專利名稱：生物軟組織力反饋觸覺建模的測試系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種觸覺建模的測試系統(tǒng)，尤其涉及一種生物軟組織力反饋觸覺建模的測試 系統(tǒng)。
背景技術：
生物軟組織建模不僅要使用幾何特性建立幾何模型，而且還要利用軟組織的生物力學 特性建立它的動力學模型。在虛擬手術仿真中這兩種模型分別在視覺上和觸覺上產(chǎn)生一種 逼真的感覺。此外在機器人輔助的微創(chuàng)手術系統(tǒng)中軟組織作為手術器械的作業(yè)環(huán)境也倍受 關注，由于醫(yī)生在利用微創(chuàng)手術機器人進行手術時因為失去了開腔手術時的立體視覺感受， 所以就必須利用手術器械的力反饋信息來增加手術的可操作性。
目前對生物軟組織動力學建模方法主要是兩種方法①質(zhì)量-阻尼-彈簧模型；②有限元 模型。通常將軟組織的物理模型分為線彈性模型、非線性模型和粘彈性模型?；谏鲜鑫?理模型的計算模型主要有彈簧一質(zhì)點模型和有限元模型。有限元方法(FEM)已經(jīng)較多地應用 于物體的形變建模。有限元模型精確度和穩(wěn)定性較高，但實施困難、計算機效率較低。質(zhì)量 _阻尼一彈簧體模型實施簡單、計算復雜度較低，且對于軟組織拓撲結構變化的適應能力較 好，被較多地用于軟組織的變形、切割、縫合等虛擬手術仿真、人體肌肉等彈性物體變形建 模仿真等。近年來通過對組織與安裝有傳感器的手術器械交互時的特性進行直接測量建模的 方法引起了國內(nèi)外學者較大的研究興趣。國外針對肝臟切割過程中手術刀受力進行測量及初 步的分析，但是并沒有考慮組織的動態(tài)行為及切割深度與切割力的關系；還有針對手術穿刺 針及手術剪與軟組織的穿刺力及剪切力進行了測量并建模；在國內(nèi)，中國科學院自動化研究 所針對生物組織切割過程建立了利用手術刀切割的軟組織的力反饋觸覺模型。天津大學針對 軟組織彈性模型得出不同軟組織的力與形變的曲線，對于微創(chuàng)手術以及手術前的觸診都有重 要的作用。目前這些研究普遍存在的缺點l)只針對某一特定的軟組織開展的，沒有普遍性; 2)沒有建立生物軟組織力反饋觸覺模型的數(shù)據(jù)庫。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的缺陷提出一種生物軟組織力反饋觸覺建模 的測試系統(tǒng)。
本發(fā)明生物軟組織力反饋觸覺建模的測試系統(tǒng)，包括單自由度機械手、控制電路、電源和作業(yè)環(huán)境支架，其中單自由度機械手包括機械臂，力矩電機，位置傳感器，力傳感器， 電機支撐盤，底盤，手術針及其夾具，控制電路包括力調(diào)理放大電路、位置信號調(diào)理電路、 數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)存儲顯示計算機、觸覺建模計算機、串口電路、單片機及其外圍電路和 電機驅(qū)動電路；其中力矩電機固定于電機支撐盤之間，位置傳感器裝設于力矩電機的轉軸 下部，電機支撐盤的下部與底盤固定，機械臂的一端與電機支撐盤的上部固定，力傳感器 固定于機械臂的另一端，手術針及其夾具與機械臂的另一端的頂部固定；力傳感器的輸出 端與力調(diào)理放大電路的輸入端連接，力調(diào)理放大電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的一個輸入端 連接，位置傳感器的輸出端與位置信號調(diào)理電路的輸入端連接，位置信號調(diào)理電路的輸出 端與數(shù)據(jù)采集卡的另一個輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端分別與數(shù)據(jù)存儲顯示計算機的 輸入端、觸覺建模計算機的輸入端連接，觸覺建模計算機依次串接串口電路和單片機及其 外圍電路后經(jīng)電機驅(qū)動電路與力矩電機的輸入端連接；所述作業(yè)環(huán)境支架由支架和盒子組 成；電源分別與單自由度機械手、控制電路電連接。
本發(fā)明生物軟組織力反饋觸覺建模的測試系統(tǒng)，測試范圍廣，建立了生物軟組織力 反饋觸覺模型的數(shù)據(jù)庫，測試速度快，精度高。


