本实用新型公开一种用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，包括带有力反馈的操作子系统和电气子系统；所述操作子系统实现镜头的上下伸缩、自身旋转、左右水平移动、前后水平移动四个自由度运动，以及手持开关按钮来实现虚拟腹腔镜镜头训练过程中的操作；所述电气子系统实现了采集镜头上下伸缩、自身旋转、左右水平移动、前后水平移动四个自由度运动过程中的数据以及手持按钮数据，并且电机控制模块实现对力反馈的控制并且输出到手持自旋旋转、左右水平移动、前后水平移动三个自由度中。本实用新型便于对腹腔镜镜头的视角、长度和方位进行自
1.一种用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：包括带有力反馈的操作
所述操作子系统包括基座，所述基座上设有固定立柱(9)，所述固定立柱(9)上滑动连
接有水平设置的左右控制电机底座(5)，所述左右控制电机底座(5)内安装左右控制电机，
左右控制电机的输出轴连接平放的L型连接件(10)，L型连接件(10)的外侧壁上固定连接前
后控制电机(11)，前后控制电机(11)的输出轴穿过L型连接件(10)的侧壁连接固定件(15)，
所述固定件(15)的下方连接自旋控制电机(17)，自旋控制电机(17)的输出轴向上穿过固定
件(15)连接自旋筒(4)，所述自旋筒(4)上方连接套筒(2)，套筒(2)顶部滑动套设有外盖伸
缩杆(19)，所述外盖伸缩杆(19)侧壁设有镜头按钮(18)；外盖伸缩杆(19)与套筒(2)之间设
有位移传感单元，所述左右控制电机、前后控制电机(11)、自旋控制电机(17)上分别设有编
所述电气子系统包括电性连接的主控芯片(101)、电机驱动模块(102)、模拟量采集模
块(106)；所述模拟量采集模块(106)与编码器电性连接，通过编码器获取旋转角度数据，所
述电机驱动模块(102)与左右控制电机、前后控制电机(11)、自旋控制电机(17)电性连接，
主控芯片(101)通过电机驱动模块(102)完成对左右控制电机、前后控制电机(11)、自旋控
2.根据权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述位
移传感单元包括位移传感杆(3)和位移传感器滑动筒(22)，所述位移传感杆(3)一端与自旋
筒(4)连接，另一端与套筒(2)固定连接，所述位移传感器滑动筒(22)设于套筒(2)内，与位
移传感杆(3)滑动连接，所述外盖伸缩杆(19)顶部设有丝杆(1)，所述丝杆(1)向外盖伸缩杆
3.根据权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述套
筒(2)外周设有竖向滑轨，所述外盖伸缩杆(19)沿套筒(2)的滑轨滑动。
4.根据权利要求3所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述套
筒(2)外周设有按钮线所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述固
定件(15)靠近L型连接件(10)一侧沿周向设置两个第一限位块(13)，L型连接件(10)在对应
两个第一限位块(13)之间设有第一限位条(12)，第一限位条(12)与两个第一限位块(13)限
6.根据权利要求5所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述两
个第一限位块(13)和第一限位条(12)控制固定件(15)运动开合角度在0‑60度之间。
7.根据权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述左
右控制电机底座(5)端部沿左右控制电机的输出轴方向连接转接筒(23)，转接筒(23)套设
在左右控制电机的输出轴外周，转接筒(23)靠近L型连接件(10)的一端设有沿周向设有两
个第二限位块(6)，L型连接件(10)下方对应两个第二限位块(6)的区域设有第二限位条
8.根据权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述L
9.根据权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述固
10.根据权利要求1所述的用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，其特征在于：所述
主控芯片(101)发送电机控制指令、接受处理传感器数据，电机驱动模块(102)将主控芯片
(101)传递的电机驱动指令转为电流脉冲信号，完成对左右控制电机、前后控制电机(11)和
自旋控制电机(17)的力反馈方向和大小的控制；所述模拟量采集模块(106)负责采集镜头
左右编码器值(107)、镜头前后编码器值(108)、镜头自旋编码器值(109)并将其转换为数字
[0001]本实用新型涉及腔镜模拟训练技术领域，具体涉及一种用于虚拟腹腔镜镜头训练
[0002]随着生物仿真学、计算机图形学、生物建模技术的不断发展，基于虚拟现实技术的
虚拟腹腔镜手术训练系统为医护人员的手术训练提供了机会。虚拟腹腔镜手术系统可以通
过构建逼真的手术场景、模拟手术过程、获取触觉反馈来培训医护人员的手术技能。与传统
