生物软组织力反馈触觉建模的测试系统

摘要

本发明公布了一种生物软组织力反馈触觉建模的测试系统，该测试系统包括单自由度机械手、控制电路、电源和作业环境支架，其中单自由度机械手包括机械臂，力矩电机，位置传感器，力传感器，电机支撑盘，底盘，手术针及其夹具，控制电路包括力调理放大电路、位置信号调理电路、数据采集卡、数据存储显示计算机、触觉建模计算机、串口电路、单片机及其外围电路和电机驱动电路，作业环境支架由支架和盒子组成。本发明测试范围广，建立了生物软组织力反馈触觉模型的数据库，测试速度快，精度高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种触觉建模的测试系统，尤其涉及一种生物软组织力反馈触觉建模的测试系统。

背景技术

生物软组织建模不仅要使用几何特性建立几何模型，而且还要利用软组织的生物力学特性建立它的动力学模型。在虚拟手术仿真中这两种模型分别在视觉上和触觉上产生一种逼真的感觉。此外在机器人辅助的微创手术系统中软组织作为手术器械的作业环境也倍受关注，由于医生在利用微创手术机器人进行手术时因为失去了开腔手术时的立体视觉感受，所以就必须利用手术器械的力反馈信息来增加手术的可操作性。

目前对生物软组织动力学建模方法主要是两种方法：①质量-阻尼-弹簧模型；②有限元模型。通常将软组织的物理模型分为：线弹性模型、非线性模型和粘弹性模型。基于上述物理模型的计算模型主要有弹簧—质点模型和有限元模型。有限元方法(FEM)已经较多地应用于物体的形变建模。有限元模型精确度和稳定性较高，但实施困难、计算机效率较低。质量—阻尼—弹簧体模型实施简单、计算复杂度较低，且对于软组织拓扑结构变化的适应能力较好，被较多地用于软组织的变形、切割、缝合等虚拟手术仿真、人体肌肉等弹性物体变形建模仿真等。近年来通过对组织与安装有传感器的手术器械交互时的特性进行直接测量建模的方法引起了国内外学者较大的研究兴趣。国外针对肝脏切割过程中手术刀受力进行测量及初步的分析，但是并没有考虑组织的动态行为及切割深度与切割力的关系；还有针对手术穿刺针及手术剪与软组织的穿刺力及剪切力进行了测量并建模；在国内，中国科学院自动化研究所针对生物组织切割过程建立了利用手术刀切割的软组织的力反馈触觉模型。天津大学针对软组织弹性模型得出不同软组织的力与形变的曲线，对于微创手术以及手术前的触诊都有重要的作用。目前这些研究普遍存在的缺点：1)只针对某一特定的软组织开展的，没有普遍性；2)没有建立生物软组织力反馈触觉模型的数据库。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷提出一种生物软组织力反馈触觉建模的测试系统。

本发明生物软组织力反馈触觉建模的测试系统，包括单自由度机械手、控制电路、电源和作业环境支架，其中单自由度机械手包括机械臂，力矩电机，位置传感器，力传感器，电机支撑盘，底盘，手术针及其夹具，控制电路包括力调理放大电路、位置信号调理电路、数据采集卡、数据存储显示计算机、触觉建模计算机、串口电路、单片机及其外围电路和电机驱动电路；其中力矩电机固定于电机支撑盘之间，位置传感器装设于力矩电机的转轴下部，电机支撑盘的下部与底盘固定，机械臂的一端与电机支撑盘的上部固定，力传感器固定于机械臂的另一端，手术针及其夹具与机械臂的另一端的顶部固定；力传感器的输出端与力调理放大电路的输入端连接，力调理放大电路的输出端与数据采集卡的一个输入端连接，位置传感器的输出端与位置信号调理电路的输入端连接，位置信号调理电路的输出端与数据采集卡的另一个输入端连接，数据采集卡的输出端分别与数据存储显示计算机的输入端、触觉建模计算机的输入端连接，触觉建模计算机依次串接串口电路和单片机及其外围电路后经电机驱动电路与力矩电机的输入端连接；所述作业环境支架由支架和盒子组成；电源分别与单自由度机械手、控制电路电连接。