圖l是本發(fā)明系統(tǒng)框圖2是本發(fā)明單自由度機械手機械臂結構示意圖； 圖3是本發(fā)明作業(yè)環(huán)境支架示意圖； 圖4 (a)是本發(fā)明作業(yè)環(huán)境盒子底座示意圖； (b)是本發(fā)明作業(yè)環(huán)境盒子容器示意圖； 圖5是本發(fā)明力調(diào)理放大電路原理圖； 圖6是本發(fā)明位置信號調(diào)理電路原理圖； 圖7是本發(fā)明電機驅(qū)動電路原理圖； 圖8是本發(fā)明單片機處理電路模塊電路圖； 圖9是電源電路原理圖。
具體實施例方式
如圖1至圖4所示。生物軟組織力反饋觸覺建模的測試系統(tǒng)，包括單自由度機械手、 控制電路、電源和作業(yè)環(huán)境支架，其中單自由度機械手包括機械臂l，力矩電機2，位置傳 感器3，力傳感器4，電機支撐盤5，底盤6，手術針及其夾具7，控制電路包括力調(diào)理放大 電路8、位置信號調(diào)理電路9、數(shù)據(jù)采集卡10、數(shù)據(jù)存儲顯示計算機ll、觸覺建模計算機 12、串口電路13、單片機及其外圍電路14和電機驅(qū)動電路15;其中力矩電機2固定于電機支撐盤5之間，位置傳感器3裝設于力矩電機2的轉軸下部，電機支撐盤5的下部與底 盤6固定，機械臂1的一端與電機支撐盤5的上部固定，力傳感器4固定于機械臂1的另 一端，手術針及其夾具7與機械臂1的另一端的頂部固定；力傳感器4的輸出端與力調(diào)理 放大電路8的輸入端連接，力調(diào)理放大電路8的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡10的一個輸入端連接， 位置傳感器3的輸出端與位置信號調(diào)理電路9的輸入端連接，位置信號調(diào)理電路9的輸出 端與數(shù)據(jù)采集卡10的另一個輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡10的輸出端分別與數(shù)據(jù)存儲顯示計 算機11的輸入端、觸覺建模計算機12的輸入端連接，觸覺建模計算機12依次串接串口電 路13和單片機及其外圍電路14后與力矩電機2的輸入端連接；所述作業(yè)環(huán)境支架由支架 和盒子組成。
如圖5所示。所述力調(diào)理放大電路8包括力傳感器接口 Jl、第一運算放大器A1、第二 運算放大器A2、可變電阻Rpl、五個電阻即第一電阻R1至第五電阻R5、第一電容C1和 第二電容C2;其中力傳感器接口 Jl的1腳、2腳、3腳、4腳分別與力傳感器4的輸出端 連接，力傳感器接口 Jl的1腳接電源的輸出端，力傳感器接口 Jl的2腳接地，力傳感器接 口 Jl的3腳接第一運算放大器Al的負輸入端2腳，力傳感器接口 Jl的4腳接第一運算放 大器A1的正輸入端3腳，第一運算放大器A1的l腳分別接可變電阻Rpl的一端和中間端， 可變電阻Rpl的另一端串聯(lián)第一電阻Rl后接第一運算放大器Al的8腳，第一運算放大器 Al的4腳、7腳分別接電源的輸出端，第一運算放大器A1的5腳接模擬地，第一運算放 大器A1的輸出端6腳串聯(lián)第二電阻R2后分別接第三電阻R3的一端、第四電阻R4的一端， 第四電阻R4的另一端接模擬地，第三電阻R3的另一端串聯(lián)第五電阻R5后分別接第二運 算放大器A2的正輸入端3腳、第一電容C1的一端，第一電容C1的另一端接模擬地，第 三電阻R3的另一端串聯(lián)第二電容C2后分別接數(shù)據(jù)采集卡10的輸入端、第二運算放大器 A2的輸出端6腳和負輸入端2腳，第二運算放大器A2的4腳、7腳分別接電源的輸出端。
如圖6所示。所述位置信號調(diào)理電路9包括第三運算放大器A3、第四運算放大器A4、 五個電阻即第六電阻R6至第十電阻R10、第一電解電容C3、第四電容C4、第五電容C5、 第六電容C6、并聯(lián)穩(wěn)壓二極管D、位置傳感器接口 J2;其中并聯(lián)穩(wěn)壓二極管D1的陽極分 別接第六電阻R6的一端、第一電解電容C3的負輸入端、第四電容C4的一端、第七電阻 R7的一端，第一電解電容C3的正輸入端分別與并聯(lián)穩(wěn)壓二極管Dl的陰極和參考極、第四 電容C4的另一端連接接模擬地，第七電阻R7的另一端分別接第三運算放大器A3的負輸 入端2腳、位置傳感器接口 J2的2腳，第三運算放大器A3的正輸入端3腳串聯(lián)第八電阻 R8后接模擬地，位置傳感器接口 J2的1腳分別接第三運算放大器A3的輸出端6腳、第九 電阻R9的一端，位置傳感器接口 J2的1腳、2腳分別接位置傳感器3的輸出端，第九電阻 R9的另一端串聯(lián)第十電阻R10后分別接第五電容C5的一端、第四運算放大器A4的正輸入端3腳，第九電阻R9的另一端串聯(lián)第六電容C6后分別接數(shù)據(jù)采集卡10的輸入端、第四 運算放大器A4的輸出端6腳和負輸入端2腳，第四運算放大器A4的4腳、7腳分別接電 源的輸出端。
