曾佳欣，熊鵬文,，張 強(qiáng)，龔思瑾，黃 鑫

（1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院，江西 南昌 330031; 2.東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

0 引 言

微創(chuàng)手術(shù)是指將手術(shù)器具通過(guò)一個(gè)極小的切口運(yùn)送到人體內(nèi)切除病理組織的現(xiàn)代手術(shù)，例如胸腔穿刺引流手術(shù)便是在人體胸腔內(nèi)積液過(guò)多時(shí)通過(guò)專業(yè)的穿刺引流針將積液抽取出來(lái)的精細(xì)化微創(chuàng)手術(shù)[1]。在實(shí)際操作時(shí)，微創(chuàng)手術(shù)尚有一些缺點(diǎn)使其在醫(yī)院里難以實(shí)施，如手術(shù)中使用的細(xì)長(zhǎng)器械會(huì)降低醫(yī)生對(duì)接觸力的感知能力，并且實(shí)操中手術(shù)器械所受的力來(lái)自不同的方向，若不能準(zhǔn)確感知手術(shù)中各方向的接觸力信息，就難以實(shí)現(xiàn)手術(shù)儀器的精準(zhǔn)操作，此時(shí)我們需要用到多維力觸覺(jué)傳感器；多維力觸覺(jué)傳感器指一種能同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)方向以上力分量的傳感器，相對(duì)單維力傳感器可測(cè)得更加豐富的接觸力信息，通過(guò)多維力觸覺(jué)傳感器醫(yī)生能得到更精準(zhǔn)的接觸力信息，更好判斷自身所施加力是否合適，手術(shù)的安全性也大大提升。

近年來(lái)，多維力觸覺(jué)傳感器和電子皮膚觸覺(jué)傳感器以其廣泛的用途和巨大的市場(chǎng)取得了極大的發(fā)展，有了很多的成果。宋愛(ài)國(guó)[2]概述了近50年來(lái)機(jī)器人觸覺(jué)傳感技術(shù)的發(fā)展情況，并對(duì)現(xiàn)有觸覺(jué)傳感技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)；邱瀾[3]等總結(jié)了機(jī)器人可延展柔性電子皮膚的研究進(jìn)展；張津源[4]提出了基于三維多孔微結(jié)構(gòu)復(fù)合導(dǎo)電材料的新型觸/壓覺(jué)傳感器；胡廣宇[5]提出了極端環(huán)境下多維力觸覺(jué)傳感器基于線性方法的容錯(cuò)解耦方法及利用非線性BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號(hào)補(bǔ)償?shù)娜蒎e(cuò)解耦算法；曹建國(guó)[6]等綜述總結(jié)了國(guó)內(nèi)外近年來(lái)電子皮膚觸覺(jué)傳感器的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)；汪浩鵬[7]提出了一種基于AgNWs、PDMS和壓阻橡膠的新型高柔彈性電子皮膚，可較為精準(zhǔn)的測(cè)量接觸壓力；張庭[8]提出了一種基于觸覺(jué)傳感器信息反饋的動(dòng)態(tài)抓取控制方法，提高了假手的觸覺(jué)感知及穩(wěn)定抓取功能；徐菲[9]提出了一種基于新型力敏導(dǎo)電橡膠的柔性三維觸覺(jué)傳感器，實(shí)現(xiàn)了兼有柔韌性和三維力檢測(cè)功能的傳感器設(shè)計(jì)。

為推進(jìn)精細(xì)化微創(chuàng)手術(shù)在醫(yī)學(xué)界的應(yīng)用[10]，使醫(yī)護(hù)人員在手術(shù)中能獲取更精準(zhǔn)豐富的接觸力信息，本文設(shè)計(jì)了一種基于光纖布拉格光柵傳感的精細(xì)化多維力觸覺(jué)傳感器，推導(dǎo)其傳感原理，分析其構(gòu)型設(shè)計(jì)，并進(jìn)行受力模擬仿真驗(yàn)證其傳感性能的優(yōu)勢(shì)。

1 光纖布拉格光柵傳感器傳感原理

1.1 光纖光柵

光纖光柵的分類方法很多，根據(jù)光柵的折射率及其調(diào)制深度可分為光纖布拉格光柵、長(zhǎng)周期光纖光柵、傾斜光纖光柵和啁啾光纖光柵等，本文選用光纖布拉格光柵。作為最早出現(xiàn)的光纖光柵之一，F(xiàn)BG具有體積小、質(zhì)量輕、精度高、抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)微創(chuàng)手術(shù)傳感領(lǐng)域也有著遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景。

