具有微力感知的眼科手術(shù)器械的設(shè)計與實現(xiàn)
發(fā)布時間：2021-03-19 16:49
針對眼內(nèi)顯微手術(shù)過程中器械與組織器官之間作用力微小、不易感知,且過大的操作力會造成組織損傷甚至撕裂等問題,設(shè)計一種基于光纖布拉格光柵（FBG）的微力傳感器。在建立FBG反饋波長變化與力的關(guān)系基礎(chǔ)上,探討了溫度對波長變化的影響,提出了溫度補償方法。利用自行研制的微力傳感器標定系統(tǒng)進行傳感器標定試驗（精度0.42 mN）。將所研制的微力傳感器集成到眼內(nèi)手術(shù)鑷末端,對離體豬眼球進行了連續(xù)環(huán)形撕囊操作試驗。通過對19組數(shù)據(jù)分析,得到最大撕囊力的平均值為22.43 mN。研究對眼科手術(shù)的精準操作和手術(shù)機器人進行微力控制奠定了基礎(chǔ)。
【文章來源】：機械工程學報. 2020,56(17)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
FBG示意圖
機械工程學報第56卷第17期期14圖3安裝槽與FBG安裝2.2FBG反饋波長與作用力之間的關(guān)系首先，對固定在鎳鈦合金絲末端的單根FBG進行試驗測試，建立鎳鈦合金絲末端的作用力與FBG反饋波長之間的線性關(guān)系，同時確認FBG的分辨率是否能夠滿足要求。利用自行研制的標定平臺進行測試，分別測量FBG傳受拉和受壓狀態(tài)下，末端作用力與波長的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。圖4反饋波長與作用力關(guān)系結(jié)果表明，鎳鈦合金絲所受接觸力的大小與FBG的反饋波長之間具有良好的線性關(guān)系，分辨率可以達到0.067mN。2.3溫度變化對FBG反饋波長的影響通過將熱源緩慢靠近、遠離傳感器，記錄FBG在環(huán)境溫度大約在25°～40°范圍內(nèi)的波長變化量，如圖5所示。圖5溫度變化時FBG波長變化從圖5中可以看出，波長的最大變化量為0.015nm(對應(yīng)器械受1mN作用力產(chǎn)生形變)，可見溫度對FBG反饋波長變化的影響是顯著的。因此，直接通過FBG實際波長的變化建立其與作用力之間的關(guān)系很難消除溫度對誤差的影響，需要對溫度進行補償[15-16]。2.4形變與接觸力的關(guān)系由于鎳鈦合金絲一端固定，一端受力，其力學模型可等效為一懸臂梁如圖3b所示，當鎳鈦合金絲受垂直于軸線方向的作用力時，其中性面垂直于受力方向且同鎳鈦合金絲的軸線一致。對鎳鈦合金絲末端施加作用力時，F(xiàn)BG處發(fā)生的應(yīng)變σ按懸臂梁模型可以表示為maxyMyFLyRIIσ=σ==(1)式中，y是FBG到鎳鈦合金絲中性面的距離，R是鎳鈦合金絲的半徑，maxσ是鎳鈦合金絲上離中性面最遠點產(chǎn)生的應(yīng)變，I是鎳鈦合金絲橫截面的慣性矩，M是由作用力產(chǎn)生的力矩，L是?
