一种多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置

本发明涉及仿真手术训练设备，特别涉及一种多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置。

背景技术：

1、与传统的开放手术相比，腹腔镜手术具有更小的创伤、更少的出血、更短的康复期和更小的手术疼痛等优点。由于这些显著的优势，腹腔镜手术已成为现代外科手术的主要方式之一。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。然而，目前市面上的腹腔镜手术模拟系统大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，限制了训练的自由度。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，以解决上述背景技术所提及的技术问题。

2、本发明提出一种多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，包括基座台、器械连接件及仿真练习器械，所述仿真练习器械通过所述器械连接件设置于所述基座台上，所述器械连接件包括万向球、环形架及限位压板，所述环形架配合连接于所述万向球的下半球部分，所述限位压板抵触于所述万向球的上半球部分，以使所述万向球限位于所述环形架中；

3、所述仿真练习器械包括仿真手术钳，所述仿真手术钳包括钳杆以及连接所述钳杆的钳柄，所述钳杆穿插于所述万向球中；

4、其中，所述环形架和所述限位压板上设有与所述万向球表面接触的第一力反馈装置和第二力反馈装置，所述第一力反馈装置和所述第二力反馈装置用于分别获取所述万向球在不同方向上的旋转角度参数，并根据所述旋转角度参数对所述万向球施加不同方向的对抗阻力，所述万向球的内部设有第三力反馈装置，所述第三力反馈装置用于获取所述钳杆的直线位移参数，并根据所述直线位移参数对所述钳杆施加对抗阻力。

5、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述基座台包括底板以及设于所述底板上的立柱，所述立柱上设有升降组件以及连接所述升降组件的伸缩组件，所述器械连接件固定连接所述伸缩组件，所述器械连接件能够在所述升降组件的驱使下沿着所述立柱升降，或在所述伸缩组件的驱使下沿着所述立柱的垂线方向伸缩。

6、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述第一力反馈装置包括第三电机、第一摩擦杆及第一角度传感器，所述第三电机固设于所述限位压板上，所述第一摩擦杆连接所述第三电机的输出轴，所述第一摩擦杆相对所述环形架水平设置并与所述万向球的上半球表面接触，所述第一角度传感器设于所述第三电机的内部并与所述第三电机的输出轴配合；

7、所述第二力反馈装置包括第四电机、第二摩擦杆及第二角度传感器，所述第四电机固设于所述环形架上，所述第二摩擦杆连接所述第四电机的输出轴，所述第二摩擦杆相对所述立柱倾斜设置并与所述万向球的下半球表面接触，所述第二角度传感器设于所述第四电机的内部并与所述第四电机的输出轴配合。

8、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述第三力反馈装置包括第五电机、第三摩擦杆及位移传感器，所述第五电机设置于所述万向球内，所述第三摩擦杆连接所述第五电机的输出轴并与所述钳杆接触，所述位移传感器设于所述万向球内并配合所述钳杆。

9、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述立柱并排设置有两个，两个所述立柱之间间隔形成有一空隙，所述升降组件包括滑动配合连接两个所述立柱的升降架，以及用于驱使所述升降架沿着所述立柱升降的第一驱动结构，所述升降架包括上横梁和下横梁以及连接两者的连接板，所述上横梁和所述下横梁滑动设于所述立柱上；所述第一驱动结构包括第一电机、第一齿轮及第一齿条，所述第一电机设于所述下横梁对应所述空隙的位置，所述第一齿轮设于所述第一电机的输出轴，所述第一齿条设于其中一个所述立柱位于所述空隙的一侧并与所述第一齿轮相互啮合。

10、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述伸缩组件包括滑动配合连接所述连接板的伸缩架，以及用于驱使所述伸缩架沿着所述连接板伸缩的第二驱动结构，所述伸缩架包括平行设置的两个伸缩杆，以及连接两个所述伸缩杆之间的第一滑杆，所述连接板上开设有第一直线滑槽，所述第一滑杆滑动配合所述第一直线滑槽设置，使得所述伸缩杆能够沿着所述第一直线滑槽来回滑动，两个所述伸缩杆的一端固接所述环形架、另一端通过一连接块固接所述限位压板；所述第二驱动结构包括第二电机、第二齿轮和第二齿条，所述第二电机固设于所述连接板上，所述第二齿轮设于所述第二电机的输出轴上，所述第二齿条设于所述伸缩杆上并与所述第二齿轮相互啮合。

11、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述限位压板的数量为两个，两个所述限位压板之间连接有第二滑杆，所述连接板上开设有第二直线滑槽，所述第二滑杆滑动配合所述第二直线滑槽设置，使得所述限位压板能够沿着所述第二直线滑槽来回滑动。

12、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述限位压板远离所述连接块的一端为弧面。

13、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述钳柄具有可开合的两个持握臂，两个所述持握臂之间设有弹簧阻尼器。

14、进一步的，所述多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其中，所述底板的底面转动连接有一转盘，所述转盘的周缘设有涡轮，所述底板上转动设有与所述涡轮配合的蜗杆。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、1、通过采用万向球连接钳杆，使得医务人员在操控钳杆时可以在多个方向上自由旋转，这种设计可以最大程度模拟实际手术中的操作方式，克服了现有方案中的练习设备受机械结构限制而导致器械活动范围有限的问题，为医务人员提供了更加逼真的训练体验。

