novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.19.480-485novtexmech-101Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSМоделирование тактильной обратной связи, реализуемой с помощью пьезоэлектрического приводаModeling Tactile Feedback Realized by Piezoelectrical ActuatorДосаевМ. З.DosaevM. Z.dosayev@imec.msu.ruСелюцкийЮ. Д.SelyutskiyYu. D.seliutski@imec.msu.ruЕЧ. С.YehC. -H.longerplus@gmail.comСуФ. Ч.SuF. -C.fcsu@mail.ncku.edu.twМосковский государственный университет имени М. В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationНациональный университет Чен КунРоссияNational Cheng Kung UniversityRussian Federation201823082018197480485Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20182018Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/101

Отсутствие тактильной обратной связи в минимально инвазивной хирургии во многих случаях повышает сложность операции и приводит к увеличению времени ее проведения. Исследование нацелено на создание системы, обеспечивающей передачу тактильных ощущений и состоящей из мастер-манипулятора, блока управления и исполнительного устройства, оснащенного датчиком усилия. Пользователь нажимает на кнопку манипулятора, зафиксированную на ползуне. Движение этой кнопки синхронизируется с движением ведомого исполнительного звена, которое индентируется в мягкую ткань. Нагрузка на индентор измеряется датчиком усилия и затем передается в блок управления. Блок управления задает рабочую частоту пьезоэлектрического привода (ПЭП), формирующую силу, соответствующую измеренной нагрузке. Эта сила прикладывается к кнопке манипулятора и ощущается пользователем. Таким образом, система обеспечивает тактильную обратную связь. Для описания динамики приводного механизма ПЭП, контактирующего с ползуном, используется конечномерная эмпирическая модель. Параметры модели идентифицируются на основе экспериментальных данных. Показано, что система позволяет различать объекты с различными характеристиками жесткости.

Lack of the haptic feedback in the minimally invasive surgery often results in the increase of the complexity and duration of the surgical operation. This study aims at creation of a system that provides transmission of tactile sensation and consists of a master manipulator, control unit, and actuator equipped with a force sensor. The user pushes the button on the manipulator. The motion of this button is synchronized with the motion of the slave actuator that indents into the soft tissue. The load upon the indenter is measured by the force sensor and transmitted to the control unit. The control unit determines the operating frequency of a piezoelectric actuator in such a way that the actuator generates a force corresponding to the measured load. This force is applied to the button of the manipulator, and the user feels it. Thus, the system ensures the tactile feedback. Mathematical model of the system is created. In order to describe the dynamics of the actuator subsystem, a simplified empirical model is used. Parameters of the model are identified based on experimental data. Numerical simulation of dynamics of the system is performed using the determined values of parameters for the case when the button moves harmonically. Soft tissue is modeled by linear elastic springs with different stiffness coefficients. Influence of the dry friction between slider and its guide is analyzed. It is shown that the system ensures tactile sensing and allows distinguishing objects with different stiffness characteristics based on maximum value of the force experienced by the user from the part of the button and the rate of growth of this force.

