用于手術(shù)模擬系統(tǒng)的用戶接口設(shè)備的制造方法
【專利摘要】一種用于觸覺反饋內(nèi)窺鏡模擬的用戶接口，包括：器械(5)，其具有管狀構(gòu)件(8)；框架(10)；支撐裝置(11)，其相對(duì)于框架可旋轉(zhuǎn)地布置，并且布置成通過與管狀構(gòu)件的相對(duì)側(cè)摩擦接觸的兩個(gè)摩擦輪(19a、19b)沿著軸線A接納管狀構(gòu)件。該用戶接口還包括：力傳感器，其檢測(cè)在支撐裝置和框架之間的力；和控制器(9)，其布置成接收來自所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的期望的觸覺反饋和來自所述力傳感器的表示施加的力的傳感器信號(hào)，并且布置成控制致動(dòng)器以操作所述摩擦輪提供所述期望的觸覺反饋。該系統(tǒng)可以提供阻力，該阻力更接近對(duì)應(yīng)的在實(shí)際手術(shù)期間的阻力感覺，降到無阻力或甚至在器械上的拉力。
【專利說明】用于手術(shù)模擬系統(tǒng)的用戶接口設(shè)備發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明總體上涉及用于手術(shù)模擬系統(tǒng)的用戶接口設(shè)備，并且更具體地涉及用于內(nèi)窺鏡檢查的模擬器的接口。
[0002]發(fā)明背景
[0003]近年來，用于手術(shù)模擬的系統(tǒng)已經(jīng)被越來越多使用，以便給醫(yī)生培訓(xùn)各種手術(shù)程序，而避免把活的病人放在風(fēng)險(xiǎn)之中。尤其是在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域，例如腹腔鏡檢查、內(nèi)窺鏡檢查、結(jié)腸鏡檢查等，這類模擬系統(tǒng)已經(jīng)獲得明顯的公認(rèn)。在微創(chuàng)手術(shù)期間，醫(yī)生通常依賴屏幕上的圖像，而不是依賴對(duì)病人的實(shí)際觀察，并且在當(dāng)今強(qiáng)大的圖像繪制可用的情況下，此類圖像可以用很高程度的真實(shí)感來模擬。
[0004]在實(shí)際的手術(shù)期間，諸如Pentax ilO系列內(nèi)窺鏡的器械包括具有控制器的手柄、信號(hào)接口和插入管。器械的插入管通過器械的縱向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及控制器的操作來操縱進(jìn)入病人的體內(nèi)。當(dāng)插入管在內(nèi)部器官的壁內(nèi)和它們之間被操縱時(shí)，存在自然阻力。用于模擬內(nèi)窺鏡手術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)選地包括類似的接口和在使用時(shí)用于接納該接口的裝置。手柄可以包括類似于實(shí)際手術(shù)器械的控制器，該控制器通過信號(hào)接口為模擬系統(tǒng)提供輸入，所述模擬系統(tǒng)給予操作者模擬的手術(shù)程序的可視圖像，其中，控制器的操作引起給予的模擬響應(yīng)，該模擬響應(yīng)對(duì)應(yīng)于實(shí)際手術(shù)器械的控制器的操作。管的操縱由裝置中的傳感器檢測(cè)，該傳感器為模擬系統(tǒng)提供對(duì)應(yīng)于器械的縱向和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。在此類裝置中，優(yōu)選地還存在致動(dòng)器，該致動(dòng)器為操作者提供觸覺反饋，該觸覺反饋仿效發(fā)生在實(shí)際手術(shù)中的阻力。
[0005]在US6，926，531中描述了此類儀器的示例，其中用于使用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)培訓(xùn)操作者的儀器被公開。在此儀器中，可旋轉(zhuǎn)盤被布置成具有圍繞盤的旋轉(zhuǎn)軸線的多個(gè)輥。一個(gè)力反饋馬達(dá)被設(shè)置成抵抗盤的旋轉(zhuǎn)，并且進(jìn)一步地，多個(gè)力反饋馬達(dá)被設(shè)置成抵抗輥的旋轉(zhuǎn)。類似的輥的單獨(dú)布置被設(shè)置，并且傳感器被要求提供獨(dú)立的線性檢測(cè)和旋轉(zhuǎn)檢測(cè)。因此，儀器被要求對(duì)檢測(cè)當(dāng)提供力反饋時(shí)可能發(fā)生的損失敏感度低，并且插入管以使得輥滑動(dòng)的方式被操縱。
[0006]在US2012/0178062公開了另一個(gè)示例，電動(dòng)馬達(dá)和無源制動(dòng)器的組合被用于涵蓋力的范圍。電動(dòng)馬達(dá)用于模擬較低范圍的力，并且如果施加在內(nèi)窺鏡上的相應(yīng)的力矩或力太強(qiáng)而不能通過馬達(dá)來保持，則會(huì)使用動(dòng)力制動(dòng)器和機(jī)械制動(dòng)器。該設(shè)計(jì)允許在一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)阻止在另一個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)。
