【摘 要】
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针对现有医用软体手术机器人接触力与其形状变化缺失的问题,设计一款融合压力传感与形状传感的软体抓手用于手助腹腔镜手术以代替人手的支撑与脏器抓取功能。以软体弯曲模块为研究对象,采用压力感知与本体形状感知相结合的方法,分别对软体弯曲模块在对物体抓取时的抓持力与运动时的形状姿态进行解算,以获取抓手系统的接触力与变形状态,保障手术操作的安全性。本文通过分析软体弯曲模块结构,结合使用需求进行仿真优化设计,通过
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针对现有医用软体手术机器人接触力与其形状变化缺失的问题,设计一款融合压力传感与形状传感的软体抓手用于手助腹腔镜手术以代替人手的支撑与脏器抓取功能。以软体弯曲模块为研究对象,采用压力感知与本体形状感知相结合的方法,分别对软体弯曲模块在对物体抓取时的抓持力与运动时的形状姿态进行解算,以获取抓手系统的接触力与变形状态,保障手术操作的安全性。本文通过分析软体弯曲模块结构,结合使用需求进行仿真优化设计,通过改善软体弯曲模块结构参数,使所设计的传感器能够在相对较小的压强作用下产生更大的变形。同时,根据实验要求设计并制作了一种用于软体弯曲模块的驱动平台。针对现有研究中柔性压力传感器存在灵敏度和测量范围不能兼备的问题,通过分析与优化电容传感的基本原理,提出了一种基于电容的柔性压力传感器。该传感器能在较大的测量范围内具有较高的灵敏度和良好的线性度。通过设计一种具有微结构的介电弹性体层,使传感器在受到外界力作用时,能够排出内部空气产生大的电容数值变化。同时,通过制作一种具有良好导电性、可拉伸性与回弹性的柔性导电电极,使得能够跟随介电弹性体层的形变且在外力作用移除后能根据其自身回弹性拉动弹性体层迅速恢复。通过比较三种类型的弹性体微结构,发现立方结构类型可以在较大测量范围内达到高灵敏度和良好的线性度。将所设计的传感器嵌入到软体弯曲模块末端,通过抓取不同重量的物体以模拟在人体环境中对组织器官的牵引作用,实验展示了传感器良好的测量能力与抓取能力。针对现有研究中本体感知传感器无法满足对手术工具在人体环境中大变形探测的需要,通过优化传感结构,提出了一种基于电阻原理的柔性本体感知传感器。该传感器主要由弹性导电纤维和弹性基柱组成,弹性导电纤维以螺旋缠绕的方式贴合在弹性基柱表面并固定两端,使传感器在受到大变形时,能够通过拉扯弹性基柱及其表面的导电纤维产生大的电阻值变化。同时,由于螺旋结构的布置,使得所制作的柔性传感器能够相比非螺旋化的直线结构具有更高的响应范围,可达400%的拉伸变化。
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