轴，所述第一短轴的末端与所述动平台装置固定连接，所述第二传动支链包括第二曲轴、第二转轴和第二短轴，所述第二曲轴的底端安装有第二转轴，所述第二曲轴通过所述第二转轴与所述第二安装基座转动连接，所述第二转轴上安装有第二力矩电机，所述第二曲轴的上端转动连接有所述第二短轴，所述第二短轴的末端与所述动平台装置通过转动副转动连接，所述动平台主体的两自由度姿态运动可通过带动第一转轴和第二转轴联动而将运动间接映射到对应的第一力矩电机和第二力矩电机的转动上，所述工作转轴通过第一力矩电机、第二力矩电机、前端力矩电机以及末端力矩电机的电机编码器实现四自由度运动参数读取的力反馈过程。
2.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，其特征在于：所述第一曲轴和第二曲轴的轮廓沿长度方向均呈手托形弯折走向。
3.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，其特征在于：所述第一转轴的转动轴线与所述第二转轴的转动轴线相交于一点，所述第一短轴的转动轴线和第二短轴的转动轴线也相交于所述第一转轴和第二转轴的两个转动轴线的上述交点上。
4.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，其特征在于：所述工作转轴的回转轴线通过所述第一转轴和第二转轴的两个转动轴线的交点。
5.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，其特征在于：所述工作转轴外接有操作器，所述操作器可操作进行的运动包括周向旋转运动和轴向滑移运动。
6.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，其特征在于：所述工作转轴的前后两端分别设有旋向相反的螺纹结构，所述工作转轴前后两端的螺纹结构上分别安装对应旋向的所述回转螺母机构。
7.根据权利要求1所述的一种腹腔镜手术模拟并联力反馈机构，其特征在于：所述第一传动支链和第二传动支链整体呈对称布局设置在所述静平台上部左右两侧。
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