[0007]獨(dú)立的傳感器以及反饋機(jī)構(gòu)的布置需要相對(duì)大量的空間，導(dǎo)致笨重且可能昂貴的設(shè)計(jì)。此外，還存在摩擦的問題，該摩擦由每個(gè)旋轉(zhuǎn)部件引發(fā)，導(dǎo)致固有阻力，甚至在力反饋馬達(dá)沒有被操作時(shí)。
[0008]發(fā)明概述
[0009]本發(fā)明的目的是處理現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，并且提供改進(jìn)的用戶接口，該用戶接口在功能上是強(qiáng)健的并且制造成本效益高。另一個(gè)目的是提供用戶接口，該用戶接口在使用時(shí)為用戶提供更緊密地類似實(shí)際手術(shù)器械的體驗(yàn)。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，這些和其它目的通過一種用于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上實(shí)施的觸覺反饋的內(nèi)窺鏡模擬的用戶接口來實(shí)現(xiàn)，該用戶接口包括:器械，其具有手柄和管狀構(gòu)件；框架;支撐裝置，其相對(duì)于框架可旋轉(zhuǎn)地布置，并且布置成沿著軸線A接納管狀構(gòu)件。所述支撐裝置包括:彈性壓向彼此的兩個(gè)摩擦輪，當(dāng)管狀構(gòu)件被接納在支撐裝置中時(shí)，摩擦輪與管狀構(gòu)件的相對(duì)側(cè)摩擦接觸;第一旋轉(zhuǎn)傳感器，其布置成檢測(cè)兩個(gè)摩擦輪中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)；以及至少一個(gè)致動(dòng)器，其可操作地連接到所述摩擦輪。
[0011]該用戶接口還包括:力傳感器，其布置成檢測(cè)在支撐裝置和框架之間的力；以及控制器，其布置成接收來自計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的期望的觸覺反饋和來自所述力傳感器的表示施加的力的傳感器信號(hào)，并且布置成控制所述致動(dòng)器以操作摩擦輪提供期望的觸覺反饋。
[0012]應(yīng)由用戶體驗(yàn)的期望的力反饋在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)施的模擬中確定?？刂破骺刂浦聞?dòng)器提供此反饋力，但是還存在由摩擦輪產(chǎn)生的阻力。當(dāng)操作者操縱該器械時(shí)，施加在框架上的實(shí)際力通過力傳感器是可檢測(cè)的，并且基于此反饋，控制器可以相應(yīng)地調(diào)節(jié)由致動(dòng)器施加的力。因此該系統(tǒng)將可能提供阻力，該阻力更接近對(duì)應(yīng)的在實(shí)際手術(shù)期間的阻力感覺，降到無阻力或甚至在器械上的拉力。
[0013]根據(jù)本發(fā)明的裝置使沿著軸線A的任何摩擦的補(bǔ)償成為可能，并且因此允許施加同等的大的雙向力(bilateral force)以改善在管狀構(gòu)件和摩擦輪之間的摩擦。這減少了滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)因?yàn)橹聞?dòng)器可以幫助器件在檢測(cè)到的力的方向上的運(yùn)動(dòng)，所以允許操作者體驗(yàn)低阻力或無阻力。
[0014]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，兩個(gè)摩擦輪和至少一個(gè)致動(dòng)器具有旋轉(zhuǎn)阻力，當(dāng)管狀構(gòu)件被接納在支撐裝置中時(shí)，該旋轉(zhuǎn)阻力被轉(zhuǎn)化成沿著軸線A的平移阻力。控制器還可以因此布置成控制至少一個(gè)致動(dòng)器以操作摩擦輪消除沿著軸線A的平移阻力?？刂破骺梢曰趤碜粤鞲衅鞯谋硎臼┘拥牧Φ膫鞲衅餍盘?hào)。
[0015]換句話說，控制器因此布置成具有表示施加的力的調(diào)節(jié)反饋回路信號(hào)，并且控制器可以驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器，使得摩擦輪在施加的力的方向上拉動(dòng)或推動(dòng)管狀構(gòu)件，大體上消除在支撐裝置中固有的平移阻力。這允許摩擦輪用較大的雙向力壓靠在管狀構(gòu)件上，這減少了管狀構(gòu)件和摩擦輪之間的滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)樘峁└鼜?qiáng)健的功能，所以旋轉(zhuǎn)傳感器對(duì)于管狀構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)更精確。因?yàn)閬碜粤鞲衅鞯男盘?hào)可以與期望的力反饋比較，所以在沒有負(fù)面影響來自模擬的力反饋的情況下，固有阻力的消除可以實(shí)施。
[0016]每個(gè)摩擦輪可以布置在可樞轉(zhuǎn)臂上，使得所述摩擦輪可移動(dòng)地與所述管狀構(gòu)件接觸。支撐裝置可以因此接受管狀構(gòu)件上的直徑變動(dòng)，并且通常在內(nèi)窺鏡檢查中使用的具有較高級(jí)別的軸向力的較厚的管狀構(gòu)件將有利地用更高的雙側(cè)夾緊力被夾持在摩擦輪之間。