如圖7、圖8所示。本發(fā)明在進行插針時將軟組織放在支架的盒子內(nèi)。計算機根據(jù)反饋 信息輸出控制指令，經(jīng)RS-232串口電路13連接到單片機及其外圍電路14的輸入端，單片機 處理輸出的信號由電動機驅(qū)動電路15處理后輸出至電動機，用于控制電機的運轉。電機的轉 動就會帶動手術針的運動，手術針就會和軟組織發(fā)生交互，計算機就會記錄下數(shù)據(jù)采集卡采 集的數(shù)據(jù)，并根據(jù)采集的數(shù)據(jù)完成軟組織的建模。
本發(fā)明為基于單自由度機械手的測量與控制的系統(tǒng)，系統(tǒng)有兩種工作方式 一是在同一 速度下針對不同軟組織進行插針，來得出手術針在運動過程中的受到的力與位置的關系，通 過在上位機計算機上設定電機的轉速，使電機在給定的轉速下轉動，電機的轉動將帶動在前 端安裝有手術針及力和位置傳感器的單自由度機械手的運動，使手術針與放在作業(yè)環(huán)境里的 不同的軟組織發(fā)生交互，計算機記錄下在交互過程中的力與位置的數(shù)據(jù)，從而得出在插針過 程中力與位置的關系，即得出不同的生物軟組織在同一速度下的力反饋觸覺模型；二是針對 同一軟組織設定不同的速度，來測量在不同的速度下進行插針時手術針受到的力數(shù)據(jù)與手術 針的位置數(shù)據(jù)，得出同一生物軟組織在不同的速度下力反饋觸覺模型。在這兩種模式中計算 機通過一定的控制算法驅(qū)動直流力矩電機，帶動機械臂的運動。運動過程中，機械臂與軟組 織之間的交互力和位置信息一方面會記錄在計算機內(nèi)， 一方面參與到控制回路中，形成反饋 控制。
如圖9所示。電源分別與單自由度機械手、控制電路電連接，給系統(tǒng)提供電源。
權利要求
1. 一種生物軟組織力反饋觸覺建模的測試系統(tǒng)，其特征在于該測試系統(tǒng)包括單自由度機械手、控制電路、電源和作業(yè)環(huán)境支架，其中單自由度機械手包括機械臂(1)，力矩電機(2)，位置傳感器(3)，力傳感器(4)，電機支撐盤(5)，底盤(6)，手術針及其夾具(7)，控制電路包括力調(diào)理放大電路(8)、位置信號調(diào)理電路(9)、數(shù)據(jù)采集卡(10)、數(shù)據(jù)存儲顯示計算機(11)、觸覺建模計算機(12)、串口電路(13)、單片機及其外圍電路(14)和電機驅(qū)動電路(15)；其中力矩電機(2)固定于電機支撐盤(5)之間，位置傳感器(3)裝設于力矩電機(2)的轉軸下部，電機支撐盤(5)下部與底盤(6)固定，機械臂(1)的一端與電機支撐盤(5)的上部固定，力傳感器(4)固定于機械臂(1)的另一端，手術針及其夾具(7)與機械臂(1)的另一端的頂部固定；力傳感器(4)的輸出端與力調(diào)理放大電路(8)的輸入端連接，力調(diào)理放大電路(8)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(10)的一個輸入端連接，位置傳感器(3)的輸出端與位置信號調(diào)理電路(9)的輸入端連接，位置信號調(diào)理電路(9)的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(10)的另一個輸入端連接，數(shù)據(jù)采集卡(10)的輸出端分別與數(shù)據(jù)存儲顯示計算機(11)的輸入端、觸覺建模計算機(12)的輸入端連接，觸覺建模計算機(12)依次串接串口電路(13)和單片機及其外圍電路(14)后經(jīng)電機驅(qū)動電路(15)與力矩電機(2)的輸入端連接；所述作業(yè)環(huán)境支架由支架和盒子組成；電源分別與單自由度機械手、控制電路電連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的生物軟組織力反饋觸覺建模的測試系統(tǒng)，其特征在于所述力 