● 摘要
显微外科手术的对象通常在毫米范围内，不仅尺寸微小而且难于操作。因此，机器人代替医生完成此类手术操作具有相当的难度。针对这个问题，越来越多的研究人员将虚拟现实技术应用其中，为机器人的手术作业过程建立物理模型和虚拟环境，利用仿真得到的力学信息作为机器人路径规划的参考依据，以提高机器人的运动精度和稳定性，从而保障了手术作业的安全性和可靠性。在国家自然基金的资助下，本文对角膜移植手术过程中的力学建模做了深入的探究。首先，利用微力材料试验机对角膜的生物力学特性进行了一系列的测量实验，其中包括角膜试样的单向拉伸、应力松弛实验；缝针刺入角膜的微小力测量实验以及眼球的切割试验和挤压实验。其次，根据单向拉伸状态下的应力—应变关系建立了角膜的超弹性模型；根据应力松弛特性曲线建立了角膜的粘弹性模型。以生物软组织力学原理为基础，结合角膜的超弹性和粘弹性特点，建立了角膜的非线性本构模型，并对其进行有限元模拟。角膜材料的有限元仿真结果进一步验证了角膜本构模型的正确性。通过缝针刺入角膜的微小力测量实验，将缝针受到的力分解为表面接触力，摩擦力和切割力，并建立相应的数学模型。采用自下而上的方式建立角膜的有限元模型；对于模型的边界条件，用非线性弹簧模拟眼外肌的影响，同时考虑了眼内压的作用；并利用图形界面设计语言开发了眼角膜有限元参数化建模交互界面。最后，基于接触问题的粘—滑模型，使用点—面接触和面—面接触方式建立缝针刺入角膜的有限元模型，利用单元生死技术实现缝针刺入角膜过程的仿真。本文针对缝针刺入角膜有限元模型进行的力学研究为角膜移植手术机器人的精确控制提供了重要的参考价值和研究途径，同时也为将来开发人机交互的手术训练系统提供了现实基础。