[0017]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，每個(gè)可樞轉(zhuǎn)臂可操作地連接到連桿機(jī)構(gòu)，該連桿機(jī)構(gòu)包括:滑塊，其沿著所述軸線A滑動(dòng)布置;和兩個(gè)連桿托架，每個(gè)連桿托架分別具有與所述滑塊樞轉(zhuǎn)連接的第一端和樞轉(zhuǎn)連接到所述臂中的一個(gè)的第二端，使得當(dāng)滑塊沿著軸線A移動(dòng)時(shí)，摩擦輪被壓靠在管狀構(gòu)件上。
[0018]這樣的連桿機(jī)構(gòu)確保由兩個(gè)摩擦輪施加的對(duì)稱的力。該力可以通過調(diào)節(jié)滑塊來調(diào)節(jié)?？蛇x地，滑塊可以是彈簧加載的，這允許摩擦輪的壓力自調(diào)節(jié)。此外，這樣的機(jī)構(gòu)可以能夠調(diào)節(jié)管狀構(gòu)件的磨損。
[0019]此連桿機(jī)構(gòu)還可以有利地獨(dú)立于本發(fā)明，S卩，也在用戶接口方面而沒有以上公開的力反饋控制。因此，連桿機(jī)構(gòu)應(yīng)被認(rèn)為是單獨(dú)的發(fā)明構(gòu)思，可以成為分開的專利申請(qǐng)的主題。
[0020]本發(fā)明人意識(shí)到，由于不同的磨損、生產(chǎn)公差和/或材料公差，摩擦輪對(duì)管狀構(gòu)件的恒定壓力在管狀構(gòu)件的長(zhǎng)度上造成不同的阻力。根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案，通過摩擦輪施加在管狀構(gòu)件上的彈簧加載的或動(dòng)態(tài)的力可以考慮這樣的差異。
[0021]根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，用戶接口還包括至少一個(gè)彈簧，所述至少一個(gè)彈簧與摩擦輪互連，使得當(dāng)管狀構(gòu)件被接納在支撐裝置中時(shí)，摩擦輪用對(duì)所述管狀構(gòu)件的預(yù)定的力彈性地壓向彼此。雖然目的之一是減少滑動(dòng)，但是也期望保持致動(dòng)器輸出的需要使得可以保持它們的大小和成本效益，并且這同樣適用于任何使用的彈簧。因此，存在在摩擦力與雙向力之間的平衡，所述摩擦力可以通過例如在摩擦輪上的花紋圖案和/或材料來實(shí)現(xiàn)，所述雙向力受例如有彈性的彈簧影響。所述摩擦輪中的每一個(gè)述管狀構(gòu)件的預(yù)定的力可以有利地等于或大于5N，或者等于或大于30N。所述摩擦輪中的每一個(gè)對(duì)管狀構(gòu)件的預(yù)定的力可以在10-50N的范圍內(nèi)，或者在35-45N的范圍內(nèi)，或者在38-42N的范圍內(nèi)。
[0022]當(dāng)管狀構(gòu)件被接納在支撐裝置中且被強(qiáng)迫側(cè)向偏離軸線A時(shí)，所述至少一個(gè)彈簧可以布置成保持在所述摩擦輪之間的距離和力中的至少一個(gè)。裝置允許兩個(gè)摩擦輪保持與管狀構(gòu)件接觸，即使管狀構(gòu)件沒有與軸線A對(duì)齊，從而減少了在管狀構(gòu)件和摩擦輪之間滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。更具體地，減少了在管狀構(gòu)件和摩擦輪中的管狀構(gòu)件遠(yuǎn)離偏離(如果管狀構(gòu)件沒有與軸線A對(duì)齊)的那個(gè)摩擦輪之間滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，框架還可以包括基座和支架，以用于懸掛支撐裝置，其中力傳感器設(shè)置在所述基座和所述支架之間。力傳感器可以布置成檢測(cè)在所述支撐裝置和所述框架之間的縱向力。
[0024]至少一個(gè)致動(dòng)器可以有利地用至少一個(gè)傳動(dòng)裝置連接到成對(duì)的摩擦輪中的至少一個(gè)，以使更大的力矩能夠被施加。
[0025]本發(fā)明還涉及一種用于在用于模擬內(nèi)窺鏡檢查程序的系統(tǒng)中控制觸覺反饋的方法，所述方法包括:確定期望的反饋力;檢測(cè)施加到所述管狀構(gòu)件的實(shí)際力；比較所述期望的反饋力與所述實(shí)際力，以提供誤差信號(hào)；以及基于所述誤差信號(hào)，控制操作地連接到與所述管狀構(gòu)件摩擦接觸的摩擦輪的致動(dòng)器，從而提供所述期望的反饋力。
[0026]附圖簡(jiǎn)述
[0027]參照示出了本發(fā)明的當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施方案的附圖，將更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
[0028]圖1是根據(jù)本發(fā)明的示例性實(shí)施方案的具有用戶接口設(shè)備的手術(shù)模擬系統(tǒng)的示意圖；
[0029]圖2是圖1中的支撐裝置的示意性的透視圖；
[0030]圖3是圖1中的支撐裝置的詳細(xì)側(cè)視圖；以及
[0031]圖4是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示例性實(shí)施方式的用戶接口設(shè)備的側(cè)視圖。
[0032]詳細(xì)描述
