CN112504535B - 一种在柔性材料表面切割过程中的力学测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种在柔性材料表面切割过程中的力学测量装置，包括手术刀、主板、方孔转轴、手术刀夹持部件、滑块、速度位移传感器等。手术刀夹持部件穿过方孔转轴方孔固定在方孔转轴上，方孔转轴嵌入主板的圆形孔内，并可锁定手术刀的切割角度；主板固定在滑块上，电机带动滑块，实施切割运动。手术刀夹持部件包括刀架、上、下槽体、S型压力传感器、弹簧等。S型压力传感器放在下槽体内，刀架一端夹持手术刀，另一端接触S型压力传感器，并使刀架和S型压力传感器始终保持紧密接触。本发明装置用于柔性材料表面切割实验，在切割时，刀具所受到的阻力在整个完整切割过程中被测出。获得的数据可以参考用在手术机器人的设计或者虚拟手术系统的设计。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种用于测量柔性物质在表面切割实验过程中力学变化的装置。
背景技术
现有技术中，柔性物质切割的方式主要有穿刺和贯穿样本式的切割。不同的切割方式为不同的实验目的服务，从而切割装置也不同。柔性防护材料在实际使用中，经常受到表面的划割，而可能产生失效，为了分析和度量抗失效的能力，就需要在防护材料样本表面不同深度进行划割实验，记录实验过程的力学数据，用于数理分析。
发明内容
本发明的目的是提出一种在柔性材料表面切割过程中的力学测量装置，以定性和定量分析柔性防护物质防划割失效能力。
本发明是通过以下技术方案实现的。
本发明所述的一种在柔性材料表面切割过程中的力学测量装置，包括手术刀、主板、方孔转轴、手术刀夹持部件、滑块、速度位移传感器等，如图1所示。主板上预留有一与方孔转轴大小一致的圆形孔，在圆形孔的外围刻有一圆弧通槽和若干刻度；手术刀夹持部件穿过方孔转轴的方孔固定在方孔转轴上，方孔转轴嵌入主板的圆形孔内，并可在主板的圆形孔内转动，方孔转轴可由M5螺钉螺母垫片套件穿过圆弧通槽锁定在主板上的某个位置，以锁定手术刀不同的切割角度；工作时，方孔转轴连同手术刀夹持部件，通过主板固定在滑块上，滑块通过电机带动，实施切割运动，滑块同时连接到速度位移传感器。
所述的手术刀夹持部件包括刀架、下槽体， 上槽体、S型压力传感器、弹簧。S型压力传感器放在下槽体内，刀架的轴孔安装在枢轴（左、右枢轴）上，可绕枢轴转动，刀架的一端夹持手术刀，另一端接触S型压力传感器。S型压力传感器上端连接有M3支承螺钉，M3支承螺钉顶部的凹面与刀架的半圆形凸起接触；刀架的凹槽与到弹簧接触，通过弹簧施加一个预紧压力，以保证刀架和S型压力传感器始终保持紧密接触。下槽体与上槽体拼合好，通过M5螺钉螺母套件锁紧。
本发明所述的速度位移传感器可选配外接，也可通过控制滑块运动的电机获得滑块运动的位移和速度。
在样本材料表面切割过程中，手术刀所受到的阻力，即切割力，由S型压力传感器采集到的数据通过杠杆原理计算出来。其装置实验应用如图1所示。
本发明装置是用于柔性材料表面切割实验，通过该装置当刀具在柔性材料表面切割时，刀具所受到的阻力在整个完整切割过程中被测出。获得的数据可以参考用在手术机器人的设计或者虚拟手术系统的设计，如虚拟外科手术、虚拟整形手术等。
附图说明
图1是本发明力学测量装置应用示意图。
图2是本发明力学测量装置图。
图3是本发明力学测量装置分解图。
图4是本发明力学测量下槽体图。
图5是本发明力学测量上槽体图。
其中，1-主板，2-方孔转轴，3-M3螺钉螺帽组，4-M5螺钉螺母垫片套件，5-左枢轴，6-右枢轴，7-M3短螺钉，8-橡胶垫，9-弹簧，10-M5螺钉螺母套件，11-指示针，12-M3支承螺钉，13-S型压力传感器，14-手术刀，15-刀架，16-轴孔，17-下槽体，18-上槽体，19-半圆形凸起，20-凹槽，21-2mm深方孔，22-手术刀夹持部件，23-速度位移传感器，24-滑块，25-S型压力传感器导线，26-速度位移传感导线，27-样本材料，28-圆弧通槽。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。