医师受训过程不同，虚拟腹腔镜手术可以毫无限制的重复操作，而且可以根据需要设置不
同训练难度，让不同级别的医护人员反复训练。同时，可以不必担心实验材料、场地的限制，
可以最大限度的缩短培训周期。实施虚拟手术需要利用机械结构控制手术流程，并在手术
[0003]中国实用新型专利28提供一种腹腔镜镜头，包括视角固定按钮、镜头
盖体、镜头把手、伸缩杆、连接件和方位信号采集模块；镜头盖体通过螺纹拧在所述镜头把
手的顶部，视角固定按钮固定于镜头盖体上，伸缩杆套入镜头把手内，镜头把手可沿伸缩杆
上下滑动，伸缩杆通过连接件与方位信号采集模块连接。该实用新型专利装置虽能实现镜
头数据采集，但对于在实际虚拟训练场景时由于镜头和虚拟场景碰撞时产生并传递给操作
者的触觉反馈却没有考虑，使医师在训练过程中缺乏相应的交互触觉体验，大大影响了医
[0004]为解决上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种用于虚拟腹腔镜镜头训练的
[0006]一种用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，包括带有力反馈的操作子系统和电
气子系统；所述操作子系统包括基座，所述基座上设有固定立柱，所述固定立柱上滑动连接
有水平设置的左右控制电机底座，所述左右控制电机底座内安装左右控制电机，左右控制
电机的输出轴连接平放的L型连接件，L型连接件的外侧壁上固定连接前后控制电机，前后
控制电机的输出轴穿过L型连接件的侧壁连接固定件，所述固定件的下方连接自旋控制电
机，自旋控制电机的输出轴向上穿过固定件连接自旋筒，所述自旋筒上方连接套筒，套筒顶
部滑动套设有外盖伸缩杆，所述外盖伸缩杆侧壁设有镜头按钮；外盖伸缩杆与套筒之间设
有位移传感单元，所述左右控制电机、前后控制电机、自旋控制电机上分别设有编码器；
[0007]所述电气子系统包括电性连接的主控芯片、电机驱动模块、模拟量采集模块；所述
模拟量采集模块与编码器电性连接，通过编码器获取旋转角度数据，所述电机驱动模块与
左右控制电机、前后控制电机、自旋控制电机电性连接，主控芯片通过电机驱动模块完成对
[0008]进一步地，所述位移传感单元包括位移传感杆和位移传感器滑动筒，所述位移传
感杆一端与自旋筒连接，另一端与套筒固定连接，所述位移传感器滑动筒设于套筒内，与位
移传感杆滑动连接，所述外盖伸缩杆顶部设有丝杆，所述丝杆向外盖伸缩杆内延伸连接位
[0009]进一步地，所述套筒外周设有竖向滑轨，所述外盖伸缩杆沿套筒的滑轨滑动。
[0010]进一步地，所述套筒外周设有按钮线]进一步地，所述固定件靠近L型连接件一侧沿周向设置两个第一限位块，L型连接
件在对应两个第一限位块之间设有第一限位条，第一限位条与两个第一限位块限定固定件
[0012]进一步地，所述两个第一限位块和第一限位条控制固定件运动开合角度在0‑60度
[0013]进一步地，左右控制电机底座端部沿左右控制电机的输出轴方向连接转接筒，转
接筒套设在左右控制电机的输出轴外周，转接筒靠近L型连接件的一端设有沿周向设有两
个第二限位块，L型连接件下方对应两个第二限位块的区域设有第二限位条，L型连接件在
[0016]进一步地，还包括电气子系统，所述电气子系统包括主控芯片、电机驱动模块、模
拟量采集模块；所述主控芯片发送电机控制指令、接受处理传感器数据，电机驱动模块将主
控芯片传递的电机驱动指令转为电流脉冲信号，完成对左右控制电机、前后控制电机和自
旋控制电机的力反馈方向和大小的控制；所述模拟量采集模块负责采集镜头左右编码器
值、镜头前后编码器值、镜头自旋编码器值并将其转换为数字信号传递给主控芯片处理。
[0018]本实用新型能够采集镜头上下伸缩、自身旋转、左右水平移动、前后水平移动四个
自由度运动过程中的数据以及手持按钮数据，并且电气子系统的电机控制模块实现对力反
馈的控制并且输出到手持自旋旋转、左右水平移动、前后水平移动三个自由度中，相比现有
的凭借经验通过肉眼观察来操作腹腔镜镜头，便于对腹腔镜镜头的视角、长度和方位进行
自动精准地捕捉和控制，以便于更好的操作腹腔镜镜头，在腹腔手术中，更加精确地进行手
[0019]本实用新型在虚拟腹腔镜手术中，能够实时获取四个自由度的运动姿态，且驱动
执行速度快，可靠性高，鲁棒性好。同时，还能够使医师在手术操作时感受到由场景中虚拟
[0020]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附
图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对
范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
[0027]附图标记：1‑丝杆，2‑套筒，3‑位移传感器，4‑自旋筒，5‑左右控制电机底座，6‑第
二限位块，7‑水平配重块，8‑镜头托叉，9‑固定立柱，10‑L型连接件，11‑前后控制电机，13‑
第一限位块，15‑固定件，17‑自旋控制电机，18‑镜头按钮，19‑外盖伸缩杆，20‑按钮线]101‑主控芯片，102‑电机驱动模块，106‑模拟量采集模块，107‑镜头左右编码器
值，108‑镜头前后编码器值，109‑镜头自旋编码器值，110‑算法模块，111‑PWM电机控制算
[0029]为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例
