腹腔镜手术模拟装置

1.本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种腹腔镜手术模拟装置。


背景技术：

2.现有技术中，腹腔镜手术作为一种典型的微创手术，仅需要在患者的腹部做几个小切口，然后将手术器械通过这些小切口插入患者的腹腔内便可进行手术，与传统手术相比，腹腔镜手术具有创口小、术后康复快等优势，但是由于这一类手术的操作极其复杂，需要对医生进行大量的培训。传统的腹腔镜手术训练需要借助人体或者动物模型来完成，培训成本高而且面临着伦理方面的问题，为了解决该问题，市面上现存有一些用于腹腔镜手术训练的腹腔镜手术模拟装置，但是，这些腹腔镜手术模拟装置大多无法更换手术器械，所能模拟的手术有限，通用性较低。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种腹腔镜手术模拟装置，能够更换不同的手术器械，以便于模拟不同的手术，通用性较高。
4.根据本发明的实施例的腹腔镜手术模拟装置，包括：机架，所述机架包括底板；delta并联机构，所述delta并联机构包括底座、运动平台和执行机构，所述底座设置于所述底板上，所述运动平台位于所述底座的上方，所述执行机构设置于所述底座和所述运动平台之间，所述执行机构包括三个第一伺服电机以及三条间隔设置的支链，所述支链的一端活动连接于所述底座，所述支链的另一端活动连接于所述运动平台，所述第一伺服电机设置于所述底座上，三个所述第一伺服电机一一对应地与三条所述支链传动连接，每个所述第一伺服电机的尾部均设置有第一角度检测元件；连接机构，所述连接机构包括安装座、姿态采集模块和串联机构，所述姿态采集模块设置于所述安装座上，所述串联机构设置于所述安装座和所述运动平台之间，所述串联机构包括支撑件、第一连接件、第二连接件和十字轴，所述支撑件包括第一水平板和两个间隔设置于所述第一水平板顶部的第一竖直板，所述第一水平板固定设置于所述运动平台上，所述第一连接件位于所述支撑件的上方，所述第一连接件包括第二水平板和两个间隔设置于所述第二水平板底部的第二竖直板，所述支撑件和所述第一连接件正交设置，所述十字轴的四个端部一一对应地转动连接于两个所述第一竖直板和两个所述第二竖直板，所述第二连接件位于所述第一连接件的上方，所述第二连接件包括第三水平板和设置于所述第三水平板底部的第一连接轴，所述第三水平板固定设置于所述安装座的底部，所述第一连接轴转动连接于所述第二水平板；手术器械，所述手术器械可拆卸地设置于所述安装座上；其中，所述第一伺服电机、所述第一角度检测元件和所述姿态采集模块均与外部计算机相连接。
5.根据本发明实施例的腹腔镜手术模拟装置，至少具有如下有益效果：使用时，外部计算机的主机首先通过所述第一角度检测元件采集的数据计算并获取所述手术器械的位置、通过所述姿态采集模块采集的数据计算并获取所述手术器械的姿态，从而更新外部计
算机的显示器中所显示的虚拟环境中的手术器械的位置和姿态，随后外部计算机的主机根据虚拟环境中的手术器械与虚拟器官的接触情况计算所需反馈的力矩，最后通过所述delta并联机构向所述手术器械传递所需反馈的力矩，从而模拟手术中的力觉反馈，其中，通过所述串联机构使得所述手术器械能够相对所述运动平台转动并能够相对所述运动平台前后摆动、左右摆动，能够较好地适应不同的手术器械对姿态调整的需求，同时，所述手术器械可拆卸地设置于所述安装座上，能够根据实际需求更换不同的手术器械，以便于模拟不同的手术，通用性较高。
6.根据本发明的一些实施例，所述机架还包括外框架，所述底板设置于所述外框架的内底部，所述安装座上设置有第二伺服电机，所述第二伺服电机的输出轴朝上设置，所述第二伺服电机的尾部设置有第二角度检测元件，所述第二伺服电机和所述第二角度检测元件均与外部计算机相连接，所述手术器械包括剪刀机构，所述剪刀机构包括固定手柄、活动手柄、传动机构和第一限位机构，所述活动手柄铰接于所述固定手柄，所述固定手柄的末端设置有安装部，所述安装部上设置有安装槽，所述安装部上对应所述安装槽设置有盖体，所述传动机构包括传动轴、传动绳、绕线轮和第一联轴器，所述传动轴的一端通过所述第一联轴器连接于所述第二伺服电机的输出轴，所述传动轴的另一端可转动地连接于所述安装部，所述传动轴部分位于所述安装槽内，所述绕线轮套设于所述传动轴位于所述安装槽内的部分并与所述传动轴联动，所述传动绳绕设于所述绕线轮上，所述传动绳的端部连接于所述活动手柄，以使所述活动手柄转动时能够带动所述绕线轮转动，所述传动轴位于所述安装槽外的部分套设有套管，所述套管的一端连接于所述安装部，所述套管的另一端可拆卸地连接于所述安装座，所述第一限位机构设置于所述套管和所述外框架之间，所述第一限位机构用于限制所述剪刀机构的活动范围。
