具有微力感知的眼科手术器械的设计与实现
发布时间：2021-03-19 16:49
针对眼内显微手术过程中器械与组织器官之间作用力微小、不易感知,且过大的操作力会造成组织损伤甚至撕裂等问题,设计一种基于光纤布拉格光栅（FBG）的微力传感器。在建立FBG反馈波长变化与力的关系基础上,探讨了温度对波长变化的影响,提出了温度补偿方法。利用自行研制的微力传感器标定系统进行传感器标定试验（精度0.42 mN）。将所研制的微力传感器集成到眼内手术镊末端,对离体猪眼球进行了连续环形撕囊操作试验。通过对19组数据分析,得到最大撕囊力的平均值为22.43 mN。研究对眼科手术的精准操作和手术机器人进行微力控制奠定了基础。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(17)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
FBG示意图
机械工程学报第56卷第17期期14图3安装槽与FBG安装2.2FBG反馈波长与作用力之间的关系首先，对固定在镍钛合金丝末端的单根FBG进行试验测试，建立镍钛合金丝末端的作用力与FBG反馈波长之间的线性关系，同时确认FBG的分辨率是否能够满足要求。利用自行研制的标定平台进行测试，分别测量FBG传受拉和受压状态下，末端作用力与波长的变化关系，结果如图4所示。图4反馈波长与作用力关系结果表明，镍钛合金丝所受接触力的大小与FBG的反馈波长之间具有良好的线性关系，分辨率可以达到0.067mN。2.3温度变化对FBG反馈波长的影响通过将热源缓慢靠近、远离传感器，记录FBG在环境温度大约在25°～40°范围内的波长变化量，如图5所示。图5温度变化时FBG波长变化从图5中可以看出，波长的最大变化量为0.015nm(对应器械受1mN作用力产生形变)，可见温度对FBG反馈波长变化的影响是显著的。因此，直接通过FBG实际波长的变化建立其与作用力之间的关系很难消除温度对误差的影响，需要对温度进行补偿[15-16]。2.4形变与接触力的关系由于镍钛合金丝一端固定，一端受力，其力学模型可等效为一悬臂梁如图3b所示，当镍钛合金丝受垂直于轴线方向的作用力时，其中性面垂直于受力方向且同镍钛合金丝的轴线一致。对镍钛合金丝末端施加作用力时，FBG处发生的应变σ按悬臂梁模型可以表示为maxyMyFLyRIIσ=σ==(1)式中，y是FBG到镍钛合金丝中性面的距离，R是镍钛合金丝的半径，maxσ是镍钛合金丝上离中性面最远点产生的应变，I是镍钛合金丝横截面的惯性矩，M是由作用力产生的力矩，L是?
钛合金丝末端的作用力与FBG反馈波长之间的线性关系，同时确认FBG的分辨率是否能够满足要求。利用自行研制的标定平台进行测试，分别测量FBG传受拉和受压状态下，末端作用力与波长的变化关系，结果如图4所示。图4反馈波长与作用力关系结果表明，镍钛合金丝所受接触力的大小与FBG的反馈波长之间具有良好的线性关系，分辨率可以达到0.067mN。2.3温度变化对FBG反馈波长的影响通过将热源缓慢靠近、远离传感器，记录FBG在环境温度大约在25°～40°范围内的波长变化量，如图5所示。图5温度变化时FBG波长变化从图5中可以看出，波长的最大变化量为0.015nm(对应器械受1mN作用力产生形变)，可见温度对FBG反馈波长变化的影响是显著的。因此，直接通过FBG实际波长的变化建立其与作用力之间的关系很难消除温度对误差的影响，需要对温度进行补偿[15-16]。2.4形变与接触力的关系由于镍钛合金丝一端固定，一端受力，其力学模型可等效为一悬臂梁如图3b所示，当镍钛合金丝受垂直于轴线方向的作用力时，其中性面垂直于受力方向且同镍钛合金丝的轴线一致。对镍钛合金丝末端施加作用力时，FBG处发生的应变σ按悬臂梁模型可以表示为maxyMyFLyRIIσ=σ==(1)式中，y是FBG到镍钛合金丝中性面的距离，R是镍钛合金丝的半径，maxσ是镍钛合金丝上离中性面最远点产生的应变，I是镍钛合金丝横截面的惯性矩，M是由作用力产生的力矩，L是镍钛合金丝伸出端的长度，而F是在镍钛合金丝尖端施加的力。其中L与I为定值，y的取值可以通过镍铁合金丝的旋转角度得到，则可得FBG部分产生?
