基于几何逼近法的斜尖柔性穿刺针运动学研究

为了使得斜尖柔性穿刺针能够精确刺中目标靶点,建立斜尖柔性穿刺针的正逆向运动学模型.大量实验研究表明,柔性穿刺针在穿刺过程中,弯曲曲率近似常量沿着由固定半径的圆弧组成的路径进针.基于柔性穿刺针这种特性,利用D-H(Denavit-Hartenberg)参数法建立柔性穿刺针正向运动学模型;利用D-H参数法以及几何逼近法,基于针尖相对靶点的可达性条件,建立柔性穿刺针逆向运动学模型;通过仿真实验验证了所建立的柔性穿刺针运动学模型,结果表明,采用提供的运动学模型能够准确求出从进针点到靶点的所有路径.

机器人辅助柔性针穿刺路径的悬臂梁预测模型

路径操控技术是机器人辅助柔性针穿刺的重要技术之一。软组织变形、多层软组织相对滑移和针挠曲是引起靶点位置移动,降低穿刺精度的3个主要原因。该文在研究针受力的基础上,利用柔性针挠曲规律提出了一种预测穿刺路径的悬臂梁模型,通过准静态过程将柔性针分为有限段并将每段都视为一个悬臂梁,从而建立起三维空间中针体路径预测算法。仿真实验表明,该模型能够实现柔性针路径预测功能,为机器人辅助柔性针穿刺路径规划和避障运动提供了理论基础。

基于悬臂梁模型的针挠曲预测

目的分析针穿刺组织过程中的挠曲量和穿刺针受力情况,提高针穿刺精度。方法搭建包括工业相机、步进电机和光源等组成的测量设备。用针轴直径分别为1.3、0.9、0.6 mm的穿刺针进行针穿刺软组织实验,利用力传感器得到不同穿刺速度(5、10和15 mm/s)下的穿刺力,通过数字图像处理得到穿刺针的挠曲量。在分析针受力的基础上,构建预测针挠曲量的悬臂梁模型。结果利用悬臂梁模型对直径为1.3、0.6 mm穿刺针在5 mm/s速度下的挠曲量进行预测,其绝对误差小于0.5 mm,相对误差小于10%。结论所建模型能够实现对针穿刺挠曲的预测,可以为机器人辅助柔性针穿刺路径规划和避障运动提供参考。