7.根据本发明的一些实施例，所述第一限位机构包括支架、矩形限位框和导向筒，所述支架包括l型连接部和竖向设置于所述l型连接部上的支撑部，所述l型连接部可拆卸地设置于所述外框架的顶部，所述支架的数量为两个，两个所述支架间隔且相对设置，所述矩形限位框其中一对相对的两个侧边的外侧均设置有第二连接轴，两个所述第二连接轴的轴线共线，所述第二连接轴的轴线平行于所述十字轴其中一个轴线，两个所述第二连接轴的端部一一对应地转动连接于两个所述支撑部，所述导向筒套设于所述套管上并位于所述矩形限位框内，所述导向筒相对的两侧均设置有第三连接轴，两个所述第三连接轴的轴线共线，所述第三连接轴的轴线平行于所述十字轴另一个轴线，两个所述第三连接轴的端部一一对应地转动连接于所述矩形限位框另一对相对的两个侧边上。
8.根据本发明的一些实施例，所述剪刀机构还包括拉簧，所述拉簧设置于所述传动绳和所述活动手柄之间，所述拉簧的一端连接于所述传动绳的端部，所述拉簧的另一端连接于所述活动手柄。
9.根据本发明的一些实施例，所述安装部上可转动地设置有调节旋钮，所述调节旋钮具有伸入至所述安装槽内的传动部，所述安装槽内设置有第三角度检测元件，所述传动部上固定设置有第一传动齿轮，所述第三角度检测元件上设置有与所述第一传动齿轮啮合传动的第二传动齿轮，所述第三角度检测元件与外部计算机相连接。
10.根据本发明的一些实施例，所述第一角度检测元件和所述第二角度检测元件为磁阻编码器，所述第三角度检测元件为微型角度传感器。
11.根据本发明的一些实施例，所述手术器械还包括用于替换所述剪刀机构的穿刺针机构，所述穿刺针机构包括穿刺针、套筒、第二联轴器和第二限位机构，所述穿刺针插设于所述套筒内并与所述套筒联动，所述套筒的下端通过所述第二联轴器与所述第二伺服电机的输出轴相连，所述第二限位机构能够设置于所述套筒和所述外框架之间，所述第二限位机构的结构和所述第一限位机构的结构相同，所述第二限位机构用于限制所述穿刺针机构的活动范围。
12.根据本发明的一些实施例，还包括可拆卸的销轴，所述第二水平板上对应所述销轴设置有第一销轴孔，所述第一连接轴上对应所述销轴设置有第二销轴孔。
13.根据本发明的一些实施例，所述姿态采集模块为设置于所述安装座上的陀螺仪。
14.根据本发明的一些实施例，还包括可拆卸的支撑杆，所述底座的顶部对应所述支撑杆的下端设置有第一插接槽，所述运动平台的底部对应所述支撑杆的上端设置有第二插接槽。
15.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
16.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
17.图1是本发明实施例的腹腔镜手术模拟装置将手术器械更换为剪刀机构时的结构示意图；
18.图2是本发明实施例的连接机构的结构示意图；
19.图3是本发明实施例的连接机构的分解示意图；
20.图4是本发明实施例的剪刀机构的结构示意图；
21.图5是本发明实施例的剪刀机构隐藏盖体和第一限位机构之后的结构示意图；
22.图6是图5中所示结构的部分结构示意图；
23.图7是本发明实施例的剪刀机构的剖视示意图；
24.图8是图7中所示结构的部分结构示意图；
25.图9是本发明实施例的delta并联机构的结构示意图；
26.图10是本发明实施例的delta并联机构另一视角的结构示意图；
27.图11是本发明实施例的腹腔镜手术模拟装置将手术器械更换为穿刺针机构时的结构示意图。
28.附图标记：