1.2 光纖布拉格光柵的傳感原理

FBG的纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化，當(dāng)光源發(fā)出的光進(jìn)入光纖纖芯，到達(dá)FBG時(shí)，一定范圍內(nèi)波長(zhǎng)的光會(huì)被反射回來(lái)，另一部分光繼續(xù)透射過(guò)柵區(qū)前進(jìn)。由光纖光柵的Bragg方程可得反射光的中心波長(zhǎng)公式：

式中：λB——反射光中心波長(zhǎng)值；

neff——光纖纖芯有效折射率；

Λ——光柵周期。

由式（1）可得，反射光中心波長(zhǎng)值λB隨光纖纖芯折射率neff與光柵周期 Λ的變化而變化[11]，而外界物理量參數(shù)如應(yīng)力應(yīng)變和溫度的變化會(huì)使neff和Λ發(fā)生改變，繼而導(dǎo)致反射中心波長(zhǎng)產(chǎn)生偏移，通過(guò)光纖光柵解調(diào)器等設(shè)備測(cè)量出反射中心波長(zhǎng)偏移量，即可推出應(yīng)力應(yīng)變或溫度的值，實(shí)現(xiàn)應(yīng)力與溫度的傳感。

由于FBG具有的彈光效應(yīng)，應(yīng)力應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致光纖纖芯的折射率產(chǎn)生變化；且應(yīng)力會(huì)使光纖產(chǎn)生形變，進(jìn)而導(dǎo)致光柵的周期發(fā)生改變。在式（1）兩側(cè)對(duì)應(yīng)力進(jìn)行求導(dǎo)可得反射光的中心波長(zhǎng)值變化公式：

其中，P和εX分別為FBG的有效彈光系數(shù)和其所受的應(yīng)力應(yīng)變。

溫度帶來(lái)的熱光效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光纖纖芯折射率發(fā)生改變，且溫度產(chǎn)生的熱膨脹效應(yīng)也會(huì)使FBG形變導(dǎo)致柵區(qū)周期的改變[12]。在式（1）兩側(cè)對(duì)溫度進(jìn)行求導(dǎo)推出反射中心波長(zhǎng)值與熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)關(guān)系的公式：

熱光系數(shù)常用 ε表示，ε=dneff/neffdT是光纖纖芯折射率隨溫度的變化率；熱膨脹系數(shù) α是溫度升高1 ℃時(shí)單位長(zhǎng)度或單位體積物體長(zhǎng)度或體積的變化量，記作α=dΛ/ΛdT。由此可得溫度對(duì)FBG的影響公式：

結(jié)合式（2）和式（4）即可得出應(yīng)力應(yīng)變和溫度的變化對(duì)FBG反射中心波長(zhǎng)的影響公式：

2 光纖布拉格光柵傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

醫(yī)學(xué)微創(chuàng)手術(shù)中，力觸覺(jué)信息的獲取相當(dāng)重要，掌握準(zhǔn)確的力觸覺(jué)信息有助于醫(yī)生實(shí)現(xiàn)手術(shù)工具的精準(zhǔn)操作；而要得到實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的接觸力反饋信息往往需要使用傳感器，借由在相關(guān)手術(shù)器械上安裝力觸覺(jué)傳感器，醫(yī)護(hù)人員能通過(guò)獲取的實(shí)時(shí)反饋力信息檢測(cè)人體病理組織，選擇最優(yōu)的手術(shù)方案完成治療。

傳統(tǒng)的胸腔穿刺引流等精細(xì)化微創(chuàng)手術(shù)傳感器大都只能感知手術(shù)中產(chǎn)生的軸向力信息，而無(wú)法獲取扭矩力和徑向力反饋信息，且由于結(jié)構(gòu)上的不足接觸力的反饋效果也時(shí)常不盡如人意。本研究針對(duì)微創(chuàng)手術(shù)中接觸力感知缺乏及無(wú)法獲取不同方向力觸覺(jué)信息的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于FBG的精細(xì)化多維力觸覺(jué)傳感器，該穿刺引流針傳感器能同時(shí)感知手術(shù)中所受的軸向力、扭矩力和徑向力，經(jīng)后續(xù)進(jìn)行的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)傳感器受力模擬仿真結(jié)果對(duì)比，證明該多維力觸覺(jué)傳感器對(duì)各個(gè)力應(yīng)變的檢測(cè)效果皆有所提升。