鈦合金絲末端的作用力與FBG反饋波長之間的線性關(guān)系，同時確認FBG的分辨率是否能夠滿足要求。利用自行研制的標定平臺進行測試，分別測量FBG傳受拉和受壓狀態(tài)下，末端作用力與波長的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。圖4反饋波長與作用力關(guān)系結(jié)果表明，鎳鈦合金絲所受接觸力的大小與FBG的反饋波長之間具有良好的線性關(guān)系，分辨率可以達到0.067mN。2.3溫度變化對FBG反饋波長的影響通過將熱源緩慢靠近、遠離傳感器，記錄FBG在環(huán)境溫度大約在25°～40°范圍內(nèi)的波長變化量，如圖5所示。圖5溫度變化時FBG波長變化從圖5中可以看出，波長的最大變化量為0.015nm(對應(yīng)器械受1mN作用力產(chǎn)生形變)，可見溫度對FBG反饋波長變化的影響是顯著的。因此，直接通過FBG實際波長的變化建立其與作用力之間的關(guān)系很難消除溫度對誤差的影響，需要對溫度進行補償[15-16]。2.4形變與接觸力的關(guān)系由于鎳鈦合金絲一端固定，一端受力，其力學模型可等效為一懸臂梁如圖3b所示，當鎳鈦合金絲受垂直于軸線方向的作用力時，其中性面垂直于受力方向且同鎳鈦合金絲的軸線一致。對鎳鈦合金絲末端施加作用力時，F(xiàn)BG處發(fā)生的應(yīng)變σ按懸臂梁模型可以表示為maxyMyFLyRIIσ=σ==(1)式中，y是FBG到鎳鈦合金絲中性面的距離，R是鎳鈦合金絲的半徑，maxσ是鎳鈦合金絲上離中性面最遠點產(chǎn)生的應(yīng)變，I是鎳鈦合金絲橫截面的慣性矩，M是由作用力產(chǎn)生的力矩，L是鎳鈦合金絲伸出端的長度，而F是在鎳鈦合金絲尖端施加的力。其中L與I為定值，y的取值可以通過鎳鐵合金絲的旋轉(zhuǎn)角度得到，則可得FBG部分產(chǎn)生?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Research and Realization of a Master-Slave Robotic System for Retinal Vascular Bypass Surgery[J]. Chang-Yan He,Long Huang,Yang Yang,Qing-Feng Liang,Yong-Kang Li. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(04)
[2]基于錨固區(qū)外置光纖光柵傳感器的FAST工程拉索索力監(jiān)測研究[J]. 朱萬旭,覃荷瑛,李居澤,歐進萍. 機械工程學報. 2017(17)
[3]Dynamic Soft Tissue Deformation Estimation Based on Energy Analysis[J]. GAO Dedong,LEI Yong,YAO Bin. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2016(06)
[4]基于光纖布拉格光柵的載荷定位與檢測方法[J]. 陳勇,劉保林,劉煥淋,周立新,楊凱. 機械工程學報. 2016(18)
[5]1R1T遠程運動中心機構(gòu)的型綜合[J]. 黃龍,楊洋,蘇鵬,肖晶晶. 機械工程學報. 2015(13)
[6]視網(wǎng)膜血管搭橋手術(shù)機器人系統(tǒng)的研究[J]. 肖晶晶,楊洋,沈麗君,陳亦棋,黃龍. 機器人. 2014(03)
[7]眼科顯微手術(shù)機器人研究進展及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 肖晶晶,楊洋,李大寨,黃龍,張雷雨. 機械工程學報. 2013(01)
本文編號：3089892
【文章來源】：機械工程學報. 2020,56(17)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
FBG示意圖
機械工程學報第56卷第17期期14圖3安裝槽與FBG安裝2.2FBG反饋波長與作用力之間的關(guān)系首先，對固定在鎳鈦合金絲末端的單根FBG進行試驗測試，建立鎳鈦合金絲末端的作用力與FBG反饋波長之間的線性關(guān)系，同時確認FBG的分辨率是否能夠滿足要求。利用自行研制的標定平臺進行測試，分別測量FBG傳受拉和受壓狀態(tài)下，末端作用力與波長的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。圖4反饋波長與作用力關(guān)系結(jié)果表明，鎳鈦合金絲所受接觸力的大小與FBG的反饋波長之間具有良好的線性關(guān)系，分辨率可以達到0.067mN。2.3溫度變化對FBG反饋波長的影響通過將熱源緩慢靠近、遠離傳感器，記錄FBG在環(huán)境溫度大約在25°～40°范圍內(nèi)的波長變化量，如圖5所示。圖5溫度變化時FBG波長變化從圖5中可以看出，波長的最大變化量為0.015nm(對應(yīng)器械受1mN作用力產(chǎn)生形變)，可見溫度對FBG反饋波長變化的影響是顯著的。因此，直接通過FBG實際波長的變化建立其與作用力之間的關(guān)系很難消除溫度對誤差的影響，需要對溫度進行補償[15-16]。2.4形變與接觸力的關(guān)系由于鎳鈦合金絲一端固定，一端受力，其力學模型可等效為一懸臂梁如圖3b所示，當鎳鈦合金絲受垂直于軸線方向的作用力時，其中性面垂直于受力方向且同鎳鈦合金絲的軸線一致。對鎳鈦合金絲末端施加作用力時，F(xiàn)BG處發(fā)生的應(yīng)變σ按懸臂梁模型可以表示為maxyMyFLyRIIσ=σ==(1)式中，y是FBG到鎳鈦合金絲中性面的距離，R是鎳鈦合金絲的半徑，maxσ是鎳鈦合金絲上離中性面最遠點產(chǎn)生的應(yīng)變，I是鎳鈦合金絲橫截面的慣性矩，M是由作用力產(chǎn)生的力矩，L是?