29.机架100、底板110、外框架120、底座210、第一插接槽211、运动平台220、第二插接槽221、支链230、第一伺服电机240、第一角度检测元件250、安装座310、姿态采集模块320、支撑件330、第一水平板331、第一竖直板332、第一连接件340、第二水平板341、第一销轴孔3411、第二竖直板342、第二连接件350、第三水平板351、第一连接轴352、第二销轴孔3521、十字轴360、第二伺服电机400、第二角度检测元件410、固定手柄510、活动手柄520、安装部530、安装槽531、c型连接部532、盖体540、传动轴550、绕线轮560、第一联轴器570、套管580、连接座581、拉簧590、支架610、l型连接部611、支撑部612、矩形限位框620、第二连接轴621、
导向筒630、第三连接轴631、调节旋钮700、传动部710、第一传动齿轮711、第三角度检测元件800、第二传动齿轮810、穿刺针910、套筒920。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.在本发明的描述中，需要理解的是，如果涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
32.在本发明的描述中，如果出现若干、大于、小于、超过、以上、以下、以内等词，其中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
33.在本发明的描述中，如果出现第一、第二等词，只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
34.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
35.参照图1至3以及图11，根据本发明的实施例的腹腔镜手术模拟装置，包括机架100、delta并联机构、连接机构和手术器械。
36.机架100包括底板110，delta并联机构包括底座210、运动平台220和执行机构，底座210设置于底板110上，运动平台220位于底座210的上方，执行机构设置于底座210和运动平台220之间，执行机构包括三个第一伺服电机240以及三条间隔设置的支链230，支链230的一端活动连接于底座210，支链230的另一端活动连接于运动平台220，第一伺服电机240设置于底座210上，三个第一伺服电机240一一对应地与三条支链230传动连接，其中，支链230的具体结构、支链230与第一伺服电机240之间的传动结构均为本领域内的公知技术，在此不做赘述，每个第一伺服电机240的尾部均设置有第一角度检测元件250，第一角度检测元件250用于采集第一伺服电机240的输出轴的转动角度，连接机构包括安装座310、姿态采集模块320和串联机构，姿态采集模块320设置于安装座310上并用于采集安装座310的姿态，串联机构设置于安装座310和运动平台220之间，串联机构包括支撑件330、第一连接件340、第二连接件350和十字轴360，支撑件330包括第一水平板331和两个间隔设置于第一水平板331顶部的第一竖直板332，第一水平板331固定设置于运动平台220上，第一连接件340位于支撑件330的上方，第一连接件340包括第二水平板341和两个间隔设置于第二水平板341底部的第二竖直板342，支撑件330和第一连接件340正交设置，十字轴360的四个端部一一对应地转动连接于两个第一竖直板332和两个第二竖直板342，第二连接件350位于第一连接件340的上方，第二连接件350包括第三水平板351和设置于第三水平板351底部的第一连接轴352，第三水平板351固定设置于安装座310的底部，第一连接轴352转动连接于第二
水平板341，以使安装座310能够相对运动平台220转动并能够相对运动平台220前后摆动、左右摆动，手术器械可拆卸地设置于安装座310上，其中，第一伺服电机240、第一角度检测元件250和姿态采集模块320均与外部计算机相连接，具体的，第一伺服电机240、第一角度检测元件250和姿态采集模块320与外部计算机之间可以是有线连接，也可以是无线连接。