本文在常用穿刺引流針的基礎(chǔ)上參考手術(shù)實(shí)際需求，經(jīng)過(guò)力學(xué)結(jié)構(gòu)分析使用SOLIDWORKS軟件設(shè)計(jì)了傳感器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示為軟件繪制的光纖布拉格光柵傳感器3D構(gòu)型圖，圖1（a）為穿刺引流針的整體構(gòu)型圖，圖1（b）為其外部引流套管，圖1（c）為內(nèi)部穿刺針，其針柱上制有凹槽結(jié)構(gòu)（d）部分[13]，在（e）部分的針尖頂部制有一個(gè)槽，槽中放有兩個(gè)空心管道，另外在（f）部分將穿刺針針尖設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，并且拆分為上下兩部分，其內(nèi)部放有空心圓管，管道的4個(gè)盡頭略微凸出針尖壁0.1 mm。

圖1 光纖布拉格光柵傳感器構(gòu)型圖

要使穿刺針傳感器能檢測(cè)到手術(shù)穿刺過(guò)程中的力觸覺(jué)信息，需在其相應(yīng)部位上粘貼FBG作為傳感元件感受其所受的應(yīng)力應(yīng)變。本研究選取幾個(gè)光纖布拉格光柵分別作為軸向力傳感元件、扭矩力傳感元件和徑向力傳感元件，其中將軸向力傳感元件FBG編號(hào)為FBG1，再選取2個(gè)扭矩力傳感元件FBG并分別編號(hào)為FBG6、FBG7，徑向力傳感元件選用寫(xiě)入4種不同周期光柵的分叉光纖，將它們分別編號(hào)為FBG2、FBG3、FBG4和FBG5。如圖2所示為微創(chuàng)手術(shù)中光纖布拉格光柵傳感器的受力分析圖，手術(shù)時(shí)穿刺針穿刺進(jìn)入人體胸腔，與人體組織發(fā)生相互作用，穿刺針柱會(huì)受到一個(gè)軸向力Fa并產(chǎn)生形變，將軸向力傳感元件FBG1粘貼在穿刺針柱凹槽內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)軸向力應(yīng)力應(yīng)變的檢測(cè)[11]；穿刺過(guò)程中針尖頂部槽內(nèi)會(huì)受到一個(gè)扭矩力M的影響，槽中的空心管道受力發(fā)生形變，產(chǎn)生應(yīng)力，將扭矩力傳感元件FBG6、FBG7分別粘貼在兩個(gè)空心管道的內(nèi)壁上感受應(yīng)力的影響，進(jìn)行扭矩力應(yīng)變的檢測(cè)；穿刺時(shí)徑向力Fr會(huì)在凸出針尖壁的4個(gè)空心管道盡頭面上產(chǎn)生，使空心圓管產(chǎn)生形變，將徑向力傳感元件分叉光纖放入空心管道內(nèi)并分別粘貼4個(gè)FBG在空心管道盡頭面內(nèi)壁上，可完成徑向力應(yīng)變的測(cè)量。

圖2 光纖布拉格光柵傳感器受力分析圖

如圖3所示為各光纖布拉格光柵的粘貼結(jié)構(gòu)示意圖，本研究將軸向力傳感元件FBG1粘貼在針柱凹槽內(nèi)檢測(cè)軸向力的應(yīng)力應(yīng)變，扭矩力傳感元件FBG6、FBG7各自集成在針尖頂部槽內(nèi)的兩個(gè)空心管道內(nèi)壁上感應(yīng)扭矩力應(yīng)力應(yīng)變，徑向力傳感元件分叉光纖放入針尖內(nèi)空心圓管并將其4個(gè)FBG分別一端粘貼在對(duì)應(yīng)管道盡頭面上，另一端粘貼在管道內(nèi)壁上，完成徑向力應(yīng)力應(yīng)變的檢測(cè)。

圖3 FBG粘貼結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 光纖布拉格光柵傳感器的構(gòu)型分析

