一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置

摘要

本发明公开了一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，将无源的磁流变液被动力觉驱动器与有源的电机相结合，实现了有/无源混合执行器控制。T型操作杆与导轨滑块机构通过滚动轴承连接，这样T型操作杆既可以自由旋转又可以将直线方向的力传递到滑块上，同时T型操作杆可以在矩形旋转子上做直线无摩擦运动，可以将旋转力矩传递到矩形旋转子上，因此完成直线与旋转运动的耦合。利用电机和磁流变液阻尼器配合模拟骨髓针旋转与前进时受到的阻尼力和摩擦阻力，使本发明装置成为一种具有更强逼真性的骨髓穿刺虚拟手术的力觉交互装置。

主权项

一种用于实现骨髓穿刺虚拟手术的二维力觉交互装置，其特征在于：包括机械装置和控制系统；所述机械装置包括T型操作杆（2）、导轨滑块机构和矩形旋转子（7），所述T型操作杆（2）包括头部横杆和与横杆垂直的导杆，其中导杆的末端固定有握持手柄（1），头部横杆两端均内嵌有直线轴承（8），直线轴承（8）的轴向与T型操作杆（2）的导杆方向平行，矩形旋转子（7）的一组对边分别穿过两个直线轴承（8），矩形旋转子（7）另一组对边中远离导杆的一边的中心与旋转方向控制器（10）相连，所述旋转方向控制器（10）包括同轴设置的一号磁流变液阻尼器和一号角度传感器；导轨滑块机构上的导轨（6）平行于导杆方向，导轨滑块机构上的滑块（5）内嵌有滚动轴承，所述导杆穿过滚动轴承；所述滑块（5）通过曲柄连杆机构与平动方向控制器（11）相连，所述平动方向控制器（11）包括同轴设置的电机、二号磁流变液阻尼器、二号角度传感器以及固定在曲柄连杆机构的曲柄（3）上的应变片；所述控制系统包括上位机和下位机；其中下位机内设置有混合驱动算法，包括平动方向的PID闭环控制算法和旋转方向的控制算法；上位机内包括虚拟场景模块、碰撞检测模块和力反馈计算模块；所述虚拟场景模块包括虚拟骨髓针和虚拟人体并以虚拟现实3D动画模拟骨髓穿刺手术场景；所述碰撞检测模块接收下位机传递来的T型操作杆（2）的位置信号，实时判断虚拟骨髓针与虚拟人体之间的位置关系并重新渲染视觉场景；所述力反馈计算模块根据虚拟骨髓针与虚拟人体上之间的位置关系并实时计算出需要反馈的力；进行虚拟手术时，操作者旋转T型操作杆（2），矩形旋转子（7）转动，一号角度传感器检测到矩形旋转子（7）转过的角度并将角度位置信号经下位机传递给上位机，上位机计算出旋转方向的反馈力后将该力的大小传递给旋转方向的控制算法，旋转方向的控制算法根据磁流变液阻尼器的电流与阻尼力成线性关系直接控制电流输出来驱动旋转方向控制器（10）中的一号磁流变液阻尼器提供精确的旋转方向的反馈力作用到矩形旋转子（7）上；操作者推动T型操作杆（2），滑块（5）在导轨（6）上滑动并带动曲柄连杆机构旋转，二号角度传感器检测曲柄（3）的旋转角度经下位机将其转换为T型操作杆（2）在平动方向的位移信号并将平动方向的位移信号传递给上位机，上位机计算出平动方向的反馈力后将该力的大小传递给平动方向的PID闭环控制算法，同时应变片将自身测到的力传递给平动方向的PID闭环控制算法，平动方向的PID闭环控制算法根据反馈力和应变片上测到的力之间的差值计算出平动方向控制器（11）需要提供的力使得操作者手部实际受到的力等于平动方向的反馈力，平动方向控制器（11）需要提供的力通过控制电机转速和二号磁流变液阻尼器上的电流共同作用实现并最终传递到T型操作杆（2）上。