内窥镜模拟装置及微创手术训练系统
阅读：60发布：2020-06-20
专利汇可以提供内窥镜模拟装置及微创手术训练系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种 内窥镜 模拟装置及其在 微创手术 训练系统中的应用，其特征是设置由窥镜 俯仰 轴与窥镜航向轴构成窥镜主架板的二维旋转垂直轴系；在二维旋转垂直轴系上设置窥镜主架板，在窥镜主架板上设置窥镜探杆座，位于窥镜探杆座中的窥镜探杆通过 齿条 与窥镜传动 齿轮 实现 啮合 传动；窥镜探杆在窥镜探杆座中的轴向移动通过窥镜传动齿轮带动窥镜传动齿轮轴转动；窥镜探杆前端为探杆头，尾部连接窥镜电位器作为操作 手柄 ；以各柔性阻尼 定位 装置在窥镜探杆与窥镜探杆座之间，以及在二维旋 转轴 系统中形成柔性阻尼。本实用新型可以快速提高参训外科医生的手感和技能。，下面是内窥镜模拟装置及微创手术训练系统专利的具体信息内容。
1.一种内窥镜模拟装置，其特征是所述内窥镜模拟装置是按如下形式设置的基于柔性阻尼定位的内窥镜模拟装置(11)：
以窥镜底座(4-1)为支撑呈Z向设置窥镜航向轴(4-4)，在所述窥镜航向轴(4-4)上配合设置窥镜“U”形座(4-3)，并且所述窥镜“U”形座(4-3)可以在所述窥镜航向轴(4-4)上于水平面内绕窥镜航向轴(4-4)转动，所述Z向为竖直方向；
以所述窥镜“U”形座(4-3)为支撑呈X向设置窥镜俯仰轴(4-13)，在所述内窥镜俯仰轴(4-13)上配合设置窥镜主架板(4-21)，并且所述窥镜主架板(4-21)可以在所述窥镜俯仰轴(4-13)上于竖直平面内绕窥镜俯仰轴(4-13)转动；以所述窥镜俯仰轴(4-13)与所述窥镜航向轴(4-4)构成窥镜主架板(4-21)的二维旋转垂直轴系；
以所述窥镜主架板(4-21)为支撑固定设置窥镜探杆座(4-18)，在所述窥镜探杆座(4-18)中呈X向设置可转动的窥镜传动齿轮轴(4-15)，在所述窥镜传动齿轮轴(4-15)上固定设置窥镜传动齿轮(4-16)；位于窥镜探杆座(4-18)中的窥镜探杆(4-17)通过齿条与所述窥镜传动齿轮(4-16)实现啮合传动；所述窥镜探杆(4-17)在窥镜探杆座(4-18)中的轴向移动通过窥镜传动齿轮(4-16)带动窥镜传动齿轮轴转动；所述窥镜探杆(4-17)在前端和尾端贯穿所述窥镜探杆座(4-18)，并以所述窥镜探杆(4-17)的前端为探杆头，在所述窥镜探杆(4-17)的尾部连接窥镜电位器(4-19)作为操作手柄；
设置柔性阻尼定位系统，其包括设置在窥镜传动齿轮轴(4-15)上的第一柔性阻尼定位装置(4-20)、设置在窥镜俯仰轴(4-13)上的第二柔性阻尼定位装置(4-12)，以及设置在窥镜航向轴(4-4)上的第三柔性阻尼定位装置(4-5)；所述第一柔性阻尼定位装置(4-20)是在窥镜探杆(4-17)与窥镜探杆座(4-18)之间形成柔性阻尼；所述第二柔性阻尼定位装置(4-12)是在窥镜俯仰轴(4-13)与窥镜“U”形座(4-3)之间形成柔性阻尼；所述第三柔性阻尼定位装置(4-5)是在所述窥镜航向轴(4-4)与窥镜“U”形座(4-3)之间形成柔性阻尼。
2.根据权利要求1所述的内窥镜模拟装置，其特征是：分别设置各窥镜光栅码盘及读数头，用于获得窥镜俯仰轴(4-13)和窥镜航向轴(4-4)的角位移，以及窥镜探杆(4-17)的轴向位移。
3.根据权利要求1所述的内窥镜模拟装置，其特征是：设置窥镜零位校准块(4-23)，所述窥镜零位校准块(4-23)以其上段固定在窥镜主支架板(4-21)的一侧边，所述窥镜零位校准块(4-23)的底部设置为倒梯形端面(4-23a)，在窥镜底座(4-1)的水平台面上对应设置为倒梯形槽(4-23b)，利用所述倒梯形端面与倒梯形槽的配合实现窥镜航向轴(4-4)和窥镜俯仰轴(4-13)的旋转限位和回零。
