本文介绍了一种机器人眼动系统的原型，该系统用于一种新型的眼部和颅面创伤模拟器，该模拟器是为眼科医生和急救人员的实用技能培训而开发的。该模拟器填补了眼科训练领域的空白，特别是基于虚拟现实的白内障和视网膜修复系统与没有定量测量能力的部分任务训练器之间的空白。将物理解剖模块、仪器跟踪和嵌入式传感器与便携式台式结构中的数据采集/反馈系统相结合，它提供了一种替代动物和尸体为基础的训练。所描述的原型机器人眼睛系统包括多种人眼眼球运动特征:眼球俯仰和偏航运动、眼球运动和施加的力的感知，以检测施加在眼球上的压力/负载。
美国武装部队在敌对行动中受伤的发病率和死亡率的主要原因是头部、面部和颈部的创伤性损伤，尽管这些区域仅占全身表面积的12%[1,2]。虽然防弹衣的改进减少了躯干和四肢的伤害，但脸部和头部的保护相对较少。由于缺乏用于治疗面部和头部损伤的逼真模拟器，医务人员和医生在对患者进行手术前几乎没有机会进行培训。大多数模拟器应用于监控环境，例如医院手术室。在战区，重伤发生后的头几分钟对拯救病人至关重要，因此需要已经掌握必要的技能。军事眼科医生和其他可能被要求治疗眼部损伤的医生需要发展创伤技能，因为在美国住院医师中，包括显微外科缝合在内的某些技能的关键能力现在很少被教授，因此，需要开发一种新的原型培训系统来覆盖这些情况。在这种情况下，一种新的训练系统被开发出来，以模拟眼眶和眶周组织损伤以及面部创伤，包括下颌骨、上颌骨和上呼吸道的元素。本文介绍了支撑模拟器眼部元件的机器人系统的发展。
本研究开发了一种新型眼颅面外伤(OCF)模拟器的原型，供眼科医生和急救人员在治疗面部和眼睛损伤时使用，旨在训练和保持实用技能。该原型将物理解剖模块与仪器跟踪传感器以及便携式台式结构中的数据采集、评分和反馈系统相结合[3]。本研究的主要目的是设计一个功能原型OCF模拟器，在安全的环境中以可量化和可重复的形式提供程序性训练。OCF的设计目的是为了与培训方法相结合，这些方法可以提高其他医疗手术技能，如软组织损伤治疗和上呼吸道管理，而不会对实际患者造成风险，也不需要进行基于动物的培训。培训基于一种先进的评估方法，该方法对用户的专业知识进行评分，以验证他们的程序并提高他们的技能。该方法使用手术器械、外科医生运动跟踪技术、传感器和增强现实系统向外科医生提供反馈和指导[4]。模拟器的初始设置如图1所示:它是一个用于外科技术学习的混合物理/虚拟系统，包括一个带有可更换眼外伤模块的非动画人体模型头部、力传感器和具有闭合功能的位置/方向跟踪仪器。图2描述了OCF的潜在头骨形态，这是来自于一个真实的人的去识别计算机断层扫描(CT);在CAD环境下操作的解剖结构，显示支撑模拟骨折的元素;还有安装了机器人眼系统的模拟器原型的头骨和上颚。最初的模拟器包括一个被动的硅胶左眼模块(图1，左)，而新的机器人系统包括左眼和右眼，并由一个完全可更换的硅胶面覆盖，上面有模拟撕裂伤(图1，右)。无源组件和全面组件由几层硅制成，以模拟人体皮肤组织。在一些配置中，眼泪和泪管和血管包括在皮肤中，以重现真实面部的视觉，触觉和功能方面，用于模拟手术操作。对于支持侧眦切开术和环甲状软骨切开术等手术的版本，传感器被融合到硅中，以检测切口的长度和方向，为受训者提供有用的反馈。
图1
OCF初始设置:非动画人体模型和仪器
图2
OCF的头。颅骨对比:CT;b CAD模型;C物理样机
目前的研究重点是一种新型眼睛模拟器的概念设计和物理原型，如图3a所示。它使用了一个机电系统来模拟人眼的行为和运动。动态瞳孔已经实现了模拟眼睛，响应一个亮度传感器，提高了模拟病人的真实感。如图3b所示，眼机构安装在颅骨形式的腔内。颅骨CAD模型从CT扫描中提取，使用Mimics (Materialise, Leuven, Belgium)进行分割，导出为STL格式，并导入Solidworks (Dassault Systemes Solidworks Corp.， Waltham, USA)进行CAD建模，从而确保EYE-MECH是基于真实的解剖尺寸设计的。
