Моделирование тактильной обратной связи, реализуемой с помощью пьезоэлектрического привода

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.

тактильное очувствление, пьезоэлектрический привод, математическая модель, идентификация параметров, локальная жесткость, трение, tactile sensing, piezoelectrical actuator, mathematical model, parameter identification, local stiffness, friction

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Peled G., Yasinov R., Karasikov N. Performance and Applications of L1B2 Ultrasonic Motors // Actuators. 2016. Vol. 5, Iss. 2. P. 15.

12. 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.