4.根据权利要求1所述的内窥镜模拟装置，其特征是：所述第三柔性阻尼定位装置(4-5)是在窥镜航向轴(4-4)的上部依次套装聚四氟乙烯垫片(4-6)，铝合金垫片(4-7)，弹簧导向轴(4-8)、压缩弹簧(4-9)和弹簧盖帽(4-10)，在所述弹簧盖帽(4-10)上压装调节螺母(4-11)，所述调节螺母(4-11)螺纹连接在窥镜航向轴(4-4)的上端，利用调节螺母(4-11)压紧所述聚四氟乙烯垫片(4-6)在所述窥镜航向轴(4-4)与窥镜“U”形座(4-3)之间形成柔性阻尼。
5.一种微创手术训练系统，其特征是：在安装底板(9)的中央安装权利要求1所述的内窥镜模拟装置(11)，在所述内窥镜模拟装置(11)的左侧安装有左手侧微创手术模拟装置(10-1)，在所述内窥镜模拟装置(11)的右侧安装有右手侧微创手术模拟装置(10-2)，构成微创手术训练系统。
内窥镜模拟装置及微创手术训练系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及内窥镜模拟装置及其在微创手术训练系统中的应用，用于对微创手术进行模拟训练。
背景技术
[0002] 微创手术以创伤小、疼痛轻、出血少、恢复快的显著特点，以最大程度体贴病人、减轻病人的痛苦的理念愈来愈为人们所重视。随着腹腔镜、胸腔镜、宫腔镜等内窥镜及各种手术工具制造精度的提高，以计算机为核心的视觉图像处理和实时监测技术不断发展，微创手术技术日益成熟，相比传统外科手术在普外、泌尿、骨科、五官、妇科等方面有着更为广泛的应用。相比较传统手术，微创手术对医生的医技要求非常高，快速有效提高微创手术医生尤其是初学者的技能是十分关键。
[0003] 内窥镜是一种经各种管道进入人体，观察人体内部状况的光学仪器，其集成冷光源镜头、纤维光导线、图象传输系统、屏幕显示系统等，能扩大手术视野，直观准确地协助医生进行相关手术。内窥镜的突出特点是可以看到X射线不能显示的病变、手术切口小、术后反应轻，出血、青紫和肿胀时间大大减少，恢复较传统手术快，非常符合美容外科美丽不留痕的要求。内窥镜如同人的视觉系统，在微创外科手术中起着不可或缺的作用。
[0004] 在尸体资源昂贵且稀缺、伤害动物、人体模型逼真感不够、手术器械昂贵等情况下，微创手术模拟装置快速发展，但是一套完整的微创手术装置缺少内窥镜引导是远远不行的，同时整套的内窥镜系统费用昂贵，因此相应的内窥镜模拟装置尤为需求。实用新型内容
[0005] 本实用新型提供一种内窥镜模拟装置及其在微创手术训练系统中的应用，以期为微创外科手术培训带来事半功倍的效果，准确快速提高参训外科医生的手感和技能。尤其是能够模拟真实内窥镜探头在人体体内自由度的动作，高仿真触碰人体力反馈效果，并能在将内窥镜调整到需要的视角后松手即能保持内窥镜视角稳定性。
[0006] 本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：
[0007] 本实用新型内窥镜模拟装置的结构特点是所述内窥镜模拟装置是按如下形式设置的基于柔性阻尼定位的内窥镜模拟装置：
[0009] 以所述窥镜“U”形座为支撑呈X向设置窥镜俯仰轴，在所述内窥镜俯仰轴上配合设置窥镜主架板，并且所述窥镜主架板可以在所述窥镜俯仰轴上于竖直平面内绕窥镜俯仰轴转动；以所述窥镜俯仰轴与所述窥镜航向轴构成窥镜主架板的二维旋转垂直轴系；
[0010] 以所述窥镜主架板为支撑固定设置窥镜探杆座，在所述窥镜探杆座中呈X向设置可转动的窥镜传动齿轮轴，在所述窥镜传动齿轮轴上固定设置窥镜传动齿轮；位于窥镜探杆座中的窥镜探杆通过齿条与所述窥镜传动齿轮实现啮合传动；所述窥镜探杆在窥镜探杆座中的轴向移动通过窥镜传动齿轮带动窥镜传动齿轮轴转动；所述窥镜探杆在前端和尾端贯穿所述窥镜探杆座，并以所述窥镜探杆的前端为探杆头，在所述窥镜探杆的尾部连接窥镜电位器作为操作手柄；