图3
EYE-MECH的CAD模型和物理样机b组装好的颅骨(EYE-MECH放入颅骨腔内)
以准确再现人眼行为为目标，眼机器人系统的设计是一项具有挑战性的工程，涉及多个工程选择。根据最终目的和基本要求，眼动机构可以有不同的实现方式。为了应对目前技术水平的局限性，实现一种新颖的眼模拟器，本文主要关注以下几点:
人体解剖学:第2节介绍眼睛的解剖学及其主要特征、功能和活动范围(RoM)。这些知识在设计设备时非常重要，并激发了眼系统模拟器的设计选择。
技术现状:从文献中对现有系统进行了简要回顾，以分析各种方法的优缺点，并在第3节中报告。
概念验证和机构设计:第四节深入研究了机构设计和原型设计。根据前面的要点，确定了要复制的主要特征和设计可靠和逼真系统的要求，以便在人体解剖学的约束下设计、大小和适当地集成该机构。
物理原型，控制系统和测试:第4节描述了使用3D打印和传统加工制作原型并组装以获得工作原型的机构组件。Arduino Duemilanove (Arduino，都灵，意大利)用于控制和测试设备的功能和可靠性。
为了研究人眼的解剖结构，本节主要关注两个方面:
眼肌肉系统:检查参与眼球运动的肌肉的数量、位置和功能，收集肌肉系统RoM、速度和平均眼球尺寸的数据。
外伤性突出:研究了这种情况的原因和症状，以及治疗它们的医疗程序。
眼肌肉系统[5]:人眼的眼球是由眼眶的7块肌肉中的6块肌肉控制的，如图4[6]所示。这四块肌肉(从1到4)主要控制眼睛的上、下、内收和外展运动，分别是向上、向下、向内/内侧和向外/外侧方向。它们合作为眼睛提供两个旋转自由度(DoFs)。两组肌肉(5和6)主要提供围绕眼轴的有限旋转(扭转)。这些肌肉的一端附着在眼球的巩膜上，而另一端附着在环绕视神经、动眼神经和眼动脉的Zinn肌腱环上。眼眶的第七肌是提上睑肌，它的功能是收放上睑。它与蝶骨和眼睑的跗骨板相连。人眼的运动由眼部肌肉的作用所允许，可分为三种类型:
收敛运动:这是两只眼睛的同步运动。它的功能是确保被观察物体的图像落在两个视网膜上相应的点上。这个运动的运动速度大约是25度/秒。
扫视运动:这是眼睛最快速的运动，用于从视觉场景中的一个位置快速移动到另一个位置，在此期间视觉感知被抑制。跳跃速度约为600度/秒。
追踪/平滑追踪运动:在追踪运动中的物体时激活，速度与收敛运动相当。
图4
来源:https://anatomyinfo.com/eye-muscles/(访问日期:2023年2月8日)
眼肌肉系统[6]。眼眶的七块肌肉:(1)上肌，(2)下肌，(3)外侧肌，(4)中肌，(5)上斜肌，(6)下斜肌，(7)提上睑肌。
眼RoM在各个方向上都有变化，并且随着人的年龄的增长而显著降低[6]。通常，为了检查眼睛的健康，医学检查是在不自然的条件下进行的(例如，闭上一只眼睛)。因此，它们不是理解真实眼睛行为的良好参考[7]。因此，在设计EYE-MECH时考虑了平均措施。
眼球突出:如图5所示，眼窝内正常位置的眼球突出。它可以是双侧或单侧，疾病的严重程度的测量是评估使用刺眼计。眼球突出可由外伤或肿瘤块导致眼球向外移位引起。影响眼窝的创伤会导致眼后出血，这是一种叫做球后出血的危险情况。这种不可压缩性出血可能会迅速发生，因此压力增加并推动眼睛向前。引起眼球移位的过程受到眼睑的限制，当眶内压力升高，挤压视神经和血管时，可能会导致隔室综合征，并有可能导致失明。根据[8]，单侧突出是一个必须在早期处理的关键征兆。胀形的最大位移可估计为。面部外伤后突出的外科治疗是侧眦切开术和眦松解术。该手术通过释放外侧眦肌腱的约束来减压眶隔室综合征，使眼球更自由地向前移动，直到出血解决。此外，眼球突出可能是眼眶肿瘤治疗的术后并发症[9]。出血可在手术后立即发生，在接下来的几天内发生率最高。当对药物无反应时，降低眼压最简单、最有效的方法是LCC。
图5
来源:http://www.aao.org(访问日期:2023年2月8日)
单侧突出的例子。
如图6所示，人眼的可见动态部分由虹膜和瞳孔组成。下面详细研究了它们的运动、尺寸和结构类型。