[0033]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用戶接口設(shè)備1，該用戶接口設(shè)備示意性地作為用于手術(shù)模擬的系統(tǒng)的一部分連接。模擬系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3和顯示器4，所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行軟件以用于模擬手術(shù)程序(在這里是內(nèi)窺鏡檢查程序)，所述顯示器用于為用戶顯示可視化的模擬程序。用戶接口設(shè)備I連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3，并且允許用戶將輸入提供給系統(tǒng)3，從而與在顯示設(shè)備4上可視化的模擬交互。
[0034]用戶接口I包括可移動(dòng)的器械5，該器械包括手柄7和管狀構(gòu)件8。該器械意在與實(shí)際的內(nèi)窺鏡器械(例如Olympus GIF-HQ190)相似，并且管狀構(gòu)件8類似于或可以可選地是實(shí)際的手術(shù)插入管，例如與Olympus GIF-HQ190系列的內(nèi)窺鏡器械一起使用的插入管。用戶接口還包括信號(hào)接口 6，管狀構(gòu)件8可插入到該信號(hào)接口中。
[0035]兩個(gè)摩擦輪19a、19b抵靠管狀構(gòu)件8偏置，具有足夠的力以避免滑動(dòng)。摩擦輪由致動(dòng)器22a、22b來致動(dòng)，并且其旋轉(zhuǎn)由至少一個(gè)旋轉(zhuǎn)傳感器25a來檢測(cè)。傳感器和致動(dòng)器連接到控制器9。
[0036]如圖1中所示，信號(hào)接口6包括框架10，該框架懸掛可旋轉(zhuǎn)的支撐裝置11，以用于接納管狀構(gòu)件8?？蚣?0具有基座13，該基座用作支架14的基礎(chǔ)，支架14懸掛在基座13上。至少一個(gè)力傳感器15，例如應(yīng)變儀，被設(shè)置成檢測(cè)在支架14和基座13之間的力。每個(gè)傳感器15連接到控制器9。來自每個(gè)力傳感器15的信號(hào)主要表示施加在管狀構(gòu)件8的縱向方向上的力。
[0037]在使用時(shí)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)3執(zhí)行模擬手術(shù)程序的模擬軟件。模擬的當(dāng)前狀態(tài)基于預(yù)先加載到模擬軟件中的參數(shù)，并且自開始模擬以后基于操作者的動(dòng)作的參數(shù)。參數(shù)可以例如是操作的類型，例如胃腸道手術(shù)或其它內(nèi)窺鏡手術(shù)，為對(duì)應(yīng)于虛擬病人體內(nèi)的器官和腔的邊界和屬性提供虛擬坐標(biāo)系。操作者的先前動(dòng)作提供例如坐標(biāo)系中的虛擬內(nèi)窺鏡管的當(dāng)前位置和方向。操作者對(duì)器械5的操縱造成模擬的輸入。
[0038]更具體地，器械5的平移運(yùn)動(dòng)由傳感器25a、25b檢測(cè)，并且通過控制器9傳達(dá)到計(jì)算機(jī)3?；谠谟?jì)算機(jī)3中執(zhí)行的模擬，期望的觸覺力(或阻力)被計(jì)算出來，并且返回到控制器
9。控制器與致動(dòng)器22a、22b交互以為用戶提供力反饋。致動(dòng)器可以提供雙向阻力以及不動(dòng)性(硬制動(dòng)(hard brake))。
[0039]控制器還接收來自力傳感器15的信號(hào)，該信號(hào)對(duì)應(yīng)于施加到支架14的實(shí)際力。此力是操作者實(shí)際體驗(yàn)的力?？刂破鞅慌渲贸蓪?shí)施合適的控制方案，例如比例積分微分控制，以控制致動(dòng)器的電功率輸出，使得由傳感器15檢測(cè)到的力等于期望的觸覺力。
[0040]重要的是要注意，摩擦輪19a、19b本身可能引起不可忽略的阻力。因此，在一些模擬周期期間，需要的阻力(來自模擬)將會(huì)小于由摩擦輪產(chǎn)生的摩擦力。在這樣的周期，控制器將會(huì)控制致動(dòng)器幫助器械5運(yùn)動(dòng)。在其它的周期，需要的阻力將會(huì)大于由摩擦輪產(chǎn)生的摩擦力。在這樣的周期，控制器將會(huì)控制致動(dòng)器增加抵抗力。
[0041 ]當(dāng)然，也有可能，需要的阻力正好與由摩擦輪產(chǎn)生的力匹配，在這種情況下，致動(dòng)器被控制成保持中立。
[0042]現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述信號(hào)接口的細(xì)節(jié)以及傳感器和致動(dòng)器的布置。
[0043]在所示出的示例中，支架14包括兩個(gè)直立構(gòu)件14a、14b，所述兩個(gè)直立構(gòu)件使支撐裝置11懸掛在成對(duì)的球軸承16a、16b之間，使得支撐裝置11圍繞軸線A是可旋轉(zhuǎn)的。球軸承16a、16b鉸接地連接到直立構(gòu)件14a、14b，再加上鄰近基座的直立構(gòu)件中的一個(gè)14b的鉸接連接，允許當(dāng)操作者操縱器械5時(shí)球軸承與軸線A的不對(duì)準(zhǔn)的較大的容許度。
[0044]在圖1中示出的本發(fā)明的示例性實(shí)施方案中，軸線A設(shè)置成與由基座13界定的平面成一定角度。因?yàn)槿祟惞こ虒W(xué)的原因而提供支撐裝置的這種成角度的懸掛，以便改善模擬系統(tǒng)的操作者的工作條件，這與如果支撐裝置11僅例如在水平對(duì)齊時(shí)是可用的相比可能更有利。然而，該模擬系統(tǒng)同樣適合水平對(duì)齊。
