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。
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；
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MOSFET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；
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。
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，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；
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。
一种6自由度力反馈虚拟手术器械
技术领域
[0001] 本发明涉及一种力反馈装置，尤其涉及一种应用于虚拟手术平台的6自由度力反馈虚拟手术器械。
背景技术
[0002] 虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让使用者如同身历其境一般，可以及时、没有限制地观察、操纵三维空间内的事物。在虚拟手术和虚拟装配的应用中，为了更好的让使用者有触觉上的感受，需要借助力反馈器平台。力反馈器一般由机械臂、传感与控制电路及上位机程序组成，是操作者与虚拟场景实时交互的重要工具。经过对现有的专利文献检索，中国专利申请号为200810037094.4，名称为《五自由度力反馈虚拟手术器械》的专利申请中使用一个五自由度的回转支撑机械装置，五个驱动执行元件，传感器采集设备手柄的位姿以及操作速度等交互系统输入信息，而驱动执行件施加各种作用力和阻尼作用给设备操作者。该装置可以模拟手术刀、手术剪，手术缝针的操作，但是缺点是装置转动惯量较大，对模拟精度和实时性有较大影响；中国专利申请号为200510027052.9，名称为《多功能虚拟手术器械》的专利申请使用直线位移和旋转位移传感器采集位移数据，通过设计带有剪刀手柄操作杆的工作台实现手术剪刀、钳夹和手术刀的虚拟操作，但该装置尚不具备力反馈功能。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种结构简单，反馈力大，实时性好的6自由度力反馈虚拟手术器械，以克服现有技术的不足。
[0004] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
[0005] 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，其特点是：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。
[0006] 上述四组执行元件为无刷直流电机。
[0007] 上述传感检测元件为光电式旋转编码器或电位器角度传感器。
[0008] 上述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。
[0009] 所述控制模块包括：
[0010] 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(可以扩展多路)；
[0011] 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；
[0012] 执行元件驱动模块：利用大功率MOSFET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；
[0013] SCI通讯模块：用于实现控制模块与上位机的互联；
[0014] 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。
[0015] 本发明取得的技术效果是：
[0016] 本发明为实现虚拟手术中的力觉模拟，自行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。
[0017] 本发明的控制模块具有以下技术效果：
[0018] 1、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；
[0019] 2、采用大功率MOSFET，执行元件驱动可以承受堵转的大电流，不需要使用力矩电机；
[0020] 3、主控芯片由DSP281x系列构成，具有良好的电机控制性能，同时具有较高的运算能力。
附图说明
[0021] 图1为本发明的底座部分的结构示意图。
[0022] 图2为图1的侧视图。
[0023] 图3为本发明拉杆的结构示意图。
[0024] 图4为本发明关节连接件的结构示意图。
[0025] 图5为本发明剪刀手柄的结构示意图。
[0026] 图6为本发明控制模块的原理框图。
[0027] 图7为本发明控制模块的控制方法流程图。