37.使用时，外部计算机的主机首先通过第一角度检测元件250采集的数据计算并获取手术器械的位置、通过姿态采集模块320采集的数据计算并获取手术器械的姿态，从而更新外部计算机的显示器中所显示的虚拟环境中的手术器械的位置和姿态，随后外部计算机的主机根据虚拟环境中的手术器械与虚拟器官的接触情况计算所需反馈的力矩，最后通过delta并联机构向手术器械传递所需反馈的力矩，从而模拟手术中的力觉反馈，其中，通过串联机构使得手术器械能够相对运动平台220转动并能够相对运动平台220前后摆动、左右摆动，能够较好地适应不同的手术器械对姿态调整的需求，同时，手术器械可拆卸地设置于安装座310上，能够根据实际需求更换不同的手术器械，以便于模拟不同的手术，通用性较高。
38.参照图1以及图4至图8，在其中的一些实施例中，机架100还包括外框架120，底板110设置于外框架120的内底部，安装座310上设置有第二伺服电机400，第二伺服电机400的输出轴朝上设置，第二伺服电机400的尾部设置有第二角度检测元件410，第二角度检测元件410用于采集第二伺服电机400的转动角度，第二伺服电机400和第二角度检测元件410均与外部计算机相连接，其中，第二伺服电机400和第二角度检测元件410与外部计算机之间可以是有线连接，也可以是无线连接，手术器械包括剪刀机构，剪刀机构包括固定手柄510、活动手柄520、传动机构和第一限位机构，活动手柄520铰接于固定手柄510，固定手柄510的末端设置有安装部530，安装部530上设置有安装槽531，安装部530上对应安装槽531设置有盖体540，传动机构包括传动轴550、传动绳(图中未示出)、绕线轮560和第一联轴器570，传动轴550的一端通过第一联轴器570连接于第二伺服电机400的输出轴，传动轴550的另一端可转动地连接于安装部530，传动轴550部分位于安装槽531内，绕线轮560套设于传动轴550位于安装槽531内的部分并与传动轴550联动，传动绳绕设于绕线轮560上，传动绳的端部连接于活动手柄520，以使活动手柄520转动时能够带动绕线轮560转动，传动轴550位于安装槽531外的部分套设有套管580，套管580的一端连接于安装部530，套管580的另一端可拆卸地连接于安装座310，具体的，套管580远离安装部530的一端设置有连接座581，连接座581通过螺钉连接于安装座310上，第一限位机构设置于套管580和外框架120之间，第一限位机构用于限制剪刀机构的活动范围，从而模拟手术剪刀在腹腔镜手术中活动范围受到小切口的限制的情景，外部计算机的主机可通过第一角度检测元件250采集的数据计算并获取剪刀机构的位置，进而更新外部计算机的显示器中所显示的虚拟环境中的手术剪刀的刀头的位置，同时，外部计算机的主机可根据虚拟环境中的手术剪刀的刀头与虚拟器官的接触情况计算所需反馈的接触力矩，随后能够通过delta并联机构向剪刀机构传递所需反馈的接触力矩，通过绳传动的方式，使得活动手柄520受力并相对固定手柄510转动时，能够带动绕线轮560转动，从而能够带动传动轴550转动，进而能够带动第二伺服电机400的输出轴转动，外部计算机的主机可通过第二角度检测元件410采集的数据计算并获取活动手柄520相对固定手柄510的开合程度，进而更新外部计算机的显示器中所显示的虚拟环境中的手术剪刀的开合程度，同时，外部计算机的主机可根据虚拟环境中的手术剪刀的情况计算所需
反馈的夹持力矩，随后能够通过第二伺服电机400向活动手柄520传递所需反馈的夹持力矩，其中，第二伺服电机400独立于手术器械，有利于减小手术器械的运动惯量和运动阻抗，从而有利于保证手术器械的灵活性。
39.参照图1、图4和图7，在其中的一些实施例中，第一限位机构包括支架610、矩形限位框620和导向筒630，支架610包括l型连接部611和竖向设置于l型连接部611上的支撑部612，l型连接部611可拆卸地设置于外框架120的顶部，具体的，l型连接部611通过螺钉连接于外框架120的顶部，支架610的数量为两个，两个支架610间隔且相对设置，矩形限位框620其中一对相对的两个侧边的外侧均设置有第二连接轴621，两个第二连接轴621的轴线共线，第二连接轴621的轴线平行于十字轴360其中一个轴线，两个第二连接轴621的端部一一对应地转动连接于两个支撑部612，导向筒630套设于套管580上并位于矩形限位框620内，导向筒630相对的两侧均设置有第三连接轴631，两个第三连接轴631的轴线共线，第三连接轴631的轴线平行于十字轴360另一个轴线，两个第三连接轴631的端部一一对应地转动连接于矩形限位框620另一对相对的两个侧边上，上述的结构能够适应剪刀机构的位置和姿态的变化，同时，通过矩形限位框620能够限制套管580前后摆动的幅度以及左右摆动的幅度，从而限制剪刀机构前后摆动的幅度以及左右摆动的幅度。