鈦合金絲末端的作用力與FBG反饋波長之間的線性關(guān)系，同時確認FBG的分辨率是否能夠滿足要求。利用自行研制的標定平臺進行測試，分別測量FBG傳受拉和受壓狀態(tài)下，末端作用力與波長的變化關(guān)系，結(jié)果如圖4所示。圖4反饋波長與作用力關(guān)系結(jié)果表明，鎳鈦合金絲所受接觸力的大小與FBG的反饋波長之間具有良好的線性關(guān)系，分辨率可以達到0.067mN。2.3溫度變化對FBG反饋波長的影響通過將熱源緩慢靠近、遠離傳感器，記錄FBG在環(huán)境溫度大約在25°～40°范圍內(nèi)的波長變化量，如圖5所示。圖5溫度變化時FBG波長變化從圖5中可以看出，波長的最大變化量為0.015nm(對應(yīng)器械受1mN作用力產(chǎn)生形變)，可見溫度對FBG反饋波長變化的影響是顯著的。因此，直接通過FBG實際波長的變化建立其與作用力之間的關(guān)系很難消除溫度對誤差的影響，需要對溫度進行補償[15-16]。2.4形變與接觸力的關(guān)系由于鎳鈦合金絲一端固定，一端受力，其力學模型可等效為一懸臂梁如圖3b所示，當鎳鈦合金絲受垂直于軸線方向的作用力時，其中性面垂直于受力方向且同鎳鈦合金絲的軸線一致。對鎳鈦合金絲末端施加作用力時，F(xiàn)BG處發(fā)生的應(yīng)變σ按懸臂梁模型可以表示為maxyMyFLyRIIσ=σ==(1)式中，y是FBG到鎳鈦合金絲中性面的距離，R是鎳鈦合金絲的半徑，maxσ是鎳鈦合金絲上離中性面最遠點產(chǎn)生的應(yīng)變，I是鎳鈦合金絲橫截面的慣性矩，M是由作用力產(chǎn)生的力矩，L是鎳鈦合金絲伸出端的長度，而F是在鎳鈦合金絲尖端施加的力。其中L與I為定值，y的取值可以通過鎳鐵合金絲的旋轉(zhuǎn)角度得到，則可得FBG部分產(chǎn)生?
【參考文獻】：
期刊論文
[1]Research and Realization of a Master-Slave Robotic System for Retinal Vascular Bypass Surgery[J]. Chang-Yan He,Long Huang,Yang Yang,Qing-Feng Liang,Yong-Kang Li. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(04)
[2]基于錨固區(qū)外置光纖光柵傳感器的FAST工程拉索索力監(jiān)測研究[J]. 朱萬旭,覃荷瑛,李居澤,歐進萍. 機械工程學報. 2017(17)
[3]Dynamic Soft Tissue Deformation Estimation Based on Energy Analysis[J]. GAO Dedong,LEI Yong,YAO Bin. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2016(06)
[4]基于光纖布拉格光柵的載荷定位與檢測方法[J]. 陳勇,劉保林,劉煥淋,周立新,楊凱. 機械工程學報. 2016(18)
[5]1R1T遠程運動中心機構(gòu)的型綜合[J]. 黃龍,楊洋,蘇鵬,肖晶晶. 機械工程學報. 2015(13)
[6]視網(wǎng)膜血管搭橋手術(shù)機器人系統(tǒng)的研究[J]. 肖晶晶,楊洋,沈麗君,陳亦棋,黃龍. 機器人. 2014(03)
[7]眼科顯微手術(shù)機器人研究進展及關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 肖晶晶,楊洋,李大寨,黃龍,張雷雨. 機械工程學報. 2013(01)
本文編號：3089892
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