Моделирование лапароскопического зажимного устройства с очувствлением

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.

1. Kurita 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.

2. 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/s00542-017-3443-4

3. Галин Л. А. Контактные задачи теории упругости и вязкоупругости. М.: Наука, 1980. 304 с.

4. Джонсон К. Механика контактного взаимодействия. М.: Мир, 1989. 510 с.

5. Горячева И. Г. Механика фрикционного взаимодействия. М.: Наука, 2001. 478 с.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Яковенко А. А. Моделирование контактного взаимодействия захватывающего инструмента с биологической тканью // Российский журнал биомеханики. 2017. № 21 (4). С. 418—428.