17、2、万向球的外部配合连接第一力反馈装置和第二力反馈装置，以根据万向球在不同方向上的旋转角度对其施加不同方向的对抗阻力，万向球的内部设有配合钳杆的第三力反馈装置，以根据钳杆的伸缩距离对其施加对抗阻力，达到模拟真实手术场景的效果，进一步提升了仿真练习体验。

技术特征：

1.一种多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，包括基座台、器械连接件及仿真练习器械，所述仿真练习器械通过所述器械连接件设置于所述基座台上，所述器械连接件包括万向球、环形架及限位压板，所述环形架配合连接于所述万向球的下半球部分，所述限位压板抵触于所述万向球的上半球部分，以使所述万向球限位于所述环形架中；

2.根据权利要求1所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述基座台包括底板以及设于所述底板上的立柱，所述立柱上设有升降组件以及连接所述升降组件的伸缩组件，所述器械连接件固定连接所述伸缩组件，所述器械连接件能够在所述升降组件的驱使下沿着所述立柱升降，或在所述伸缩组件的驱使下沿着所述立柱的垂线方向伸缩。

3.根据权利要求2所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述第一力反馈装置包括第三电机、第一摩擦杆及第一角度传感器，所述第三电机固设于所述限位压板上，所述第一摩擦杆连接所述第三电机的输出轴，所述第一摩擦杆相对所述环形架水平设置并与所述万向球的上半球表面接触，所述第一角度传感器设于所述第三电机的内部并与所述第三电机的输出轴配合；

4.根据权利要求1所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述第三力反馈装置包括第五电机、第三摩擦杆及位移传感器，所述第五电机设置于所述万向球内，所述第三摩擦杆连接所述第五电机的输出轴并与所述钳杆接触，所述位移传感器设于所述万向球内并配合所述钳杆。

5.根据权利要求2所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述立柱并排设置有两个，两个所述立柱之间间隔形成有一空隙，所述升降组件包括滑动配合连接两个所述立柱的升降架，以及用于驱使所述升降架沿着所述立柱升降的第一驱动结构，所述升降架包括上横梁和下横梁以及连接两者的连接板，所述上横梁和所述下横梁滑动设于所述立柱上；所述第一驱动结构包括第一电机、第一齿轮及第一齿条，所述第一电机设于所述下横梁对应所述空隙的位置，所述第一齿轮设于所述第一电机的输出轴，所述第一齿条设于其中一个所述立柱位于所述空隙的一侧并与所述第一齿轮相互啮合。

6.根据权利要求5所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述伸缩组件包括滑动配合连接所述连接板的伸缩架，以及用于驱使所述伸缩架沿着所述连接板伸缩的第二驱动结构，所述伸缩架包括平行设置的两个伸缩杆，以及连接两个所述伸缩杆之间的第一滑杆，所述连接板上开设有第一直线滑槽，所述第一滑杆滑动配合所述第一直线滑槽设置，使得所述伸缩杆能够沿着所述第一直线滑槽来回滑动，两个所述伸缩杆的一端固接所述环形架、另一端通过一连接块固接所述限位压板；所述第二驱动结构包括第二电机、第二齿轮和第二齿条，所述第二电机固设于所述连接板上，所述第二齿轮设于所述第二电机的输出轴上，所述第二齿条设于所述伸缩杆上并与所述第二齿轮相互啮合。

7.根据权利要求6所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述限位压板的数量为两个，两个所述限位压板之间连接有第二滑杆，所述连接板上开设有第二直线滑槽，所述第二滑杆滑动配合所述第二直线滑槽设置，使得所述限位压板能够沿着所述第二直线滑槽来回滑动。

8.根据权利要求6所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述限位压板远离所述连接块的一端为弧面。

9.根据权利要求1所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述钳柄具有可开合的两个持握臂，两个所述持握臂之间设有弹簧阻尼器。

10.根据权利要求2所述的多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，其特征在于，所述底板的底面转动连接有一转盘，所述转盘的周缘设有涡轮，所述底板上转动设有与所述涡轮配合的蜗杆。

技术总结本发明提供一种多自由度腹腔镜手术模拟力反馈装置，包括基座台、器械连接件及仿真练习器械，仿真练习器械通过器械连接件设置于基座台上，器械连接件包括万向球、环形架及限位压板，环形架配合连接于万向球的下半球部分，限位压板抵触于万向球的上半球部分，以使万向球限位于环形架中；仿真练习器械包括仿真手术钳，仿真手术钳包括钳杆以及连接钳杆的钳柄，钳杆穿插于万向球中；其中，环形架和限位压板上设有与万向球表面接触的第一力反馈装置和第二力反馈装置，万向球的内部设有第三力反馈装置。这种设计可以最大程度模拟实际手术中的操作方式，克服了现有方案中的练习设备受机械结构限制而导致器械活动范围有限的问题。技术研发人员：宁光,沈柏用,林靖生,曹青受保护的技术使用者：上海交通大学医学院附属瑞金医院技术研发日：技术公布日：2024/6/2