基于悬臂梁模型的针挠曲预测

高德东  朱侗  王珊  赵广伟

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。