[0045]如在圖2和圖3中更詳細(xì)示出的，圖1中的支撐裝置11還包括管17，該管在軸承16a、16b之間連接。管17的第一端17a布置成接納器械5的管狀構(gòu)件8。在鄰近第一端17a的管的每個(gè)外側(cè)面上存在開口 18a、18b，成對(duì)的摩擦輪19a、19b布置在這些開口處。每個(gè)輪的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于軸線A。摩擦輪19a、19b優(yōu)選地在圓周上具有凹槽以具有更大的與管狀構(gòu)件8接觸的表面區(qū)域，并且還可以存在徑向狹縫或脊以改善摩擦。
[0046]每個(gè)摩擦輪19a、19b布置在由成對(duì)的桿件20a、21a、20b、21b形成的可樞轉(zhuǎn)的臂上。臂允許摩擦輪運(yùn)動(dòng)以通過相應(yīng)的開口 18a、18b與管狀構(gòu)件8接觸。當(dāng)管狀構(gòu)件8插入到管17中時(shí)，兩個(gè)摩擦輪19&、1%將會(huì)夾持管狀構(gòu)件8。相應(yīng)的成對(duì)的桿件2(^、213、2013、2113彈性地將摩擦輪19a、19b壓靠在管8上，提供摩擦輪19a、19b的柔性以用彈性的方式相對(duì)于軸線A側(cè)向移動(dòng)。桿件20a、21a、20b、21b布置成距管17足夠的距離以避免碰撞。
[0047]每個(gè)摩擦輪19a、19b連接到致動(dòng)器，例如電動(dòng)馬達(dá)22a、22b。該連接可以是合適的傳動(dòng)帶24a、24b。在所示出的示例中，馬達(dá)22a、22b布置成使得它們的驅(qū)動(dòng)軸線23a、23b與桿件20a、20b的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)齊，使得每個(gè)摩擦輪19a、19b的運(yùn)動(dòng)形成部分的拱形軌跡，該拱形軌跡的旋轉(zhuǎn)中心在相應(yīng)的電動(dòng)馬達(dá)22&、2213的驅(qū)動(dòng)軸23&、2313處。在摩擦輪19&、1%和馬達(dá)22a、22b之間的固定距離應(yīng)確保傳動(dòng)帶24a、24b的張力是恒定的。
[0048]在圖1中，傳動(dòng)帶在馬達(dá)處和在摩擦輪處連接到齒輪，在此示例性實(shí)施方案中，在摩擦輪處的齒輪在摩擦輪處大于在馬達(dá)處的齒輪，以便提供預(yù)定的傳動(dòng)比。
[0049]旋轉(zhuǎn)傳感器25a、25b布置成檢測(cè)每個(gè)摩擦輪19&、1%的旋轉(zhuǎn)。傳感器25&、2513在這里布置在每個(gè)馬達(dá)22&、2213的驅(qū)動(dòng)軸23&、2313處以提供表明摩擦輪19&、1%旋轉(zhuǎn)和固有的管狀構(gòu)件8的線性運(yùn)動(dòng)的信號(hào)。
[0050]首先參照?qǐng)D2和圖3，將描述為管狀構(gòu)件提供用于摩擦輪的彈性預(yù)張力(pretent1n)的連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)包括滑塊28，該滑塊沿著管17可滑動(dòng)布置?；瑝K28具有樞軸29，成對(duì)的連桿托架30a、30b樞轉(zhuǎn)地布置在該樞軸上。兩個(gè)托架30a、30b還各自樞轉(zhuǎn)地連接到摩擦輪19a、19b的旋轉(zhuǎn)軸，使得每個(gè)摩擦輪19a、19b連接到滑塊28。最后，滑塊28連接到具有彈簧元件(例如，螺旋彈簧31)的支撐裝置11。
[0051 ]當(dāng)滑塊28沿著管17受拉時(shí)，連桿托架30a、30b將會(huì)以配合的方式使摩擦輪19a、19b側(cè)向移動(dòng)，以彈簧加壓的方式朝向該管內(nèi)的管狀構(gòu)件8來擠壓所述摩擦輪。
[0052]應(yīng)注意，優(yōu)選地在管17的相反側(cè)上存在相同的連桿機(jī)構(gòu)，盡管這在圖2和圖3中沒有清楚地可見。通過在管17的兩側(cè)上具有相同的連桿機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)均勻分布的力。
[0053]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另外的實(shí)施方式的用戶接口設(shè)備101。類似于圖1-圖3中的用戶接口設(shè)備I，用戶接口設(shè)備101包括框架110，該框架具有懸掛在基座113上的支架114，用戶接口設(shè)備101布置成具有在支架114和基座113之間的至少一個(gè)力傳感器115。然而，此示出的實(shí)施方案的支架114形成為用于可選轉(zhuǎn)的支撐裝置111的單個(gè)支撐，而不是像在圖1-圖3中所示出的實(shí)施方案一樣包括兩個(gè)直立構(gòu)件14a、14b?？尚D(zhuǎn)的支撐裝置111被布置使得支架114保持可旋轉(zhuǎn)的支撐裝置111的縱向的中心部分以及滑環(huán)連接器126，可旋轉(zhuǎn)的支撐裝置111延伸通過該滑環(huán)連接器126。此外，圖4中所示出的實(shí)施方案的可旋轉(zhuǎn)的支撐裝置111不同于其它示出的實(shí)施方案，與圖1-圖3中所示出的實(shí)施方案相比，不同點(diǎn)在于，滑塊28、托架30a、30b和螺旋彈簧31已經(jīng)通過使每對(duì)桿件120a、120b從致動(dòng)器122a、122b朝向摩擦輪119a、119b延伸并且進(jìn)一步超出摩擦輪119a、119b延伸來代替。這允許至少一個(gè)彈簧135遠(yuǎn)離致動(dòng)器122a、122b在桿件120a、120b之間的布置。另外地或可選地，至少一個(gè)彈簧可以布置在桿件之間(在圖4中未示出)，該彈簧保持相應(yīng)的摩擦輪119a、119b的相對(duì)側(cè)。