[0011] 设置柔性阻尼定位系统，其包括设置在窥镜传动齿轮轴上的第一柔性阻尼定位装置、设置在窥镜俯仰轴上的第二柔性阻尼定位装置，以及设置在窥镜航向轴上的第三柔性阻尼定位装置；所述第一柔性阻尼定位装置是在窥镜探杆与窥镜探杆座之间形成柔性阻尼；所述第二柔性阻尼定位装置是在窥镜俯仰轴与窥镜“U”形座之间形成柔性阻尼；所述第三柔性阻尼定位装置是在所述窥镜航向轴与窥镜“U”形座之间形成柔性阻尼；
[0012] 本实用新型内窥镜模拟装置的结构特点也在于：分别设置各窥镜光栅码盘及读数头，用于获得窥镜俯仰轴和窥镜航向轴的角位移，以及窥镜探杆的轴向位移。
[0013] 本实用新型内窥镜模拟装置的结构特点也在于：设置窥镜零位校准块，所述窥镜零位校准块以其上段固定在窥镜主支架板的一侧边，所述窥镜零位校准块的底部设置为倒梯形端面，在窥镜底座的水平台面上对应设置为倒梯形槽，利用所述倒梯形端面与倒梯形槽的配合实现窥镜航向轴和窥镜俯仰轴的旋转限位和回零。
[0014] 本实用新型内窥镜模拟装置的结构特点也在于：所述第三柔性阻尼定位装置是在窥镜航向轴的上部依次套装聚四氟乙烯垫片，铝合金垫片，弹簧导向轴、压缩弹簧和弹簧盖帽，在所述弹簧盖帽上压装调节螺母，所述调节螺母螺纹连接在窥镜航向轴的上端，利用调节螺母压紧所述聚四氟乙烯垫片在所述窥镜航向轴与窥镜“U”形座之间形成柔性阻尼。
[0015] 本实用新型微创手术训练系统，其特征是：在安装底板的中央安装权利要求1所述的内窥镜模拟装置，在所述内窥镜模拟装置的左侧安装有左手侧微创手术模拟装置，在所述内窥镜模拟装置的右侧安装有右手侧微创手术模拟装置，构成微创手术训练系统。
[0016] 与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：
[0017] 1、本实用新型中内窥镜模拟装置可模拟实现真实内窥镜装置在体内三维空间中左右摆动旋转、上下俯仰旋转、绕自身轴线回转、前后轴向移动4个移动状态；微创手术仿真装置可 以实现手术夹钳、手术刀等器具在人体内三维空间六个自由度的运动，且具有超高仿真触碰人体力反馈效果；
[0018] 2、本实用新型中内窥镜模拟装置使用的柔性阻尼定位机构，基于弹簧和聚四氟乙烯片结合的面摩擦柔性阻尼原理，阻尼力大小可调，制作成本低廉，可实现旋转过程中阻尼定位，保证后旋转至预定角度后内窥镜视角定位，此柔性阻尼定位技术将被应用到更广泛的的领域之中。
[0020] 4、本实用新型采用模块化设计、互换性强、维护方便，探杆可方便地更换为普外、泌尿、骨科、五官、妇科等科目器具，使此微创手术仿真装置适应多科目的手术训练。
[0021] 5、本实用新型无需真实昂贵的内窥镜，人体和动物等实体练习，在尸体资源昂贵且稀缺、伤害动物、人体模型逼真感不够等客观不利因素下能准确高效地提高受训医生的医技水平。
[0022] 6、本实用新型体积小，成本低廉，功能齐全，可方便安装在台车上，便携方便；呈一左一右布置两套本实用新型微创手术模拟装置，方便医生左右手的配合操作，结合助手操作内窥镜模拟装置，经视觉引导可扩展成一个完善的综合微创手术训练系统。附图说明
[0023] 图1为本实用新型三维结构示意图；
[0024] 图2为本实用新型机械装配示意图；
[0025] 图3为本实用新型微创手术综合训练系统三维布局示意图；
[0026] 图4为本实用新型中微创手术模拟装置三维结构示意图；
[0027] 图5为本实用新型中微创手术模拟装置机械装配示意图；
[0028] 图6为本实用新型中微创手术模拟装置中探杆力反馈部分结构示意图；
[0029] 图7a为本实用新型中微创手术模拟装置中磁阻尼器结构示意图；
[0030] 图7b为本实用新型中微创手术模拟装置中磁阻尼器原理示意图；