調(diào)理放大電路(8)包括力傳感器接口 (Jl)、第一運算放大器(Al)、第二運算放大器(A2)、 可變電阻(Rpl)、五個電阻即第一電阻(Rl)至第五電阻(R5)、第一電容(Cl)和第二 電容(C2);其中力傳感器接口 (Jl)的1腳、2腳、3腳、4腳分別與力傳感器(4)的輸 出端連接，力傳感器接口 (Jl)的l腳接電源的輸出端，力傳感器接口 (Jl)的2腳接地， 力傳感器接口 Ul)的3腳接第一運算放大器(Al)的負輸入端2腳，力傳感器接口 (Jl) 的4腳接第一運算放大器(Al)的正輸入端3腳，第一運算放大器(Al)的l腳分別接可 變電阻(Rpl)的一端和中間端，可變電阻(Rpl)的另一端串聯(lián)第一電阻(Rl)后接第一 運算放大器(Al)的8腳，第一運算放大器(Al)的4腳、7腳分別接電源的輸出端，第 一運算放大器(Al)的5腳接模擬地，第一運算放大器(Al)的輸出端6腳串聯(lián)第二電阻(R2)后分別接第三電阻(R3)的一端、第四電阻(R4)的一端，第四電阻(R4)的另一 端接模擬地，第三電阻(R3)的另一端串聯(lián)第五電阻(R5)后分別接第二運算放大器(A2) 的正輸入端3腳、第一電容(Cl)的一端，第一電容(Cl)的另一端接模擬地，第三電阻(R3)的另一端串聯(lián)第二電容(C2)后分別接數(shù)據(jù)采集卡(10)的輸入端、第二運算放大 器(A2)的輸出端6腳和負輸入端2腳，第二運算放大器(A2)的4腳、7腳分別接電源 的輸出端。
3.根據(jù)權利要求1所述的生物軟組織力反饋觸覺建模的測試系統(tǒng)，其特征在于所述位 置信號調(diào)理電路(9)包括第三運算放大器(A3)、第四運算放大器(A4)、五個電阻即第 六電阻(R6)至第十電阻(RIO)、第一電解電容(C3)、第四電容(C4)、第五電容(C5)、 第六電容(C6)、并聯(lián)穩(wěn)壓二極管(Dl)、位置傳感器接口 (J2);其中并聯(lián)穩(wěn)壓二極管(Dl) 的陽極分別接第六電阻(R6)的一端、第一電解電容(C3)的負輸入端、第四電容(C4) 的一端、第七電阻(R7)的一端，第一電解電容(C3)的正輸入端分別與并聯(lián)穩(wěn)壓二極管 (Dl)的陰極和參考極、第四電容(C4)的另一端連接接模擬地，第七電阻(R7)的另一 端分別接第三運算放大器(A3)的負輸入端2腳、位置傳感器接口 (J2)的2腳，第三運 算放大器(A3)的正輸入端3腳串聯(lián)第八電阻(R8)后接模擬地，位置傳感器接口 (J2) 的1腳分別接第三運算放大器(A3)的輸出端6腳、第九電阻(R9)的一端，位置傳感器 接口 (J2)的1腳、2腳分別接位置傳感器(3)的輸出端，第九電阻(R9)的另一端串聯(lián) 第十電阻(R10)后分別接第五電容(C5)的一端、第四運算放大器(A4)的正輸入端3 腳，第九電阻(R9)的另一端串聯(lián)第六電容(C6)后分別接數(shù)據(jù)采集卡(10)的輸入端、 第四運算放大器(A4)的輸出端6腳和負輸入端2腳，第四運算放大器(A4)的4腳、7 腳分別接電源的輸出端。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種生物軟組織力反饋觸覺建模的測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)包括單自由度機械手、控制電路、電源和作業(yè)環(huán)境支架，其中單自由度機械手包括機械臂，力矩電機，位置傳感器，力傳感器，電機支撐盤，底盤，手術針及其夾具，控制電路包括力調(diào)理放大電路、位置信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)據(jù)存儲顯示計算機、觸覺建模計算機、串口電路、單片機及其外圍電路和電機驅(qū)動電路，作業(yè)環(huán)境支架由支架和盒子組成。本發(fā)明測試范圍廣，建立了生物軟組織力反饋觸覺模型的數(shù)據(jù)庫，測試速度快，精度高。
文檔編號G01M99/00GK101441205SQ200810236150
公開日2009年5月27日 申請日期2008年11月17日 優(yōu)先權日2008年11月17日
發(fā)明者徐晶晶, 曾慶軍, 王秋峰, 陳孝凱, 黃巧亮 申請人:江蘇科技大學