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微创手术机器人末端力感知的柔性压力传感系统研究

微创手术机器人末端力感知的柔性压力传感系统研究

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作者：吴志勇苏州大学

学位级别：硕士

随着医疗技术的快速发展,机器人辅助微创手术因创伤小、疼痛轻、恢复快的独特优势而备受关注。目前微创手术机器人末端缺乏精准的力感知系统,在手术中易造成意外损伤,给手术安全带来隐患和挑战。因此,新型微创手术机器人末端力感知系统... 详细信息

随着医疗技术的快速发展,机器人辅助微创手术因创伤小、疼痛轻、恢复快的独特优势而备受关注。目前微创手术机器人末端缺乏精准的力感知系统,在手术中易造成意外损伤,给手术安全带来隐患和挑战。因此,新型微创手术机器人末端力感知系统的开发对于进一步提高微创手术的安全性、促进其在临床的进一步推广具有重要意义。然而,目前三维力传感器的柔性兼容性差、高灵敏与宽检测范围不兼容等问题,限制了其在微创手术机器人末端力感知的应用。鉴于微创手术机器人末端对力感知系的迫切需求,针对目前末端力感知的关键问题,本论文提出利用正交三棱锥微结构介质层和微结构电极一体化设计,制备基于高性能柔性三维力电容传感器的微创手术机器人末端压力传感系统。该系统能够实时检测末端在夹取或触碰组织时的三维力,并将三维力信息在PC端可视化显示。本论文研究工作为微创手术机器人末端力感知系统的设计提供了技术支撑。本论文的主要研究内容如下:(1)微创手术机器人末端力感知的柔性压力传感系统的设计。首先对压力传感系统核心的柔性三维力电容传感器进行了结构设计和材料选择,并对传感器的微结构介质层进行三维建模,并利用限元仿真验证可行性。其次,阐述了柔性三维力电容传感器的检测原理,并建立了对三维力的求解推导的模型。最后,设计了柔性压力传感系统的测试方案,包括信号测量电路和采集系统的设计,搭建了用于检测和标定柔性三维力电容传感器的测试平台。(2)面向微创手术机器人末端力感知的传感器制备及性能研究。分析了不同间距的微结构介质层对单元传感器性能的影响,结合丝网印刷、磁控溅射等方法制备了高性能的柔性三维力电容传感器。研究结果表明该传感器在法向力方向具有宽检测范围(0-3N)、高灵敏度(69.19%/N),还显示了优异的柔性、动态稳定性、低迟滞、抗干扰性和一致性等性能。并对柔性三维力电容传感器进行三维力响应测试和标定,建立了实验数据和拟合函数之间的数学模型,能够实时计算作用的三维力大小,为传感器在微创手术机器人的应用奠定了基础。(3)面向微创手术机器人的柔性压力传感系统的测试系统的搭建及实验。搭建了用于集成和测试柔性压力传感系统的测试平台,将该柔性压力系统集成在末端夹钳和触杆上对仿生组织进行夹取和触碰等动作。研究结果表明,该测试系统能够将末端夹钳、触杆检测组织的三维力的大小、方向等信息实时上传到PC端,实现三维力的实时检测与可视化显示。另外,该系统能够对末端夹钳的力形成一个初步的力反馈,形成了一个力感知与反馈的闭合系统,为微创手术机器人末端力感知与反馈研究提供了一种新思路。

关键词：微创手术电容压力传感器柔性三维力传感器压力感知系统

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