中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施
例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实
施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施
例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的
[0030]一种用于虚拟腹腔镜镜头训练的力反馈系统，包括带有力反馈的操作子系统和电
[0031]所述操作子系统如图1‑图5所示，包括基座，所述基座上设有固定立柱9，所述固定
立柱9上滑动连接有水平设置的左右控制电机底座5，所述左右控制电机底座5内安装左右
控制电机，左右控制电机的输出轴连接平放的L型连接件10，L型连接件10的另一端外侧壁
上固定连接前后控制电机11，前后控制电机11的输出轴穿过L型连接件10的侧壁连接固定
件15，所述固定件15的下方连接自旋控制电机17，自旋控制电机17的输出轴向上穿过固定
件15连接自旋筒4，所述自旋筒4上方连接位移传感器3，所述位移传感器3上方套设有套筒
2，套筒2顶部滑动套设有外盖伸缩杆19，外盖伸缩杆19可沿套筒2上下滑动，所述外盖伸缩
杆19顶部设有丝杆1，所述丝杆1向外盖伸缩杆19内延伸连接位移传感器3的位移传感器滑
动筒22，所述外盖伸缩杆19侧壁设有镜头按钮18，镜头按钮18可以在腹腔镜镜头训练中提
供镜头固定和选择镜头角度功能；所述左右控制电机、前后控制电机11、自旋控制电机17上
[0032]所述电气子系统如图6所示，包括主控芯片101、电机驱动模块102、模拟量采集模
块106；所述模拟量采集模块106与编码器电性连接，通过编码器获取旋转角度数据，所述电
机驱动模块102与左右控制电机、前后控制电机11、自旋控制电机17电性连接，主控芯片101
通过电机驱动模块102完成对左右控制电机、前后控制电机11、自旋控制电机17的力反馈方
[0033]本实用新型的操作子系统的具体工作方式为：外盖伸缩杆19在执行伸缩动作时能
够带动位移传感器滑动筒22移动，使位移传感器3产生信号变化值，可以虚拟腹腔镜镜头的
深度；外盖伸缩杆19自转时，带动套筒2、位移传感器3发生自转，并通过自旋筒4传递给所述
自旋控制电机17，由其编码器获取自旋角度数据，同时能够将自旋控制电机驱动力反馈到
设备中；外盖伸缩杆19做前后移动动作时，通过固定件15带动前后控制电机11旋转，前后控
制电机11的编码器获取前后旋转角度数据以及前后控制电机驱动力；外盖伸缩杆19做左右
移动动作时，通过固定件15、L型连接件10带动左右控制电机旋转，左右控制电机的编码器
[0034]优选的，所述套筒2外周设有竖向滑轨，所述外盖伸缩杆19沿套筒2的滑轨滑动；进
一步地，所述套筒2外周设有按钮线的凹槽走线上下移动时磨损数据传输线]进一步地，所述固定件15靠近L型连接件10一侧沿周向设置两个第一限位块13，L
型连接件10在对应两个第一限位块13之间设有第一限位条12，外盖伸缩杆19做前后移动动
作时，带动固定件15随前后控制电机11的输出轴转动，固定件15带动第一限位块13转动，固
定件15的转动范围受第一限位条12与两个第一限位块13限定，以此限定外盖伸缩杆19做前
后转动的范围；优选的，两个所述第一限位块13和第一限位条12控制固定件15运动开合角
[0036]进一步地，左右控制电机底座5端部沿左右控制电机的输出轴方向连接转接筒23，
转接筒23套设在左右控制电机的输出轴外周，转接筒23靠近L型连接件10的一端设有沿周
向设有两个第二限位块6，L型连接件10下方对应两个第二限位块6的区域设有第二限位条
16，外盖伸缩杆19做左右移动动作时，带动固定件15、L型连接件10随左右控制电机输出轴
转动，L型连接件10带动第二限位条16在两个第二限位块6限定区域内转动，以此限定外盖
[0037]所述L型连接件10远离侧壁的一侧连接有水平配重块7，可以根据实际需求增加或
[0038]所述固定立柱9的上部滑动连接镜头托叉8，镜头托叉8用于在腹腔镜镜头训练完
[0039]所述电气子系统中，所述主控芯片101以STM32为核心，负责各个系统的调配、发送
电机控制指令、接受处理传感器数据，电机驱动模块102将主控芯片101传递的电机驱动指
令根据PWM电机控制算法111转为电流脉冲信号，也可根据信号控制电流大小，完成对左右
控制电机、前后控制电机11、自旋控制电机17的力反馈方向和大小的控制。模拟量采集模块
106负责采集镜头左右编码器值107、镜头前后编码器值108、镜头自旋编码器值109并将其
转换为数字信号传递给主控芯片101处理，通过数据滤波算法112能有效避免电流波动引起
的数据波动从而提高数据的精准度。主控芯片101还可以通过上位机通信模块113利用通信
协议或者CAN总线与上位机进行通信，同时SDK驱动114里面封装了相关的通信协议内容，包
[0040]当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的
情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相
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