[0031] 图中标号：1第一圆柱磁铁，2第二圆柱磁铁，3筒体，4紧定螺钉，5端盖，6深沟球轴承，7中轴，8零位校准块，8a为“V”型端面，8b为“V”型槽，1-1底座，1-2航向轴电磁刹车器，1-3为“U”形座，1-4第三磁阻尼器，1-5航向轴，1-6第三光栅码盘及读数头，1-7俯仰轴电磁刹车器，1-8俯仰轴，1-9第二光栅码盘及读数头，1-10主架板，1-11第二磁阻尼器，2-1刹车盘底座，2-2电磁刹车盘，2-3阻尼器支撑架，2-4第一磁阻尼器，2-5磁阻尼输出轴，
2-6第一光栅码盘及读数头，2-7第二锥齿轮，3-1探杆座，3-2传动齿轮，3-3 探杆，3-4第一锥齿轮，3-5手术夹钳，3-6电位器，4-1窥镜底座，4-2窥镜第三光栅码盘及读数头，4-3窥镜“U”形座，4-4窥镜航向轴，4-5第三柔性阻尼定位装置，4-6聚四氟乙烯垫片，4-7铝合金垫片，4-8弹簧导向轴，4-9压缩弹簧，4-10弹簧盖帽，4-11调节螺母，4-12第二柔性阻尼定位装置，4-13窥镜俯仰轴，4-14窥镜第一光栅码盘及读数头，4-15窥镜传动齿轮轴，4-16窥镜传动齿轮，4-17窥镜探杆，4-18窥镜探杆座，4-19窥镜电位器，4-20第一柔性阻尼定位装置，4-21窥镜主架板，4-22窥镜第二光栅码盘及读数头，4-23窥镜零位校准块，4-23a倒梯形端面，4-23b倒梯形槽，9安装底板，10-1左手侧微创手术模拟装置，10-2右手侧微创手术模拟装置，11内窥镜模拟装置。
2-6第一光栅码盘及读数头，2-7第二锥齿轮，3-1探杆座，3-2传动齿轮，3-3 探杆，3-4第一锥齿轮，3-5手术夹钳，3-6电位器，4-1窥镜底座，4-2窥镜第三光栅码盘及读数头，4-3窥镜“U”形座，4-4窥镜航向轴，4-5第三柔性阻尼定位装置，4-6聚四氟乙烯垫片，4-7铝合金垫片，4-8弹簧导向轴，4-9压缩弹簧，4-10弹簧盖帽，4-11调节螺母，4-12第二柔性阻尼定位装置，4-13窥镜俯仰轴，4-14窥镜第一光栅码盘及读数头，4-15窥镜传动齿轮轴，4-16窥镜传动齿轮，4-17窥镜探杆，4-18窥镜探杆座，4-19窥镜电位器，4-20第一柔性阻尼定位装置，4-21窥镜主架板，4-22窥镜第二光栅码盘及读数头，4-23窥镜零位校准块，4-23a倒梯形端面，4-23b倒梯形槽，9安装底板，10-1左手侧微创手术模拟装置，10-2右手侧微创手术模拟装置，11内窥镜模拟装置。
具体实施方式
[0032] 本实施例中内窥镜模拟装置是按如下形式设置的基于柔性阻尼定位的内窥镜模拟装置11：
[0033] 参见图1和图2，以窥镜底座4-1为支撑呈Z向设置窥镜航向轴4-4，在所述窥镜航向轴4-4上配合设置窥镜“U”形座4-3，并且所述窥镜“U”形座4-3可以在所述窥镜航向轴4-4上于水平面内绕窥镜航向轴4-4转动，所述Z向为竖直方向；
[0034] 以所述窥镜“U”形座4-3为支撑呈X向设置窥镜俯仰轴4-13，在所述内窥镜俯仰轴4-13上配合设置窥镜主架板4-21，并且所述窥镜主架板4-21可以在所述窥镜俯仰轴4-13上于竖直平面内绕窥镜俯仰轴4-13转动；以所述窥镜俯仰轴4-13与所述窥镜航向轴
4-4构成窥镜主架板4-21的二维旋转垂直轴系；
4-4构成窥镜主架板4-21的二维旋转垂直轴系；
[0035] 以所述窥镜主架板4-21为支撑固定设置窥镜探杆座4-18，在所述窥镜探杆座4-18中呈X向设置可转动的窥镜传动齿轮轴4-15，在所述窥镜传动齿轮轴4-15上固定设置窥镜传动齿轮4-16；位于窥镜探杆座4-18中的窥镜探杆4-17通过齿条与所述窥镜传动齿轮4-16实现啮合传动；所述窥镜探杆4-17在窥镜探杆座4-18中的轴向移动通过窥镜传动齿轮4-16带动窥镜传动齿轮轴转动；所述窥镜探杆4-17在前端和尾端贯穿所述窥镜探杆座4-18，并以所述窥镜探杆4-17的前端为探杆头，在所述窥镜探杆4-17的尾部连接窥镜电位器4-19作为操作手柄。
[0036] 具体是以窥镜电位器4-19的输出轴与窥镜探杆4-17的尾部利用螺钉固定连接，保证两者无相对转动；以窥镜电位器4-19的外壳作为操作手柄，操作时，窥镜电位器4-19的外壳相对窥镜探杆4-17转动，模拟实现内窥镜绕自身轴线旋转及旋转角度的实时测量。