[0054]布置在桿件120a、120b之間的至少一個(gè)彈簧135使得摩擦輪119a、119b彈性地壓向彼此。當(dāng)在使用時(shí)，在桿件120a、120b上的摩擦輪119a、119b的彈性懸掛允許管狀構(gòu)件8以與軸線A成一定的角度和/或偏離所述軸線插入，使得管狀構(gòu)件8主要壓向摩擦輪119a、119b中的一個(gè)，其中至少一個(gè)彈簧135允許摩擦輪119a、119b中的另一個(gè)對(duì)管狀構(gòu)件8保持壓力。因此，可以保持摩擦。
[0055]桿件120a、120b、摩擦輪119a、119b和至少一個(gè)彈簧135的每個(gè)設(shè)置，使得當(dāng)使用時(shí)每個(gè)摩擦輪對(duì)管狀構(gòu)件8施加至少30N的力。例如桿件120a、120b的形式和長(zhǎng)度的參數(shù);摩擦輪119a、119b的形狀、大小和凹槽花紋(groove tread)以及彈簧135的彈簧系數(shù)和預(yù)張力可以被選擇，使得每個(gè)摩擦輪對(duì)管狀構(gòu)件8施加例如40N+/-2N的力。
[0056]此外，類似于圖1-圖3中所示出的實(shí)施方案，可旋轉(zhuǎn)的支撐裝置111致動(dòng)器122a通過傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置124a可操作地連接到摩擦輪119a。
[0057]摩擦輪119a、119b對(duì)管狀構(gòu)件8的夾緊摩擦附著力(pinching frict1nal grip)為可旋轉(zhuǎn)的支撐裝置11提供管狀構(gòu)件8的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)化。為了在旋轉(zhuǎn)的方向上提供力反饋，致動(dòng)器32布置在框架10上，用傳動(dòng)帶(未示出)連接到圍繞管17布置的嵌齒輪(cogwheel)(未示出)。另外的旋轉(zhuǎn)傳感器33還設(shè)置成檢測(cè)支撐裝置11圍繞軸線A的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)B。旋轉(zhuǎn)傳感器33可以有利地布置在致動(dòng)器32的驅(qū)動(dòng)軸上。
[0058]此外，另外的旋轉(zhuǎn)傳感器34可以布置成與管狀構(gòu)件8的延伸到管17外的端部接觸(當(dāng)充分地插入時(shí))。旋轉(zhuǎn)傳感器34布置成檢測(cè)管狀構(gòu)件8的旋轉(zhuǎn)，這可以另外地用于與來自旋轉(zhuǎn)傳感器33的信號(hào)比較以檢測(cè)在管狀構(gòu)件8和摩擦輪119a、119b之間的滑動(dòng)。
[0059]有必要提供在馬達(dá)22a、22b、傳感器25a、25b和控制器9之間的電氣連接，該電氣連接具有由支撐裝置的旋轉(zhuǎn)造成的線路上的最小磨損，這可以例如通過提供足夠的允許一些旋轉(zhuǎn)的線路或以類似于鐘表彈簧的方式盤繞的線束來解決。然而，由于此類解決方案限制了旋轉(zhuǎn)數(shù)(number rotat1ns)，所以旋轉(zhuǎn)滑環(huán)連接器26布置成圍繞管17以提供相對(duì)于支撐裝置11固定的電氣接口，該電氣接口與相對(duì)于框架10固定的另外的電氣接口互連。
[0060]本領(lǐng)域的技術(shù)人員意識(shí)到本發(fā)明決不限于以上描述的優(yōu)選的實(shí)施方式。相反，很多修改和變動(dòng)在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)是可能的。例如，可以使用其它類型的傳感器和編碼器，以用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)以及平移。例如，霍爾效應(yīng)傳感器或壓電式傳感器。此外，器械5代表用于內(nèi)窺鏡手術(shù)的實(shí)際手術(shù)器械，同樣地，存在可以被模仿的數(shù)種內(nèi)窺鏡手術(shù)器械。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到，根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方案的本發(fā)明應(yīng)接受某些變動(dòng)，例如插入管的直徑的變動(dòng)，或根據(jù)至少一個(gè)實(shí)施方案的本發(fā)明可以適合于特定的插入管。此外，雖然根據(jù)本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施方案的手柄是交互式虛擬的手柄，例如Olympus GIF-HQ190系列內(nèi)窺鏡，但是本發(fā)明同樣適合于模擬任何種類的內(nèi)窺鏡器械的手柄。
