novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.20.206-214novtexmech-609Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSМоделирование лапароскопического зажимного устройства с очувствлениемModeling of Laparoscopic Forceps with SensingГорячеваИ. Г.GoryachevaI. G.

Академик РАН

г. Москва

goryache@ipmnet.ruДосаевМ. З.DosaevM. Z.

Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

PhD, Leading Researcher,

Corresponding author: Dosaev Marat Z.,  Institute of Mechanics of Lomonosov Moscow State University, Moscow, 119192, Russian Federation

dosayev@imec.msu.ruСелюцкийЮ. Д.ElyutskiyYu. D.

 Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник

г. Москва

seliutski@imec.msu.ruЯковенкоА. А.YakovenkoA. A.YehC.-H.YehC.-H.

PhD

Tainan

ongerplus@gmail.comSuF.-C.SuF.-C.

Профессор 

Tainan

 

 

fcsu@mail.ncku.edu.twИнститут проблем механики им. А. Ю. Ишлинского РАН; НИИ механики МГУРоссияIshlinsky Institute for Problems in Mechanics RAS; Lomonosov Moscow State UniversityRussian FederationНИИ механики МГУ; National Taiwan University of Science and TechnologyРоссияLomonosov Moscow State University; nal Taiwan University of Science and TechnologyRussian FederationНИИ механики МГУРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationМФТИРоссияMoscow Institute of Physics and Technology (State UniversityRussian FederationNational Cheng Kung UniversityТайваньNational Cheng Kung UniversityTaiwan, Province of China201909042019204206214Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20192019Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/609

Развитие минимально инвазивной хирургии требует разработки методов очувствления. Данное исследование связано с созданием мехатронного зажимного лапароскопического устройства, позволяющего передать тактильные ощущения с губок зажима на рукоятки мастер-манипулятора, управляемого хирургом. Хирург сжимает рукоятки манипулятора. Изменение угла между рукоятками синхронизируется с изменением угла между губками зажима (исполнительного звена), который сдавливает мягкую ткань. Контактная нагрузка идентифицируется по напряжению в электрической цепи привода зажима и затем передается в блок управления. Блок управления задает рабочую частоту пьезоэлектрического привода, формирующую силу, соответствующую измеренной нагрузке. Эта сила прикладывается к рукоятке манипулятора. Создается момент в рукоятке, который ощущается пользователем. Таким образом, система обеспечивает тактильную обратную связь. Для описания динамики пьезоэлектрического привода, контактирующего с ползуном, используется конечномерная эмпирическая модель. Разработана математическая модель зависимости момента, действующего со стороны мягкой ткани на зажим, от угла раствора зажима. Предложен алгоритм идентификации момента, действующего со стороны ткани на зажим. Проведено численное моделирование динамики системы. Результаты расчетов подтверждают работоспособность алгоритма идентификации момента, создаваемого тканью.

Progress of minimally invasive surgery stimulates the development of sensory techniques. The present study is related with creation of a mechatronic clamping laparoscopic device (forceps) that allows transferring tactile sensations from the jaws of the clamp to the handles of the master manipulator operated by surgeon. The user presses the handles of the manipulator. The change in the angle between the handles is synchronized with the change in the angle between the jaws of the forceps (slave link) that grasps the soft tissue. The contact load is identified based on the voltage applied to the electric motor connected to the forceps and then transferred to the control unit. This control unit adjusts the operating frequency of the piezoelectric actuator in such a way as to generate a force corresponding to the measured load. This force is applied to handles of the manipulator. It creates a moment in the handle, which is felt by the user. Thus, the system provides the tactile feedback. In order to describe the dynamics of the piezoelectric actuator, a finite-dimensional empirical model is used. In order to describe the dependence of the moment, with which the soft tissue acts upon the jaws of forceps, on the span angle between the forceps, a mathematical model is proposed. This model takes into account the properties of the soft tissue (which is assumed elastic) and geometry of the surface of forceps jaws. An algorithm for identification of the moment acting from the tissue on the forceps is proposed. Numerical simulation of dynamics of the system is performed. The results of calculations confirm the efficiency of the algorithm for identifying the moment created by tissue.