[0037] 本实施例中，以窥镜探杆4-17通过齿条与窥镜传动齿轮4-16实现啮合传动，在满足窥镜探杆4-17的轴向位移的同时，还能够通过圆柱齿条齿轮副的啮合将探杆的直线运动变为齿 轮圆周运动，大大解决了在安装空间有限的情况下190mm行程探杆的轴向位移测量和轴向阻尼难以直接实施的难题。
[0038] 设置柔性阻尼定位系统，其包括设置在窥镜传动齿轮轴4-15上的第一柔性阻尼定位装置4-20、设置在窥镜俯仰轴4-13上的第二柔性阻尼定位装置4-12，以及设置在窥镜航向轴4-4上的第三柔性阻尼定位装置4-5；所述第一柔性阻尼定位装置4-20是在窥镜探杆4-17与窥镜探杆座4-18之间形成柔性阻尼；所述第二柔性阻尼定位装置4-12是在窥镜俯仰轴4-13与窥镜“U”形座4-3之间形成柔性阻尼；所述第三柔性阻尼定位装置4-5是在所述窥镜航向轴4-4与窥镜“U”形座4-3之间形成柔性阻尼；
[0039] 具体实施中，相应的结构设置也包括：
[0040] 分别设置各窥镜光栅码盘及读数头，用于获得窥镜俯仰轴4-13和窥镜航向轴4-4的角位移，以及窥镜探杆4-17的轴向位移。如图2所示，在窥镜航向轴4-4的下端与窥镜“U”形座4-3之间设置用于获得窥镜航向轴4-4的角位移的窥镜第三光栅码盘及读数头4-2；设置用于获得窥镜俯仰轴4-13的角位移的窥镜第二光栅码盘及读数头4-22，以及用于获得窥镜探杆4-17的轴向位移的窥镜第一光栅码盘及读数头4-14；采用非接触式光栅码盘及读数头实现无限圆周角测量，其精度高、成本低、结构简单、体积小、易于安装、信号不受温度和磁场等干扰。
[0041] 设置窥镜零位校准块4-23，所述窥镜零位校准块4-23以其上段固定在窥镜主支架板4-21的一侧边，所述窥镜零位校准块4-23的底部设置为倒梯形端面4-23a，在窥镜底座4-1的水平台面上对应设置为倒梯形槽4-23b，利用所述倒梯形端面与倒梯形槽的配合实现窥镜航向轴4-4和窥镜俯仰轴4-13的旋转限位和回零。以窥镜零位校准块4-23作为窥镜航向轴4-4和窥镜俯仰轴4-13的初始零点校准器件，可实现迅速、高定位精度的装置归零。
[0042] 如图2所示，第三柔性阻尼定位装置4-5是在窥镜航向轴4-4的上部依次套装聚四氟乙烯垫片4-6，铝合金垫片4-7，弹簧导向轴4-8、压缩弹簧4-9和弹簧盖帽4-10，在所述弹簧盖帽4-10上压装调节螺母4-11，所述调节螺母4-11螺纹连接在窥镜航向轴4-4的上端，利用调节螺母4-11压紧所述聚四氟乙烯垫片4-6在所述窥镜航向轴4-4与窥镜“U”形座4-3之间形成柔性阻尼，调节螺母11实现了柔性阻尼力的可调。图2中所示的第一柔性阻尼定位装置和第二柔性阻尼定位装置具有相应的结构形式。通过三组轴系的旋转阻尼机构，分别实现了对内窥镜镜头视角左右摆动旋转、上下俯仰旋转、前后轴向移动三个运动方向的可调柔性阻尼定位。
[0043] 本实施例中，通过三组轴系的旋转阻尼机构，分别实现了对内窥镜镜头视角左右摆动旋转、上下俯仰旋转、前后轴向移动3个运动方向的可调柔性阻尼定位，可真正实现实现操作控制任意位置内窥镜视角的阻尼定位，保证内窥镜视角的稳定。
[0044] 参见图3，本实施例中微创手术综合训练系统是在安装底板9的中央固定安装本实施例中的内窥镜模拟装置11，在所述内窥镜模拟装置11的左侧固定安装有左手侧微创手术模拟装置10-1，在所述内窥镜模拟装置11的右侧固定安装有右手侧微创手术模拟装置10-2，构成一套完整的微创手术综合训练系统。
[0045] 具体实施中，安装底板9可以配置在台车或者手术台上，整个手术模拟需要手术医生和助手两个人配合完成，医生以左手操左手侧微创手术模拟装置10-1，以右手操作右手侧微创手术模拟装置10-2，助手操作内窥镜模拟装置11，为医生提供准确的人体腔内视角信息，配合医生进行微创手术训练。