[0028] 图中：1-底座、2-回转支撑轴承、3-第一底板、4-第二底板、5-第二执行元件配合第二传感检测元件、6-第二支承座、7-第一支撑板、8-主轴、9-第一减速轮、10-第二减速轮、11-第三支承座、12-第二支撑板、13-第三执行元件配合第三传感检测元件、14-第一执行元件配合第一传感检测元件、15-第一支承座、16-第一拉杆、17-第二拉杆、18-第一关节连接件、19-第三拉杆、20-第二关节连接件、21-第五传感检测元件、22-第六传感检测元件、23-第四拉杆、24-剪刀手柄、25-齿轮组、26-第四执行元件配合第四传感检测元件。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明的进行进一步的详细说明。
[0030] 一种6自由度力反馈虚拟手术器械，它包括底座1，回转支撑轴承2，回转支撑轴承2下半部分与底座1固定，第一支承座15与底座1固定，回转支撑轴承2上半部分与第一底板3固定，第一底板3与第二底板4固定，组成回转支撑机构；第一支撑板7和第二支撑板
12固定在第二底板4上，主轴8固定在第一支撑板7和第二支撑板12上，第一减速轮9和第二减速轮10与主轴8滚动连接，第二支承座15和第三支承座11与第二底板4固定；第一拉杆16和第二拉杆17下端分别与第一减速轮9和第二减速轮10连接，第一拉杆16和第二拉杆17上端分别与第一关节连接件18连接；第三拉杆19两端分别与第一关节连接件
18和第二关节连接件20固定；第四拉杆23一端与第二关节连接件20连接，第四拉杆23另一端与剪刀手柄24固定；第一执行元件14与第一支承座15固定，第一执行元件14的转动轴与第二底板4连接传动；第二执行元件5和第三执行元件13分别与第二支承座6和第三支承座11固定，第二执行元件5和第三执行元件13的转动轴分别与两个减速轮连接传动；
第四执行元件26固定于剪刀手柄24上，第四执行元件26的转动轴与齿轮组25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与第二关节连接件上。
[0031] 本发明的工作原理是：操作者手持剪刀手柄24，拉动时能带动第一拉杆16、第二拉杆17、第三拉杆19和第四拉杆23移动，其中第四拉杆相对于第三拉杆、第三拉杆相对于第一/二拉杆，都是一个相对角度的变化。安装在第二关节连接件20上的第五传感检测元件21，能检测到第四拉杆23沿轴向转动的角度，第六传感检测元件22能检测到第三拉杆19和第四拉杆23的相对转动角度。
[0032] 当操作者手持剪刀手柄24开合时，第四执行元件配合第四传感检测元件26能检测到剪刀手柄24开合角度，并能提供力觉反馈。
[0033] 第一拉杆16和第二拉杆17转动时能带动与之相连接的第一减速轮9和第二减速轮10，减速轮通过线传动，带动第二执行元件5和第三执行元件13，通过固定在执行元件的传感检测元件，从而能对第一拉杆16和第二拉杆17进行角度检测和力觉反馈。
[0034] 当操作者拉动各拉杆，使第二底板和第一底板沿轴向转动时，第二底板通过线传动能带动第一执行元件14，通过固定在执行元件的传感检测元件，能提供角度检测和力觉反馈。
[0035] 本发明的控制模块包括：
[0036] 主控芯片模块101：由DSP281x系列构成的主控系统，运行在高主频120M下，具有良好的电机控制性能和很高的运算性能，将完成多路角度信号的采集、与上位机的互联、对六自由度的位置解算以及电机的力反馈等。
[0037] 执行元件位置信号采集模块102：为所控四路执行元件的光电编码器的信号反馈，主控芯片模块101将对采集的增量式光电编码信号进行解算分析，得到对应的执行元件位置信号。
[0038] 角度信号采集模块103：为由电位器式角度传感器的信号反馈，完成对第二关节连接件的多自由度的角度信号采集，主控芯片模块将对模拟信号进行AD采样，并进行位置解算，传递给上位机虚拟环境。
[0039] SCI通讯模块104：为SCI串口通讯电路，采用MAX3232实现电平转换，实现下位机与上位机的互联，由于主控芯片模块具有很高的解算能力，所以SCI的通讯能力具有简单实用的特点，且能够满足系统的需求。
[0040] 执行元件驱动模块105：采用IR公司的IRF3205和IR2103为主要元件，最大支持55V/110A的输出，能够支持大功率电机的驱动，具有效率极高的特点，在虚拟手术系统中能够让电机在堵转的情况下运行，大大降低了系统的功耗和成本。
[0041] 电源模块106：为控制模块的开关电源系统，其中两路为5V和12V的逻辑电源，另外4路12V开关电源为四路执行元件独立供电，使得执行元件具有很高的稳定运行能力，大幅提高系统的鲁棒特性。而且开关电源大幅提高系统的效率，降低系统的损耗，提高系统的稳定性能。
[0042] 所述控制模块的控制方法是：
[0043] 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；
[0044] 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；
[0045] 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；
[0046] 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。
[0047] 本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动而不脱离本发明的设计范围。倘若这些改动属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