тактильное очувствлениепьезоэлектрический приводматематическая модельидентификация параметровлокальная жесткостьтрениеtactile sensingpiezoelectrical actuatormathematical modelparameter identificationlocal stiffnessfrictionReferencesSteinberg P. L., Merguerian P. A., Bihrle W. 3rd, Heaney J. A., Seigne J. D. A da Vinci robot system can make sense for a mature laparoscopic prostatectomy program // Journal of the Society of Laparoendoscopic Surgeons. 2008. Vol. 12, Iss. 1. P. 9-12.Steinberg P. L., Merguerian P. A., Bihrle W. 3rd, Heaney J. A., Seigne J. D. A da Vinci robot system can make sense for a mature laparoscopic prostatectomy program // Journal of the Society of Laparoendoscopic Surgeons. 2008. Vol. 12, Iss. 1. P. 9-12.Hockstein N. G., Nolan J. P., O'Malley B. W. Jr., Woo Y. J. Robotic microlaryngeal surgery: a technical feasibility study using the daVinci surgical robot and an airway mannequin // The Laryngoscope. 2005. Vol. 115, Iss. 5. P. 780-785.Hockstein N. G., Nolan J. P., O'Malley B. W. Jr., Woo Y. J. Robotic microlaryngeal surgery: a technical feasibility study using the daVinci surgical robot and an airway mannequin // The Laryngoscope. 2005. Vol. 115, Iss. 5. P. 780-785.Tholey G., Desai J. P., Castellanos A. E. Force feedback plays a significant role in minimally invasive surgery: results and analysis // Annals of surgery. 2005. Vol. 241, Iss. 1. P. 102-109.Tholey G., Desai J. P., Castellanos A. E. Force feedback plays a significant role in minimally invasive surgery: results and analysis // Annals of surgery. 2005. Vol. 241, Iss. 1. P. 102-109.Perreault S., Talasaz A., Trejos A. L., Ward C. D. W., Patel R. V., Kiaii B. A 7-DOF haptics-enabled teleoperated robotic system: Kinematic modeling and experimental verification // Proceedings of 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (26-29 Sept. 2010). 2000. P. 906-911.Perreault S., Talasaz A., Trejos A. L., Ward C. D. W., Patel R. V., Kiaii B. A 7-DOF haptics-enabled teleoperated robotic system: Kinematic modeling and experimental verification // Proceedings of 3rd IEEE RAS & EMBS International Conference on Biomedical Robotics and Biomechatronics (26-29 Sept. 2010). 2000. P. 906-911.Tiwana M. I., Redmond S. J., Lovell N. H. A review of tactile sensing technologies with applications in biomedical engineering // Sensors and Actuators A: Physical. 2012. Vol. 179, Suppl. C. P. 17-31.Tiwana M. I., Redmond S. J., Lovell N. H. A review of tactile sensing technologies with applications in biomedical engineering // Sensors and Actuators A: Physical. 2012. Vol. 179, Suppl. C. P. 17-31.WeiXing F., HuanRan W., ShuXiang G., KeJun W., XiuFen Y. Design and Experiments of a Catheter Side Wall Tactile Sensor for Minimum Invasive Surgery // Proceedings of 2007 International Conference on Mechatronics and Automation (5-8 Aug. 2007). 2007. P. 1073-1078.WeiXing F., HuanRan W., ShuXiang G., KeJun W., XiuFen Y. Design and Experiments of a Catheter Side Wall Tactile Sensor for Minimum Invasive Surgery // Proceedings of 2007 International Conference on Mechatronics and Automation (5-8 Aug. 2007). 2007. P. 1073-1078.Takashima K., Yoshinaka K., Okazaki T., Ikeuchi K. An endoscopic tactile sensor for low invasive surgery // Sensors and Actuators A: Physical. 2005. Vol. 119. Iss. 2. P. 372-383.Takashima K., Yoshinaka K., Okazaki T., Ikeuchi K. An endoscopic tactile sensor for low invasive surgery // Sensors and Actuators A: Physical. 2005. Vol. 119. Iss. 2. P. 372-383.Hemsel T., Wallaschek J. Survey of the present state of the art of piezoelectric linear motors // Ultrasonics. 2000.Vol. 38, Iss. 1. P. 37-40.Hemsel T., Wallaschek J. Survey of the present state of the art of piezoelectric linear motors // Ultrasonics. 2000.Vol. 38, Iss. 1. P. 37-40.Wurpts W., Twiefel J. An ultrasonic motor with intermittent contact modeled as a two degree of freedom oscillator in time domain // PAMM. 2009. Vol. 9. P. 287-288; doi: 10.1002/ pamm.200910117.Wurpts W., Twiefel J. An ultrasonic motor with intermittent contact modeled as a two degree of freedom oscillator in time domain // PAMM. 2009. Vol. 9. P. 287-288; doi: 10.1002/ pamm.200910117.Mashimo T., Terashima K. Dynamic analysis of an ultrasonic motor using point contact model // Sensors and Actuators A: Physical. 2015. Vol. 233. P. 15-21; doi: 10.1016/j.sna.2015.05.009.Mashimo T., Terashima K. Dynamic analysis of an ultrasonic motor using point contact model // Sensors and Actuators A: Physical. 2015. Vol. 233. P. 15-21; doi: 10.1016/j.sna.2015.05.009.Peled G., Yasinov R., Karasikov N. Performance and Applications of L1B2 Ultrasonic Motors // Actuators. 2016. Vol. 5, Iss. 2. P. 15.Peled G., Yasinov R., Karasikov N. Performance and Applications of L1B2 Ultrasonic Motors // Actuators. 2016. Vol. 5, Iss. 2. P. 15.Liu Z., Yao Z., Li X., Fu Q. Design and experiments of a linear piezoelectric motor driven by a single mode // Review of Scientific Instruments. 2016. Vol. 87 (11): 115001; doi: 10.1063/1.4966251.Liu Z., Yao Z., Li X., Fu Q. Design and experiments of a linear piezoelectric motor driven by a single mode // Review of Scientific Instruments. 2016. Vol. 87 (11): 115001; doi: 10.1063/1.4966251.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.