[0046] 本实施例中左手操左手侧微创手术模拟装置10-1和右手操左手侧微创手术模拟装置10-2具有相同的结构形式，设置为如下形式的基于磁阻尼器的微创手术仿真装置：
[0047] 参见图4、图5和图6所示,基于磁阻尼器的微创手术仿真装置是以底座1-1为支撑呈Z向设置航向轴1-5，在航向轴1-5上配合设置“U”形座1-3，并且“U”形座1-3可以在航向轴1-5上于水平面内绕航向轴1-5转动，Z向为竖直方向。
[0048] 以“U”形座1-3为支撑呈X向设置俯仰轴1-8，在俯仰轴1-8上配合设置主架板1-10，并且主架板1-10可以在俯仰轴1-8上于竖直平面内绕俯仰轴1-8转动；以俯仰轴1-8与航向轴1-5构成主架板1-10的二维旋转垂直轴系。
[0049] 以主架板1-10为支撑固定设置探杆座3-1，在探杆座3-1中呈X向设置可转动的齿轮轴，在齿轮轴上固定设置传动齿轮3-2；位于探杆座3-1中的探杆3-3通过齿条与传动齿轮3-2实现啮合传动，在齿轮轴的轴端固定设置第一锥齿轮3-4；探杆3-3在探杆座3-1中的轴向移动通过传动齿轮3-2-带动齿轮轴转动；探杆3-3在前端和尾端贯穿探杆座
3-1，并以探杆3-3的前端为探杆头，在探杆3-3的尾段连接手术夹钳3-5。
3-1，并以探杆3-3的前端为探杆头，在探杆3-3的尾段连接手术夹钳3-5。
[0050] 具体实施中，在手术夹钳3-5与探杆3-3之间设置电位器3-6，电位器3-6的输出轴与探杆3-3的尾端用螺钉固定连接，保证两者无相对转动；电位器3-6的外壳与手术夹钳3-5的输出轴固定连接，以手术夹钳3-5的转动带动电位器3-6的外壳相对探杆3-3进行转动，可模拟实现手术夹钳绕自身轴线旋转及旋转角度的实时测量。同时，在手术夹钳3-5的钳口中设置电位器，用于检测手术夹钳3-5的张开角度，模拟手术夹钳的张开和闭合间的连续动作，模拟夹钳夹持胆囊等器官动作。
[0051] 本实施例中，以探杆3-3通过齿条与传动齿轮3-2实现啮合传动，在满足探杆3-3的轴向位移的同时，还能够通过圆柱齿条齿轮副的啮合将探杆的直线运动变为齿轮圆周运动，大大解决了在安装空间有限的情况下190mm行程探杆的轴向位移测量和轴向阻尼难以直接实施的难题。同时，在齿轮轴的轴端设置第一锥齿轮3-4用于连接阻尼器轴系，采用90°的转向传动大大节省了整体装置的体积，使结构更加紧凑。这一结构形式使手持手术夹钳可模拟实现真实手术器械在三维空间中左右摆动旋转、上下俯仰旋转、绕自身轴线回转、前后轴向移动以及手术夹钳的张开闭合等运动。
[0052] 本实施例中，设置探杆轴向力反馈系统，是在主架板1-10的一侧利用阻尼器支撑架2-3设置第一磁阻尼器2-4，第一磁阻尼器2-4具有可相对转动的筒体和中轴，磁阻尼力形成在相对转动的筒体和中轴之间；磁阻尼输出轴2-5与第一磁阻力器2-4的中轴为同轴，第一磁阻尼器2-4的中轴可依靠磁力带动筒体转动；在筒体的底部固联筒体轴；设置由电磁刹车盘2-2和刹车盘底座2-1构成的电磁刹车器，刹车盘底座2-1与主架板1-10固定连接，电磁刹车盘2-2与筒体轴固定连接；在磁阻力输出轴2-5的轴端固定设置第二锥齿轮2-7，在第二锥齿轮2-7与第一锥齿轮3-4之间进行啮合传动。磁阻尼输出轴2-5是与电磁刹车盘2-2固紧在一起，一旦电磁刹车盘2-2被电磁刹车底座2-1锁住，此时磁阻尼输出轴
2-5的旋转阻尼产生，且随着旋转角度越大，阻尼越大。本实施例中，在俯仰轴1-8的两轴端与“U”型座1-3的两侧板之间是以轴孔相配合，在进行俯仰轴的安装时，应该使得电磁刹车盘2-2和刹车盘底座2-1之间保持有0.02mm的间隙。
2-5的旋转阻尼产生，且随着旋转角度越大，阻尼越大。本实施例中，在俯仰轴1-8的两轴端与“U”型座1-3的两侧板之间是以轴孔相配合，在进行俯仰轴的安装时，应该使得电磁刹车盘2-2和刹车盘底座2-1之间保持有0.02mm的间隙。