【参考文献】：
期刊论文
[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]基于锚固区外置光纤光栅传感器的FAST工程拉索索力监测研究[J]. 朱万旭,覃荷瑛,李居泽,欧进萍. 机械工程学报. 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]基于光纤布拉格光栅的载荷定位与检测方法[J]. 陈勇,刘保林,刘焕淋,周立新,杨凯. 机械工程学报. 2016(18)
[5]1R1T远程运动中心机构的型综合[J]. 黄龙,杨洋,苏鹏,肖晶晶. 机械工程学报. 2015(13)
[6]视网膜血管搭桥手术机器人系统的研究[J]. 肖晶晶,杨洋,沈丽君,陈亦棋,黄龙. 机器人. 2014(03)
[7]眼科显微手术机器人研究进展及关键技术分析[J]. 肖晶晶,杨洋,李大寨,黄龙,张雷雨. 机械工程学报. 2013(01)
本文编号：3089892
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(17)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
FBG示意图
机械工程学报第56卷第17期期14图3安装槽与FBG安装2.2FBG反馈波长与作用力之间的关系首先，对固定在镍钛合金丝末端的单根FBG进行试验测试，建立镍钛合金丝末端的作用力与FBG反馈波长之间的线性关系，同时确认FBG的分辨率是否能够满足要求。利用自行研制的标定平台进行测试，分别测量FBG传受拉和受压状态下，末端作用力与波长的变化关系，结果如图4所示。图4反馈波长与作用力关系结果表明，镍钛合金丝所受接触力的大小与FBG的反馈波长之间具有良好的线性关系，分辨率可以达到0.067mN。2.3温度变化对FBG反馈波长的影响通过将热源缓慢靠近、远离传感器，记录FBG在环境温度大约在25°～40°范围内的波长变化量，如图5所示。图5温度变化时FBG波长变化从图5中可以看出，波长的最大变化量为0.015nm(对应器械受1mN作用力产生形变)，可见温度对FBG反馈波长变化的影响是显著的。因此，直接通过FBG实际波长的变化建立其与作用力之间的关系很难消除温度对误差的影响，需要对温度进行补偿[15-16]。2.4形变与接触力的关系由于镍钛合金丝一端固定，一端受力，其力学模型可等效为一悬臂梁如图3b所示，当镍钛合金丝受垂直于轴线方向的作用力时，其中性面垂直于受力方向且同镍钛合金丝的轴线一致。对镍钛合金丝末端施加作用力时，FBG处发生的应变σ按悬臂梁模型可以表示为maxyMyFLyRIIσ=σ==(1)式中，y是FBG到镍钛合金丝中性面的距离，R是镍钛合金丝的半径，maxσ是镍钛合金丝上离中性面最远点产生的应变，I是镍钛合金丝横截面的惯性矩，M是由作用力产生的力矩，L是?
钛合金丝末端的作用力与FBG反馈波长之间的线性关系，同时确认FBG的分辨率是否能够满足要求。利用自行研制的标定平台进行测试，分别测量FBG传受拉和受压状态下，末端作用力与波长的变化关系，结果如图4所示。图4反馈波长与作用力关系结果表明，镍钛合金丝所受接触力的大小与FBG的反馈波长之间具有良好的线性关系，分辨率可以达到0.067mN。2.3温度变化对FBG反馈波长的影响通过将热源缓慢靠近、远离传感器，记录FBG在环境温度大约在25°～40°范围内的波长变化量，如图5所示。图5温度变化时FBG波长变化从图5中可以看出，波长的最大变化量为0.015nm(对应器械受1mN作用力产生形变)，可见温度对FBG反馈波长变化的影响是显著的。因此，直接通过FBG实际波长的变化建立其与作用力之间的关系很难消除温度对误差的影响，需要对温度进行补偿[15-16]。2.4形变与接触力的关系由于镍钛合金丝一端固定，一端受力，其力学模型可等效为一悬臂梁如图3b所示，当镍钛合金丝受垂直于轴线方向的作用力时，其中性面垂直于受力方向且同镍钛合金丝的轴线一致。对镍钛合金丝末端施加作用力时，FBG处发生的应变σ按悬臂梁模型可以表示为maxyMyFLyRIIσ=σ==(1)式中，y是FBG到镍钛合金丝中性面的距离，R是镍钛合金丝的半径，maxσ是镍钛合金丝上离中性面最远点产生的应变，I是镍钛合金丝横截面的惯性矩，M是由作用力产生的力矩，L是镍钛合金丝伸出端的长度，而F是在镍钛合金丝尖端施加的力。其中L与I为定值，y的取值可以通过镍铁合金丝的旋转角度得到，则可得FBG部分产生?
【参考文献】：
期刊论文
[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]基于锚固区外置光纤光栅传感器的FAST工程拉索索力监测研究[J]. 朱万旭,覃荷瑛,李居泽,欧进萍. 机械工程学报. 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]基于光纤布拉格光栅的载荷定位与检测方法[J]. 陈勇,刘保林,刘焕淋,周立新,杨凯. 机械工程学报. 2016(18)
[5]1R1T远程运动中心机构的型综合[J]. 黄龙,杨洋,苏鹏,肖晶晶. 机械工程学报. 2015(13)
[6]视网膜血管搭桥手术机器人系统的研究[J]. 肖晶晶,杨洋,沈丽君,陈亦棋,黄龙. 机器人. 2014(03)
[7]眼科显微手术机器人研究进展及关键技术分析[J]. 肖晶晶,杨洋,李大寨,黄龙,张雷雨. 机械工程学报. 2013(01)
本文编号：3089892
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