40.参照图6和图8，在其中的一些实施例中，剪刀机构还包括拉簧590，拉簧590设置于传动绳和活动手柄520之间，拉簧590的一端连接于传动绳的端部，拉簧590的另一端连接于活动手柄520，拉簧590能够为传动绳提供预紧力，从而使传动绳始终保持张紧状态。
41.参照图4至图8，在其中的一些实施例中，安装部530上可转动地设置有调节旋钮700，调节旋钮700具有伸入至安装槽531内的传动部710，安装槽531内设置有第三角度检测元件800，传动部710上固定设置有第一传动齿轮711，第三角度检测元件800上设置有与第一传动齿轮711啮合传动的第二传动齿轮810，第三角度检测元件800与外部计算机相连接，其中，第三角度检测元件800与外部计算机之间可以是有线连接，也可以是无线连接，第三角度检测元件800用于采集第二传动齿轮810的转动角度，当需要调节虚拟环境中的手术剪刀的刀头的角度时，可转动调节调节旋钮700，外部计算机的主机可通过第三角度检测元件800采集的数据计算并获取手术剪刀的刀头的角度，进而更新虚拟环境中的手术剪刀的刀头的角度。具体的，安装部530上对应调节旋钮700设置有c型连接部532，传动轴550可转动地穿设于c型连接部532，调节旋钮700可转动地套设于传动轴550上并夹置于c型连接部532内，结构更加紧凑，有利于减小剪刀机构的体积。
42.需要说明的是，在其中的一些实施例中，第一角度检测元件250和第二角度检测元件410为磁阻编码器，第三角度检测元件800为微型角度传感器。
43.参照图11，在其中的一些实施例中，手术器械还包括用于替换剪刀机构的穿刺针机构，穿刺针机构包括穿刺针910、套筒920、第二联轴器(图中未示出)和第二限位机构，穿刺针910插设于套筒920内并与套筒920联动，套筒920的下端通过第二联轴器与第二伺服电机400的输出轴相连，第二限位机构能够设置于套筒920和外框架120之间，第二限位机构的结构和第一限位机构的结构相同，第二限位机构用于限制穿刺针机构的活动范围，从而模拟穿刺针在腹腔镜手术中活动范围受到小切口的限制的情景，使用时，外部计算机的主机可根据虚拟环境中的穿刺针在穿刺的过程中所受到的挤压情况计算所需反馈的挤压力矩，随后能够通过delta并联机构向穿刺针机构传递所需反馈的挤压力矩，同时，外部计算机的
主机可根据虚拟环境中的穿刺针在穿刺的过程中所受到的摩擦力通过第二伺服电机400向穿刺针机构传递摩擦力矩。
44.参照图2和图3，在其中的一些实施例中，还包括可拆卸的销轴(图中未示出)，第二水平板341上对应销轴设置有第一销轴孔3411，第一连接轴352上对应销轴设置有第二销轴孔3521，当剪刀机构替换为穿刺针机构时，将销轴插设于第一销轴孔3411和第二销轴孔3521内，以限制安装座310相对运动平台220转动，以使穿刺针机构的转动自由度仅由第二伺服电机400提供，以便于更加精准地向剪刀机构传递摩擦力矩。
45.需要说明的是，在其中的一些实施例中，姿态采集模块320为设置于安装座310上的陀螺仪，陀螺仪可通过蓝牙与外部计算机相连接，避免了接线复杂和标定困难的弊端。
46.参照图9和图10，在其中的一些实施例中，还包括可拆卸的支撑杆(图中未示出)，底座210的顶部对应支撑杆的下端设置有第一插接槽211，运动平台220的底部对应支撑杆的上端设置有第二插接槽221，更换手术器械时，将支撑杆的下端插设于第一插接槽211内并将支撑杆的上端插设于第二插接槽221内，从而能够固定运动平台220的位置，以便于更换手术器械。
47.在本说明书的描述中，如果涉及到“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”以及“一些示例”等参考术语的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
48.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。