[0053] 探杆轴向力反馈系统作用原理是：手术夹钳3-5旋转带动第一磁阻尼器2-4共同无阻尼旋转，以此模拟在夹钳没有触碰器官之前的动作状态；对于探杆前端碰到器官的动作状态是以电磁刹车器通电进行模拟，在电磁刹车器通电时，第一磁阻尼器2-4的筒体轴被电磁刹车器抱死，由于磁阻尼的作用，扶持手术夹钳的手感如同碰到真实的器官，随着探杆的深入触碰即旋转角度越大，阻尼力也慢慢柔性增大，当手术夹钳带动探杆收回，阻尼也慢慢变小，具有真实的软组织柔性回弹效果，这一回弹效果通过一对锥齿轮副的传递转换为探杆的轴向移动阻尼；当以手术夹钳夹紧一块肿瘤等组织向外拉动时，此时反向阻尼开始生效。在磁阻力输出轴2-5上安装力矩传感器，可检测获得阻尼力的大小，这对于培养医生的手术技能有很大的帮助。
[0054] 具体实施中，在主架板1-10与俯仰轴1-8之间设置第二磁阻尼器1-11，在俯仰轴1-8与“U”形座1-3之间安装俯仰轴电磁刹车器1-7，用于在俯仰轴1-8与“U”形座1-3之间进行制动。
[0055] 在“U”形座1-3与航向轴1-5之间设置第三磁阻尼器1-4，在航向轴1-5与底座1-1之间设置航向轴电磁刹车器1-2，用于在航向轴1-5与底座1-1之间进行制动。
[0056] 本实施例中共形成三组柔性阻尼反馈，即探杆的上下俯仰、左右摆动的旋转阻尼以及轴向移动阻尼，通过软件仿真人体内腔界面可实现对手术夹钳力反馈控制，捕捉夹钳等器械是否触碰人体器官，从而触发相应电磁刹车器使各阻尼器产生真实的接触人体力反馈效果。具体实施中，分别在各对应位置上设置各非接触式光栅码盘及读数头，包括如图5所示的设置在航向轴的轴端与主架板之间的用于获得航向轴1-5的角位移的第三光栅码盘及读数头1-6，用于获得俯仰轴1-8的角位移的第二光栅码盘及读数头1-9，以及用于获得探杆3-3的轴向位移的第一光栅码盘及读数头2-6；采用非接触式光栅码盘及读数头实现无限圆周角测量，其成本低、结构简单、体积小、易于安装、信号不受温度和磁场等干扰。
[0057] 具体实施中，涉及的运动信号包括：航向轴1-5和俯仰轴1-8的角位移、用于模拟手术刀的探杆的自转角位移和轴向位移，以及手术夹钳的开合角度。其中，航向轴和俯仰轴的角位移，以及探杆的轴向位移是由各对应位置上的非接触式高精度光栅码盘及读数头分别获取，探杆的轴向位移是利用齿条齿轮传动结构将直线转变为圆周运动进行测量，探杆的自转角位移和手术夹钳的开合角度由电位器获取；各路信号通过空间坐标转换可以计算出手术夹钳在模拟操作界面中的当前三维坐标及手术夹钳的开合角状态，并实时直观将手术夹钳显示在模拟操作界面上，基于内窥镜引导的屏幕视觉可指导医生自如仿真真实的手术情景。
[0058] 图4所示，本实施例中设置倒“V”形零位校准块8，零位校准块8以其一侧固定在主支架板1-10的一侧壁的下部，另一侧在底部端面设置为呈90°的“V”型端面8a，在支撑平台上对应设置相吻合的“V”型槽8b，以零位校准块8的“V”型端面8a与“V”型槽8b的配合实现航向轴和俯仰轴的旋转限位和回零，支撑平台是支撑在底座1-1上的水平台面，以零位校准块8作为航向轴1-5和俯仰轴1-8的初始零点校准器件，可实现迅速、高定位精度的装置归零；具体实施中，“V”型端面和“V”型槽也可以对应设置为倒梯形端面和倒梯形槽，其梯形的两边互呈90度。
[0059] 参见图7a和图7b，本实施例中第一磁阻尼器2-4、第二磁阻尼器1-11和第三磁阻尼器1-4是采用基于圆柱磁铁副的双向旋转阻尼器，其结构形式是：设置一对径向充磁的烧结钕铁硼圆柱磁铁副，构成磁铁副的分别是第一圆柱磁铁1和第二圆柱磁铁2；第一圆柱磁铁1固定嵌装在中轴7中，中轴7利用深沟球轴承6和端盖5支承在筒体3的中心轴线位置上，第二圆柱磁铁2固定设置在筒体3中半径为R的圆周位置上，具体是在筒体3的对应位置上设置轴向通孔，第二圆柱磁铁2嵌装在轴向通孔中，并以紧定螺钉4紧固，保证磁力线通过 圆心；中轴7处在筒体3的中轴位置上，中轴7与筒体3共轴，并且可以相对转动；第一圆柱磁铁1和第二圆柱磁铁2的磁力线是在沿中轴7的径向方向上。