[0061]根據(jù)的至少一個(gè)示例性實(shí)施方案，支架通過柔性構(gòu)件懸掛在基座上，所述柔性構(gòu)件中的一些包括力傳感器，例如應(yīng)變儀。然而，也有可能的是，所有的柔性構(gòu)件包括力傳感器，或者僅它們中的一個(gè)包括力傳感器。傳感器的數(shù)量、相應(yīng)的傳感器幾何結(jié)構(gòu)和傳感器的單獨(dú)的布置可以適合于在方向、振幅和/或力矩方面實(shí)現(xiàn)不同的自由度。例如，當(dāng)器械相對(duì)于框架和支撐裝置被推或被拉，一個(gè)力傳感器可以布置成感測(cè)在縱向方向上的施加的力，同時(shí)組合的多個(gè)傳感器可以布置在基座和支架之間的多個(gè)位置，以檢測(cè)縱向力、旋轉(zhuǎn)力和/或側(cè)向力。因此，在力傳感器布置成檢測(cè)旋轉(zhuǎn)力和/或側(cè)向力的情況下，技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到，本發(fā)明可以同樣適合于包括夾緊摩擦輪，以用于檢測(cè)器械的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和隨后使用在調(diào)節(jié)控制反饋回路中的旋轉(zhuǎn)和/或側(cè)向力信號(hào)，類似于對(duì)平移的縱向運(yùn)動(dòng)所描述的。相同的變動(dòng)和優(yōu)點(diǎn)是可適用的。
[0062]可選地，支架可以沿著一個(gè)軌道或多個(gè)軌道布置到基座上，具有檢測(cè)沿著軌道的力的力傳感器。另外一個(gè)解決方案將是將支架布置在基座上的低摩擦表面上。
[0063]技術(shù)人員應(yīng)意識(shí)到，用于支撐裝置的旋轉(zhuǎn)懸掛的兩個(gè)球軸承的使用代表一種可能的實(shí)施方案，具有單個(gè)中心軸承或沿著軸線A的數(shù)個(gè)軸承也將是有可能的。摩擦輪相對(duì)于致動(dòng)器的配置以及致動(dòng)器的數(shù)量和傳動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)的使用可以是不同的。例如，一個(gè)致動(dòng)器可以用于操作兩個(gè)摩擦輪。同樣地，用于管狀構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)上的力反饋的致動(dòng)器可以例如是制動(dòng)致動(dòng)器。
[0064]在沒有彈簧加壓的預(yù)張力的情況下，通過摩擦輪對(duì)管狀構(gòu)件施加的夾緊力可以被實(shí)現(xiàn)，例如，致動(dòng)器可以調(diào)節(jié)輪的位置，連接摩擦輪和馬達(dá)的鐘表彈簧可以為每個(gè)摩擦輪提供單獨(dú)的懸掛，或者這些輪可以通過至少一個(gè)彈簧互連。類似于車輛的輪，摩擦輪可以具有不同的模式，以根據(jù)例如管狀構(gòu)件的類型或大小改善摩擦。周圍的凹槽的形狀或深度也可以是不同的。摩擦輪的直徑可以被改變。此外，將摩擦輪連接到致動(dòng)器的帶驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置可以被例如鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)等所取代，而不限制本發(fā)明。
[0065]管17可以具有容易被具有類似樣式和尺寸的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)(latticestructure)或輪廓取代的一些適應(yīng)性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(3)上實(shí)施的觸覺反饋內(nèi)窺鏡模擬的用戶接口，包括: 器械(5)，其具有手柄(7)和管狀構(gòu)件(8)， 框架(10;110)， 支撐裝置(I I; 111)，其布置成相對(duì)于所述框架圍繞軸線A旋轉(zhuǎn)，并且布置成沿著所述軸線A接納所述管狀構(gòu)件，所述支撐裝置包括: 兩個(gè)摩擦輪(19a、19b; 119a、119b)，其中所述摩擦輪彈性地壓向彼此，并且其中，當(dāng)所述管狀構(gòu)件被接納在所述支撐裝置中時(shí)，所述摩擦輪與所述管狀構(gòu)件的相對(duì)側(cè)摩擦地接觸， 第一旋轉(zhuǎn)傳感器(25a; 125a)，其布置成檢測(cè)所述兩個(gè)摩擦輪中的至少一個(gè)的旋轉(zhuǎn)，以及 至少一個(gè)致動(dòng)器(22a、22b; 122a)，其可操作地連接到所述摩擦輪； 所述用戶接口還包括: 力傳感器(15; 115)，其布置成檢測(cè)在所述支撐裝置和所述框架之間的力，以及 控制器(9)，其布置成接收來自所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的期望的觸覺反饋和來自所述力傳感器的表示施加的力的傳感器信號(hào)，并且布置成控制所述致動(dòng)器(22a、22b; 122a)以操作所述摩擦輪來提供所述期望的觸覺反饋。