本研究在現(xiàn)實(shí)中通用的穿刺針結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，結(jié)合手術(shù)實(shí)際需求設(shè)計(jì)了能夠檢測(cè)多維力的新型結(jié)構(gòu)穿刺針傳感器，其改進(jìn)之處主要體現(xiàn)在軸向力應(yīng)變、扭矩力應(yīng)變和徑向力應(yīng)變的相關(guān)檢測(cè)結(jié)構(gòu)上。

在軸向力應(yīng)變的檢測(cè)上，本設(shè)計(jì)在穿刺針柱表面制有一個(gè)凹槽?？紤]實(shí)際手術(shù)中穿刺針需要刺入人體胸膜腔抽取積液，針的尺寸需要足夠微小，這里設(shè)計(jì)穿刺針柱的半徑為2 mm，針尖半徑為10 mm，針柱凹槽的制作方法為以原先的圓柱體針柱底面離圓心一定距離的一點(diǎn)為圓心繪制一個(gè)一定半徑的圓，再用該圓拉伸切除過(guò)整個(gè)針柱。本研究對(duì)凹槽的尺寸設(shè)計(jì)進(jìn)行了對(duì)比分析，在切除圓與針柱底面圓圓心距為2.5 mm的情況下，制作了多個(gè)切除圓半徑不同的穿刺針模型并分別進(jìn)行了軸向力受力仿真，如表1所示為穿刺針不同凹槽尺寸受力模擬分析結(jié)果，隨著圓半徑的減小，產(chǎn)生的應(yīng)力強(qiáng)度也越來(lái)越小，由此可得切除圓的半徑應(yīng)設(shè)為1.4 mm，可得到最佳的軸向力檢測(cè)效果。凹槽的設(shè)計(jì)能提升穿刺針結(jié)構(gòu)對(duì)軸向力的敏感度，增加傳感器測(cè)量軸向力的精度，同時(shí)凹槽結(jié)構(gòu)也使FBG的集成較原先更為便利。

表1 穿刺針不同凹槽尺寸受力模擬分析結(jié)果

在扭矩力應(yīng)變的檢測(cè)中，本設(shè)計(jì)在穿刺針尖頂部制作有一個(gè)槽，槽中放有兩個(gè)空心管道。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為檢測(cè)穿刺針?biāo)艿呐ぞ亓νǔ?huì)在其針柱上安放一個(gè)輪輻式彈性梁結(jié)構(gòu)，然而該結(jié)構(gòu)仍會(huì)受到軸向力影響扭矩力的測(cè)量精度，本文直接在穿刺針尖的頂部制作一個(gè)寬度為2 mm的槽，槽內(nèi)放入兩個(gè)內(nèi)徑為1.5 mm、外徑為2 mm的空心管道，再在空心管道內(nèi)集成光纖布拉格光柵，實(shí)現(xiàn)扭矩力的檢測(cè)。該設(shè)計(jì)能增強(qiáng)扭矩力的應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度，提升檢測(cè)扭矩力的靈敏度。

在徑向力應(yīng)變的檢測(cè)中，本研究將穿刺針尖設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)，并且拆分為上下兩部分以方便在其內(nèi)部放入空心管道，管道的4個(gè)盡頭略微凸出針尖壁0.1 mm。后續(xù)對(duì)設(shè)計(jì)的穿刺針進(jìn)行了徑向力的受力模擬分析，在凸出的管道盡頭面上施加了徑向力載荷，仿真結(jié)果顯示空心管道最大應(yīng)力強(qiáng)度較大，應(yīng)力敏感區(qū)域較廣，可得到良好的徑向力應(yīng)變檢測(cè)效果。

2.3 光纖布拉格光柵傳感器的受力仿真

本研究在傳統(tǒng)穿刺針的基礎(chǔ)上提出了一種適用于胸腔穿刺引流等精細(xì)化微創(chuàng)手術(shù)的光纖布拉格光柵多維力觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)想，能夠同時(shí)感知手術(shù)過(guò)程的軸向力、扭矩力和徑向力。為了驗(yàn)證改進(jìn)的傳感器結(jié)構(gòu)是否合理可行，相對(duì)傳統(tǒng)的穿刺針是否具有更佳的傳感性能，本文分別將傳統(tǒng)穿刺針傳感器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的新型穿刺針傳感器結(jié)構(gòu)導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行受力模擬分析，對(duì)比分析二者在受到同等大小的軸向力、扭矩力或徑向力時(shí)，新型構(gòu)型傳感器的形變量是否較大，產(chǎn)生的最大應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度及應(yīng)力敏感區(qū)域是否有所提升，進(jìn)而得出新型傳感器傳感性能是否更佳[11]。