[0060] 令第一圆柱磁铁1的半径为R1，第二圆柱磁铁2的半径为R2，设定：R大于R1+R2，使得在第一圆柱磁铁1与第二圆柱磁铁2之间形成有间隔，这一结构形式使两圆柱磁铁之间非接触，无磨损；并且将两磁铁副间的磁力转化为中轴和筒体间的旋转阻尼力，使阻尼力的输出和使用成为可能。
[0062] 在筒体3上设置轴向通孔用于固定安装第二圆柱磁铁2，改变半径R的大小和/或取不同的半径R2的值，可以调整阻尼器输出的阻尼力的大小。
[0063] 设置阻尼器可以有如下两种不同的控制模式：
[0064] 模式一：筒体阻尼输出
[0065] 固定中轴7，定义中轴7所在的圆心角位置为基准位置P，在基准位置处，第一圆柱磁铁1的与第二圆柱磁铁2的磁力线处在同一直线上，并且磁力线方向相反，在基准位置P处筒体阻尼输出为最小阻尼力；
[0066] 保持第一圆柱磁铁1的磁力线方向不变，驱动筒体3转动，第二圆柱磁铁2随筒体3同步转动，随着筒体3转过的圆心角越大，且不大于90°，筒体阻尼输出的阻尼力越大，在筒体3转过的圆心角为90°时，筒体阻尼输出为最大阻尼力，如图7b中所示M点位置为筒体逆时针转过90°，M点位置处是筒体逆时针转动时的最大阻尼力点，N点位置为筒体顺时针转过90°，N点位置处是筒体顺时针转动时的最大阻尼力点。
[0067] 对应于筒体3相对于中轴7在顺时针方向和在逆时针方向上的转动，正向阻尼力关于基准位置为对称。
[0068] 模式二：中轴阻尼输出
[0069] 固定筒体3，定义筒体3所在的圆心角位置为基准位置P，在基准位置P处，第一圆柱磁铁1的与第二圆柱磁铁2的磁力线处在同一直线上，并且磁力线方向相反，在基准位置P处中轴阻尼输出为最小阻尼力；
[0070] 保持第二圆柱磁铁2的磁力线方向不变，驱动中轴7转动，第一圆柱磁铁1随中轴7同步转动，随着中轴7转过的圆心角越大，且不大于90°，中轴阻尼输出的阻尼力越大，在中轴7转过的圆心角为90°时，中轴阻尼输出为最大阻尼力,如图7b中所示，筒体固定，中轴自转，M点位置为中轴逆时针转过90°，M点位置处是中轴逆时针转动时的最大阻尼力点，N点位置为中轴顺时针转过90°，N点位置处是中轴顺时针转动时的最大阻尼力点。
[0071] 对应于中轴7相对于筒体3在顺时针方向和在逆时针方向上的转动，正向阻尼力关于基准位置为对称。
[0072] 也可以设置阻尼器为传动单元，传动单元中的第一圆柱磁铁1和第二圆柱磁铁2均为自由状态，设置传动单元的工作模式为：以转动的中轴7带动筒体3转动，或是以筒体3带动中轴7转动。
[0073] 本实施例中，第一阻尼器是采用中轴阻尼输出的工作模式二，第二阻尼器和第三阻尼器是采用筒体阻尼输出的工作模式一。
[0074] 本实施例中磁阻尼器具有如下技术效果：
[0075] 1、阻尼力稳定，其阻尼器温度适用范围达到-40℃～180℃，其完全满足医学使用环境的要求，在其使用环境内，永磁铁阻尼力保持不变，不会发生如弹簧、钢丝绳等阻尼器件的疲劳；也不会发生诸如粘性油、硅油阻尼器随外界温度变化油的粘度变化引起的阻尼力的不恒定的等问题；
[0076] 2、转矩稳定：永磁具有稳定的扭矩，静止和转动时扭矩不变。因此，从最低转速到最高转速，扭矩始终恒定。不受时间、温度、速度或其他系统影响而变化；
[0077] 3、因受圆柱磁铁副磁场力的作用，阻尼器有高定位精度的零位基准，阻尼器不工作时始终处于零位状态上；阻尼器工作时，偏离零位具有顺时针和逆时针两个方向的阻尼，两向阻尼关于零位对称，且阻尼力随偏离角度的增大而增大，在医学手术模拟训练尤其是需要柔性力反馈场合有极为迫切的需要。
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