本发明生物软组织力反馈触觉建模的测试系统，测试范围广，建立了生物软组织力反馈触觉模型的数据库，测试速度快，精度高。

附图说明

图1是本发明系统框图；

图2是本发明单自由度机械手机械臂结构示意图；

图3是本发明作业环境支架示意图；

图4(a)是本发明作业环境盒子底座示意图；

(b)是本发明作业环境盒子容器示意图；

图5是本发明力调理放大电路原理图；

图6是本发明位置信号调理电路原理图；

图7是本发明电机驱动电路原理图；

图8是本发明单片机处理电路模块电路图；

图9是电源电路原理图。

具体实施方式

如图1至图4所示。生物软组织力反馈触觉建模的测试系统，包括单自由度机械手、控制电路、电源和作业环境支架，其中单自由度机械手包括机械臂1，力矩电机2，位置传感器3，力传感器4，电机支撑盘5，底盘6，手术针及其夹具7，控制电路包括力调理放大电路8、位置信号调理电路9、数据采集卡10、数据存储显示计算机11、触觉建模计算机12、串口电路13、单片机及其外围电路14和电机驱动电路15；其中力矩电机2固定于电机支撑盘5之间，位置传感器3装设于力矩电机2的转轴下部，电机支撑盘5的下部与底盘6固定，机械臂1的一端与电机支撑盘5的上部固定，力传感器4固定于机械臂1的另一端，手术针及其夹具7与机械臂1的另一端的顶部固定；力传感器4的输出端与力调理放大电路8的输入端连接，力调理放大电路8的输出端与数据采集卡10的一个输入端连接，位置传感器3的输出端与位置信号调理电路9的输入端连接，位置信号调理电路9的输出端与数据采集卡10的另一个输入端连接，数据采集卡10的输出端分别与数据存储显示计算机11的输入端、触觉建模计算机12的输入端连接，触觉建模计算机12依次串接串口电路13和单片机及其外围电路14后与力矩电机2的输入端连接；所述作业环境支架由支架和盒子组成。

如图5所示。所述力调理放大电路8包括力传感器接口J1、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、可变电阻Rp1、五个电阻即第一电阻R1至第五电阻R5、第一电容C1和第二电容C2；其中力传感器接口J1的1脚、2脚、3脚、4脚分别与力传感器4的输出端连接，力传感器接口J1的1脚接电源的输出端，力传感器接口J1的2脚接地，力传感器接口J1的3脚接第一运算放大器A1的负输入端2脚，力传感器接口J1的4脚接第一运算放大器A1的正输入端3脚，第一运算放大器A1的1脚分别接可变电阻Rp1的一端和中间端，可变电阻Rp1的另一端串联第一电阻R1后接第一运算放大器A1的8脚，第一运算放大器A1的4脚、7脚分别接电源的输出端，第一运算放大器A1的5脚接模拟地，第一运算放大器A1的输出端6脚串联第二电阻R2后分别接第三电阻R3的一端、第四电阻R4的一端，第四电阻R4的另一端接模拟地，第三电阻R3的另一端串联第五电阻R5后分别接第二运算放大器A2的正输入端3脚、第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接模拟地，第三电阻R3的另一端串联第二电容C2后分别接数据采集卡10的输入端、第二运算放大器A2的输出端6脚和负输入端2脚，第二运算放大器A2的4脚、7脚分别接电源的输出端。

如图6所示。所述位置信号调理电路9包括第三运算放大器A3、第四运算放大器A4、五个电阻即第六电阻R6至第十电阻R10、第一电解电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6、并联稳压二极管D1、位置传感器接口J2；其中并联稳压二极管D1的阳极分别接第六电阻R6的一端、第一电解电容C3的负输入端、第四电容C4的一端、第七电阻R7的一端，第一电解电容C3的正输入端分别与并联稳压二极管D1的阴极和参考极、第四电容C4的另一端连接接模拟地，第七电阻R7的另一端分别接第三运算放大器A3的负输入端2脚、位置传感器接口J2的2脚，第三运算放大器A3的正输入端3脚串联第八电阻R8后接模拟地，位置传感器接口J2的1脚分别接第三运算放大器A3的输出端6脚、第九电阻R9的一端，位置传感器接口J2的1脚、2脚分别接位置传感器3的输出端，第九电阻R9的另一端串联第十电阻R10后分别接第五电容C5的一端、第四运算放大器A4的正输入端3脚，第九电阻R9的另一端串联第六电容C6后分别接数据采集卡10的输入端、第四运算放大器A4的输出端6脚和负输入端2脚，第四运算放大器A4的4脚、7脚分别接电源的输出端。

如图7、图8所示。本发明在进行插针时将软组织放在支架的盒子内。计算机根据反馈信息输出控制指令，经RS-232串口电路13连接到单片机及其外围电路14的输入端，单片机处理输出的信号由电动机驱动电路15处理后输出至电动机，用于控制电机的运转。电机的转动就会带动手术针的运动，手术针就会和软组织发生交互，计算机就会记录下数据采集卡采集的数据，并根据采集的数据完成软组织的建模。

本发明为基于单自由度机械手的测量与控制的系统，系统有两种工作方式：一是在同一速度下针对不同软组织进行插针，来得出手术针在运动过程中的受到的力与位置的关系，通过在上位机计算机上设定电机的转速，使电机在给定的转速下转动，电机的转动将带动在前端安装有手术针及力和位置传感器的单自由度机械手的运动，使手术针与放在作业环境里的不同的软组织发生交互，计算机记录下在交互过程中的力与位置的数据，从而得出在插针过程中力与位置的关系，即得出不同的生物软组织在同一速度下的力反馈触觉模型；二是针对同一软组织设定不同的速度，来测量在不同的速度下进行插针时手术针受到的力数据与手术针的位置数据，得出同一生物软组织在不同的速度下力反馈触觉模型。在这两种模式中计算机通过一定的控制算法驱动直流力矩电机，带动机械臂的运动。运动过程中，机械臂与软组织之间的交互力和位置信息一方面会记录在计算机内，一方面参与到控制回路中，形成反馈控制。

如图9所示。电源分别与单自由度机械手、控制电路电连接，给系统提供电源。