тактильное очувствлениепьезоэлектрический приводматематическая модельконтактные характеристикилапароскопический зажимtactile sensingpiezoelectric actuatormathematical modelcontact characteristicslaparoscopic forcepsРФФИ(проект 16-58-52033) и министерства науки и технологии Тайваня (MOST-2923-B-006-001-MY3).Russian Foundation for Basic Research (project #16-58-52033) and Taiwan Ministry of Science and Technology (project # MOST-2923-B006-001-MY3)ReferencesKurita Yu., Tsuji T., Kawahara T., Okajima M., Egi H., Ohdan H., Ogasawara T. Force-based Automatic Classification of Basic Manipulations with Grasping ForcepsA da // International Journal of Life Science and Medical Research. 2013. 4(2). P. 76—82.Kurita Yu., Tsuji T., Kawahara T., Okajima M., Egi H., Ohdan H., Ogasawara T. Force-based Automatic Classification of Basic Manipulations with Grasping Forceps, International Journal of Life Science and Medical Research, 2013, vol. 4, iss. 2, pp. 76—82.Radó J., Dücso˝ C., Földesy P., Szebényi G., Nawrat Z., Rohr K., Fürjes P. 3D force sensors for laparoscopic surgery tool // Microsyst. Technol. 2018. Vol. 24. P. 519—525. https://doi.org/10.1007/s00542-017-3443-4Radó J., Dücso˝ C., Földesy P., Szebényi G., Nawrat Z.,Галин Л. А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. М.: Наука, 1980. 304 с.Rohr K., Fürjes P. 3D force sensors for laparoscopic surgery tool, Microsyst. Technol, 2018, vol. 24, pp. 519—525, available at: https:// doi.org/10.1007/s00542-017-3443-4.Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989. 510 с.Galin L. A. Kontaktnyye zadachi teorii uprugosti i vyazkouprugosti (Contact problems of the theory of elasticity and viscoelasticity), Мoscow, Nauka, 1980, 304 p. (in Russian).Горячева И. Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001. 478 с.Johnson K. L. Contact Mechanics, Cambridge University Press, 1985.Садовничий В. А., Горячева И. Г., Акаев А. А., Мартыненко Ю. Г., Окунев Ю. М., Влахова А. В., Богданович И. Ю. Применение методов механики контактных взаимодействий при диагностике патологических состояний мягких биологических тканей. М.: Изд. МГУ, 2009. 306 с.Goryacheva I. G. Mekhanika friktsionnogo vzaimodeystviya. (Mechanics of friction interaction), Мoscow, Nauka, 2001, 478 p. (in Russian).Досаев М. З., Селюцкий Ю. Д., Е Ч. С., Су Ф. Ч. Моделирование тактильной обратной связи, реализуемой с помощью пьезоэлектрического привода // Мехатроника, автоматизация, управление. 2018. Т. 19, № 7. C. 480—485.Sadovnichiy V., Goryacheva I., Akaev A., Martynenko Yu., Okunev Yu., Vlakhova A., Bogdanovich I. Primeneniye metodov mekhaniki kontaktnykh vzaimodeystviy pri diagnostike patologicheskikh sostoyaniy myagkikh biologicheskikh tkaney (The use of contact mechanics methods in the diagnosis of pathological states of soft biological tissues), Moscow, MSU Publishing, 2009, 306 p. (in Russian).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.Dosaev M. Z., Selyutskiy Yu.D., Yeh C.-H., Su F.-C. Modelirovaniye taktil’noy obratnoy svyazi, realizuyemoy s pomoshch’yu p’yezoelektricheskogo privoda (Simulation of tactile feedback, implemented using a piezoelectric actuator), Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2018, vol. 19, no.7, pp. 480—485 (in Russian).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.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, pp. 287—288, doi: 10.1002/pamm.200910117.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. 115001; doi: 10.1063/1.4966251.Mashimo T., Terashima K. Dynamic analysis of an ultrasonic motor using point contact model, Sensors and Actuators A: Physical, 2015, vol. 233, pp. 15—21, doi: 10.1016/j.sna.2015.05.009.Яковенко А. А. Моделирование контактного взаимодействия захватывающего инструмента с биологической тканью // Российский журнал биомеханики. 2017. № 21 (4). С. 418—428.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. 87v 115001; doi: 10.1063/1.4966251.Yakovenko A. A. Simulation of contact interaction of a gripping tool with a biological tissue, Russian Journal of Biomechanics, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation, 2017, vol. 21, no. 4, pp. 355—364.Yakovenko A. A. Simulation of contact interaction of a gripping tool with a biological tissue, Russian Journal of Biomechanics, Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russian Federation, 2017, vol. 21, no. 4, pp. 355—364.

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