微创手术用凸面型压头触觉感知机理研究

摘要

微创手术具有切口小、创伤小、术后恢复快等优点，越来越多地被人们所接受。然而，由于外科医生缺少触觉信息的反馈，操作医疗器械时易发生施力过大以致损坏人体组织的问题，有时甚至造成严重的医疗事故。 以导管介入微创手术为应用背景，设计微创手术用凸面型触觉传感器。所设计的触觉传感器为凸面型，在凸面上布置敏感元件，用来检测触觉传感器的接触宽度，同时利用力传感器测量它对组织的作用力，再以接触宽度和作用力估算组织的弹性模量。首先，为求解触觉传感器与组织之间的接触问题，基于Eshelby-Stroh公式建立接触模型，根据位移条件和应力条件求解边界值问题，再以整体位移约束法、线性叠加法结合迭代法逐步逼近准确解。其次，将现有的弹性半空间解以及Abaqus仿真作为比较对象，验证凸面型压头触觉感知机理的准确性并分析了算法的适应性。分析结果表明，优化算法适用于正交各向异性材料和各向同性材料，适用于弹性半空间体和有界弹性体，适用于圆弧形压头、楔形压头和倒圆角楔形压头。再次，研究各参数对计算结果的影响，确立合适的参数用于传感器接触模型的设计，并提出了凸面型触觉传感器的设计方法。最后，加工了7个触觉传感器压头，配制3种不同弹性模量的硅胶进行实验验证。通过实验检测结果与硅胶标定结果的比较，确定了触觉感知机理的有效性以及触觉传感器的可行性。

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摘 要

ABSTRACT

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 触觉传感器的重要性

1.1.2 研究目的及意义

1.2 接触力学的研究现状

1.3 触觉传感器研究现状

1.4 论文的研究内容及结构安排

第二章 凸面型压头设计与接触模型建立

2.1 引言

2.2 凸面型触觉传感器压头设计

2.3 压头与弹性体接触模型的建立

2.3.1 接触问题分析

2.3.2 接触模型的边界条件

2.4 基于Eshelby-Stroh公式求解边界值问题

2.5 算法分析

2.5.1 位移结果分析

2.5.2 应力结果分析

2.5.3 算法局限性分析

2.6 本章小结

第三章 压头与弹性体接触模型的优化算法

3.1 引言

3.2 整体位移约束法解决交接处应力突变问题

3.3 线性叠加法解决非接触区域应力不为零的问题

3.4 迭代法逼近准确解

3.5 算法验证

3.5.1 圆弧压头与正交各向异性弹性体接触问题验证

3.5.2 圆弧压头与各向同性弹性体接触问题验证

3.5.3 圆弧压头与有界弹性体接触问题验证

3.5.4 楔形和倒圆角楔形接触问题验证

3.6 本章小结

第四章 算法研究及压头参数的选择

4.1 引言

4.2 算法研究及计算改进

4.2.1 K的取值

4.2.2 N的取值

4.2.3 计算改进

4.3 弹性体的参数对算法特性的研究

4.3.1 宽度的影响

4.3.2 高度的影响

4.3.3 宽度和高度等比例缩放的影响

4.3.4 接触宽度的影响

4.3.5 弹性体材料参数的影响

4.4 不同构型压头的分析研究

4.5 压头参数的设定

4.6 压头触觉感知机理的仿真验证

4.7 本章小结

第五章 触觉感知机理实验验证

5.1 引言

5.2 实验样机参数的确定

5.3 实验样机的仿真分析

5.4 实验准备

5.4.1 实验平台的搭建

5.4.2 硅胶的配制

5.4.3 硅胶的标定

5.4.4 力传感器的标定

5.5 实验方法

5.5.1 实验平台调节

5.5.2 实验方法实施

5.6 实验验证

5.6.1 不同硅胶的识别

5.6.2 传感器长度的影响

5.6.3 不同构型压头的实验验证

5.6.4 有界接触模型的实验验证

5.7 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要工作与创新点

6.2 不足与展望

参考文献

致 谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文