本发明在工作中的装配图如图2所示。在使用前需要参照图3进行组装。方孔转轴2嵌入主板1底部圆形孔内。将S型压力传感器13放在下槽体17内的2mm深方孔通过502胶水粘合牢固。在S型压力传感器13上部旋进M3支承螺钉12（该螺钉顶部加工出了圆弧形凹面）。
手术刀14装在刀架15前端，其装夹方式与用于医学用途的手术刀装夹方式相同。左枢轴5的细轴穿过刀架15的轴孔16与右枢轴6装配在一起，两个枢轴由于其上有环形槽可以放在下槽体17前部圆弧形凹槽内的凸起部分，以防止左枢轴5和右枢轴6沿轴向的移动。刀架15的半圆形凸起19与M3支承螺钉12的顶部圆弧形凹面接触。将上槽体18与下槽体17拼合好，前部用M3螺钉螺帽组3锁紧，后部用M5螺钉螺母套件10锁紧。在上槽体18的中部圆柱孔内装入弹簧9，弹簧9接触刀架15的凹槽20，在弹簧9上放橡胶垫8，M3短螺钉7旋入圆柱孔内，可以调节弹簧9对凹槽20的压紧力。将装配好的上槽体18与下槽体17穿过方孔转轴2的方孔，用M5螺钉螺母垫片套件4通过主板1上的圆弧通槽28锁定（如图2所示）在主板1的某个位置上。松开M5螺钉螺母垫片套件4，上槽体18与下槽体17和方孔转轴2可以一起绕方孔转轴2的轴线旋转，主板1上有沿圆周分布间隔5度的凸起刻度，结合指示针11用于辅助参考计量旋转的角度，然后再将M5螺钉螺母垫片套件4锁紧。主板1安装在滑块24上，该滑块24由电机驱动，可以带动主板1在程序控制下的走直线运动，而通过方孔转轴2旋转到不同角度进行锁定，以实现对柔性物质在不同角度、深度的切割实验。
滑块24由电机驱动推动，按图1所示运动方向运行，这时手术刀14可以在一个设定角度对样本材料27的表面进行切割。在切割过程中，由于阻力不断的变化，手术刀14和刀架15一起绕轴孔16的轴线旋转，通过杠杆原理，刀架15的半圆形凸起19与M3支承螺钉12的凹面的接触力也会发生相应变化，该变化会影响S型压力传感器13的形变，该形变数据可通过S型压力传感器导线25传递到数据采集装置。同时滑块24的运动位移和速度可以通过速度位移传感器23感应和收集、并通过速度位移传感导线26传递至外部收集、检测装置。
Claims (2)
1.一种在柔性材料表面切割过程中的力学测量装置，其特征是包括手术刀、主板、方孔转轴、手术刀夹持部件、滑块、速度位移传感器；主板上预留有一与方孔转轴大小一致的圆形孔，在圆形孔的外围刻有一圆弧通槽和若干刻度；手术刀夹持部件穿过方孔转轴的方孔固定在方孔转轴上，方孔转轴嵌入主板的圆形孔内，并可在主板的圆形孔内转动，方孔转轴可由M5螺钉螺母垫片套件穿过圆弧通槽锁定在主板上的某个位置，以锁定手术刀不同的切割角度；工作时，方孔转轴连同手术刀夹持部件，通过主板固定在滑块上，滑块通过电机带动，实施切割运动，滑块同时连接到速度位移传感器；
所述的手术刀夹持部件包括刀架、下槽体，上槽体、S型压力传感器、弹簧；S型压力传感器放在下槽体内，刀架的轴孔安装在枢轴上，可绕枢轴转动，刀架的一端夹持手术刀，另一端接触S型压力传感器；S型压力传感器上端连接有M3支承螺钉，M3支承螺钉顶部的凹面与刀架的半圆形凸起接触；刀架的凹槽与弹簧接触，通过弹簧施加一个预紧压力，以保证刀架和S型压力传感器始终保持紧密接触；下槽体与上槽体拼合好，通过M5螺钉螺母套件锁紧。
2.根据权利要求1所述的一种在柔性材料表面切割过程中的力学测量装置，其特征是通过控制滑块运动的电机获得滑块运动的位移和速度。
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