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用戶接口，其中，所述兩個(gè)摩擦輪(19a、19b;119a、119b)和所述至少一個(gè)致動(dòng)器(22a、22b; 122a)具有旋轉(zhuǎn)阻力，當(dāng)所述管狀構(gòu)件(8)被接納在所述支撐裝置(11; 111)中時(shí)，所述旋轉(zhuǎn)阻力被轉(zhuǎn)化成沿著所述軸線A的平移阻力，以及 其中，所述控制器(9)還布置成基于來自所述力傳感器(15; 115)的表示所述施加的力的所述傳感器信號(hào)來控制所述至少一個(gè)致動(dòng)器以操作所述摩擦輪來消除沿著所述軸線A的所述平移阻力。3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用戶接口，其中，所述支撐裝置包括管(17)，所述管狀構(gòu)件可插入到所述管中，所述管在相對(duì)側(cè)上具有開口(I 8a、I Sb)，所述開口為所述摩擦輪提供接近所述管狀構(gòu)件的入口。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用戶接口，其中，每個(gè)摩擦輪(19a、19b;119a、119b)布置在可樞轉(zhuǎn)臂(20a、2Ia、20b、2Ib; 120a、120b)上，使得所述摩擦輪可移動(dòng)到與所述管狀構(gòu)件接觸。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用戶接口，還包括至少一個(gè)彈簧(135)，所述至少一個(gè)彈簧與所述摩擦輪互連，使得當(dāng)所述管狀構(gòu)件被接納在所述支撐裝置中時(shí)，所述摩擦輪用對(duì)所述管狀構(gòu)件(8)的預(yù)定的力彈性地壓向彼此。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用戶接口，其中，所述摩擦輪中的每一個(gè)對(duì)所述管狀構(gòu)件的所述預(yù)定的力等于或大于5N，或者等于或大于30N。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用戶接口，其中，所述摩擦輪中的每一個(gè)對(duì)所述管狀構(gòu)件的所述預(yù)定的力在10-50N的范圍內(nèi)，或者在35-45N的范圍內(nèi)，或者在38-42N的范圍內(nèi)。8.根據(jù)權(quán)利要求5至7中任一項(xiàng)所述的用戶接口，其中，當(dāng)所述管狀構(gòu)件被接納在所述支撐裝置中且被強(qiáng)迫側(cè)向地偏離所述軸線A時(shí)，所述至少一個(gè)彈簧布置成保持在所述摩擦輪之間的距離和力中的至少一個(gè)。9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用戶接口，所述框架(10)還包括基座(13)和用于懸掛所述支撐裝置(11)的支架(14)，其中所述力傳感器(15)布置在所述基座和所述支架之間。10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用戶接口，其中，所述力傳感器布置成檢測(cè)在所述支撐裝置和所述框架之間的沿著軸線A的縱向力。11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用戶接口，其中，所述至少一個(gè)致動(dòng)器(22a、22b)用至少一個(gè)傳動(dòng)裝置連接到所述摩擦輪(19a、19b)。12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用戶接口，還包括第二旋轉(zhuǎn)傳感器，所述第二旋轉(zhuǎn)傳感器布置成檢測(cè)所述支撐裝置(11)相對(duì)于所述框架(1)的旋轉(zhuǎn)，其中所述器械圍繞所述軸線A的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過所述摩擦輪(19a、19b)從所述管狀構(gòu)件(8)傳遞到所述支撐裝置。13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用戶接口，還包括另外的致動(dòng)器(32)，所述另外的致動(dòng)器(32)布置成為所述管狀構(gòu)件(8)圍繞所述軸線A的運(yùn)動(dòng)提供力反饋。14.一種用于在用于模擬內(nèi)窺鏡檢查程序的系統(tǒng)中控制觸覺反饋的方法，所述系統(tǒng)包括器械(5)，所述器械具有能插入到支撐裝置(11)中的管狀構(gòu)件(8)，所述方法包括: 確定期望的反饋力， 檢測(cè)施加到所述管狀構(gòu)件(8)的實(shí)際力， 比較所述期望的反饋力與所述實(shí)際力，以提供誤差信號(hào)，以及 基于所述誤差信號(hào)，控制操作地連接到與所述管狀構(gòu)件(8)摩擦地接觸的摩擦輪的致動(dòng)器，從而提供所述期望的反饋力。
【文檔編號(hào)】G09B23/28GK105917398SQ201580004960
【公開日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2015年1月23日
【發(fā)明人】安德斯·拉爾森, 克里斯特爾·約翰遜, 馬蒂亞斯·尼斯托姆
【申請(qǐng)人】外科科學(xué)瑞典有限公司