2.3.1 有限元分析操作步驟

有限元分析分為靜力學(xué)分析、模態(tài)分析、熱分析等多個(gè)種類，此處我們需要用到靜力學(xué)分析。首先打開(kāi) ANSYS Workbench 軟件，在 Toolbox（工具箱）窗口選擇 Analysis Systems（分析系統(tǒng)）中的Static Structural，即靜力學(xué)分析模塊；其次雙擊打開(kāi)Static Structural模塊的 Engineering Data 單元格設(shè)置組成結(jié)構(gòu)體的材料屬性，這里我們使用軟件初始默認(rèn)的 Structural Steel結(jié)構(gòu)鋼材料；再次設(shè)置Geometry單元格將SOLIDWORKS繪制的穿刺針模型導(dǎo)入進(jìn)來(lái)；最后雙擊Model單元格進(jìn)入ANSYS Mechanical分析程序，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，這里本研究直接采用軟件自主劃分網(wǎng)格，并且分別施加載荷和約束，求解受力模擬仿真結(jié)果。

2.3.2 模型的建立

在ANSYS有限元分析中，模型可在Workbench軟件中自行創(chuàng)建，也可從其他建模軟件中直接導(dǎo)入[14]，本文使用SOLIDWORKS軟件繪制出穿刺針模型，并導(dǎo)入Workbench中進(jìn)行受力仿真。如圖4所示為導(dǎo)入DesignModeler的穿刺針模型，針尖的半徑為10 mm，針柱的半徑為2 mm，針尖內(nèi)部和頂部空心管道的內(nèi)徑為1.5 mm，外徑為2 mm。模型導(dǎo)入后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的單元類型為Solid186，單元數(shù)目為27 316個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為54 225個(gè)，在穿刺針的底座面上施加有一個(gè)固定約束。本研究計(jì)劃對(duì)穿刺針傳感器模型分別進(jìn)行軸向力、徑向力和扭矩力的受力模擬仿真，通過(guò)對(duì)比新型結(jié)構(gòu)穿刺針與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)穿刺針的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證改進(jìn)的傳感器傳感性能是否更佳。

圖4 SOLIDWORKS導(dǎo)入 DesignModeler的穿刺針模型圖

2.3.3 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

在軸向力應(yīng)變的檢測(cè)中，本設(shè)計(jì)在穿刺針柱表面挖有凹槽。分別對(duì)傳統(tǒng)構(gòu)型的穿刺針柱和新型的穿刺針柱施加相同的軸向力載荷，其中新型穿刺針的載荷施加面為其針尖內(nèi)空心管道的4個(gè)盡頭面，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)穿刺針的載荷施加面為其針尖壁上與新型穿刺針空心圓管盡頭面面積相等的4個(gè)圓形區(qū)域，對(duì)各自4個(gè)面分別施加4個(gè)3 N的與針柱平行方向的軸向力，合計(jì)為12 N，進(jìn)行受力模擬仿真求解，如圖5所示為解得的二者位移云圖），在各自受到12 N大小軸向力載荷時(shí)，新型穿刺針的最大形變量為0.011 857 mm，傳統(tǒng)穿刺針的最大形變量為0.000 956 61 mm，在針尖處穿刺針的形變量最大，距離針尖越遠(yuǎn)，模型形變量越小。由此可得，穿刺針柱的凹槽結(jié)構(gòu)能夠提升應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度，提高軸向力檢測(cè)的靈敏度，并且將軸向力傳感元件FBG1集成在穿刺針柱凹槽內(nèi)接近針尖部位可使其感受到最大的軸向力應(yīng)力應(yīng)變強(qiáng)度。

圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)穿刺針柱施加軸向力載荷仿真位移云圖（單位：mm）

在徑向力應(yīng)變的檢測(cè)中，本研究將穿刺針尖設(shè)計(jì)為空心結(jié)構(gòu)并在其內(nèi)部放入空心管道，管道的4個(gè)盡頭凸出針尖壁0.1 mm。分別對(duì)傳統(tǒng)構(gòu)型穿刺針尖和新型穿刺針尖施加同等大小的徑向力載荷，其中新型穿刺針載荷施加面為空心管道的4個(gè)盡頭面，傳統(tǒng)構(gòu)型穿刺針載荷施加面為其針尖壁上與新型穿刺針空心管道盡頭面等大的4個(gè)圓形區(qū)域，分別施加4個(gè)3 N的垂直于各自4個(gè)面的徑向力，進(jìn)行受力模擬分析求解，如圖6所示為解得的二者壓力云圖，當(dāng)施加相同徑向力載荷時(shí)，新型穿刺針的空心管道產(chǎn)生的最大應(yīng)力強(qiáng)度為3.855 7 MPa，相對(duì)傳統(tǒng)穿刺針尖壁的1.212 1 MPa更高，應(yīng)力敏感區(qū)域也更為廣闊，且在空心管道4個(gè)盡頭面上產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變最大。由此可得，改進(jìn)后穿刺針的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能提升其應(yīng)力強(qiáng)度，增大其應(yīng)力敏感區(qū)域，并且將徑向力傳感元件分叉光纖的4個(gè)FBG各自粘貼在針尖空心管道4個(gè)盡頭面內(nèi)壁上可得到最佳的穿刺針徑向力應(yīng)力應(yīng)變檢測(cè)效果。

圖6 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)穿刺針尖施加徑向力載荷仿真壓力云圖（單位：MPa）

在扭矩力應(yīng)變的檢測(cè)中，本設(shè)計(jì)在穿刺針尖頂部制作有一個(gè)槽，槽內(nèi)放有兩個(gè)空心管道。分別對(duì)傳統(tǒng)構(gòu)型和新型的穿刺針施加5 N·mm的扭矩力載荷，其中傳統(tǒng)構(gòu)型穿刺針的扭矩載荷施加處為其針柱上所固定彈性梁的外輪轂，新型穿刺針的扭矩載荷施加處為其針尖頂部槽面，進(jìn)行受力分析求解，如圖7所示為解得的二者各自的位移云圖，在分別受到5 N·mm大小扭矩力載荷的情況下，新型結(jié)構(gòu)穿刺針的最大形變量為0.004 807 mm，大于傳統(tǒng)穿刺針的 0.004 439 7 mm。由此可得，穿刺針尖頂部的槽及空心圓管結(jié)構(gòu)能夠提升扭矩力應(yīng)變強(qiáng)度，增加扭矩力檢測(cè)的精度，增強(qiáng)傳感器檢測(cè)扭矩力的傳感性能。

圖7 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)與新型結(jié)構(gòu)穿刺針施加扭矩力載荷仿真位移云圖（單位：mm）

如表2所示為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)穿刺針施加各種載荷的最大形變量與最大應(yīng)力強(qiáng)度，在受到的載荷相同時(shí)，新型結(jié)構(gòu)穿刺針的最大形變量與最大應(yīng)力強(qiáng)度均比傳統(tǒng)構(gòu)型穿刺針大。由此可得改進(jìn)后的新型穿刺引流針傳感器相對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)軸向力、徑向力和扭矩力的檢測(cè)靈敏度皆有所提升，具有較優(yōu)良的傳感性能。

表2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和新型結(jié)構(gòu)穿刺針的靜力學(xué)分析結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)胸腔穿刺引流等精細(xì)化微創(chuàng)手術(shù)中接觸力反饋不佳及無(wú)法感知不同方向力觸覺(jué)信息問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于光纖布拉格光柵的精細(xì)化多維力觸覺(jué)傳感器，該穿刺引流針傳感器能同時(shí)感知到穿刺過(guò)程中所受的軸向力、扭矩力及徑向力。同時(shí)，對(duì)FBG的傳感原理及觸覺(jué)傳感器的構(gòu)型設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹和分析，并采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行各個(gè)力的受力模擬仿真，仿真結(jié)果顯示改進(jìn)后新型的傳感器相比傳統(tǒng)構(gòu)型最大應(yīng)力強(qiáng)度與應(yīng)力敏感區(qū)域皆有所增大，能夠更精準(zhǔn)的檢測(cè)手術(shù)穿刺過(guò)程中的軸向力、扭矩力和徑向力，實(shí)現(xiàn)三維空間中各方向力的感知。