图6
来源:https://my.clevelandclinic.org/health/body/24317-pupil-of-the-eye(访问日期:2023年2月8日)
人眼:虹膜和瞳孔。
虹膜:这是一种彩色膜，作为隔膜，控制瞳孔的大小和到达视网膜的光线量。虹膜位于角膜和晶状体之间的房水内。它主要由三层组成:内皮、间质和色素上皮细胞。
内皮细胞位于虹膜的外表面，与角膜的内皮细胞连续。
间质是上皮下的色素纤维血管组织，是虹膜的最大部分。它由结缔组织组成，连接着负责收缩瞳孔的括约肌和由径向纤维组成的扩张肌，它将虹膜拉向径向，扩大瞳孔。
色素上皮细胞在基质后面形成了一层浓重的色素层，厚达两层，阻止光线通过虹膜进入视网膜。
虹膜外缘与巩膜和前睫状体相连[10,11]。
瞳孔:这是虹膜中心的一个可变直径的孔，它允许光线进入眼球。它的大小是由自主神经系统控制的虹膜肌肉根据光线强度来调节的。从眼外看到的瞳孔图像并不完全符合其实际位置和大小，因为它被角膜放大了[12]。瞳孔尺寸的变化主要与光线强度的变化、视线在远近物体之间的转移有关，有时也与经历恐惧等情绪有关。当瞳孔括约肌收缩时，瞳孔闭合，将虹膜内部组织拉得更紧，瞳孔收缩。瞳孔扩张肌，瞳孔括约肌的拮抗剂，使瞳孔扩张。这两块肌肉都受交感神经系统支配。瞳孔的大小也因人而异，取决于年龄。成人平均瞳孔直径约为2毫米(窄瞳孔)至8毫米(宽瞳孔)，虹膜外径约为11.5毫米[13]。
摘要。
1 介绍
2 人眼解剖
3 技术水平
4 EYE-MECH的设计和原型
5 结论
参考文献。
作者信息
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在医疗机器人仿真中，通过液晶显示器(LCD)模拟了瞳孔和虹膜的直径变化。这样，由于瞳孔不是一个真正的洞，而只是液晶显示器的表面部分，因此缺乏真实感[14,15,16,17,18,19]。另一种设计机器人眼睛的方法是使用带有不同大小孔的条带，通过机械移动这些孔的位置来模拟不同的瞳孔尺寸或条件[20](图7a)。机械虹膜的例子见[21,22]。在眼假体中，瞳孔通常是被动的(即不是动态的)，然而在[23]中，一个具有磁激活的瞳孔被开发出来，但其机制是手动操作的，不是渐进的，只有窄和宽两种可切换的配置(图7b)。下面的段落简要回顾了科学文献中关于机器人眼动系统设计的一些项目。
图7
瞳孔系统的例子。a手动设置;b宽/窄可选假体[20]
Robot-Cub[24,25,26]是人形机器人平台iCub的组成部分，旨在研究人类认知。这个机器人的大小是根据一个两岁孩子的大小来确定的。iCub头的眼动系统如图8a所示:它由3点组成，两只眼睛可以独立左右移动，同时上下移动。
图8
机器人眼睛机制的例子。a iCub [25];[28];c MAC-EYE [29];d仿生机械眼[31]
KASPAR[27,28]是一种适合人机交互研究的最低表达机器人。它的集成眼动系统如图8b所示:它为眼睛提供了3-DoFs，即眼睑的俯仰、偏航和眨眼运动。
MAC-EYE[29,30]是由热那亚大学设计的，用于模拟跳跃和平滑的追逐运动。其运动机制是机器人仿生视觉系统的一部分，旨在模拟人眼运动，解决机器人活动过程中视觉不稳定的问题。MAC-EYE结构如图8c所示。眼睛由四个直流电机驱动的四个独立的肌腱提供3自由度。机器人的眼球比人的眼球大，可以容纳商用CMOS相机。
上海大学设计的机器人仿生眼如图8所示[31]，其机械结构与人眼相似。眼球的运动是由旋转伺服机构实现的。结构的垂直运动和瞳孔的扩张/收缩的两个额外的自由度是通过RC伺服器提供的，并基于光源通过光传感器的方向。此外，眼球中还集成了一个摄像头。
其他类人机器人眼被设计成能够再现由气动人造肌肉驱动的眼球的三次旋转[32]，并模拟脊椎动物眼外肌肉的动作，获得高精度的大范围运动[33]。在[34,35]中，研究了类人机器人的行为和外观，以改善机器人与用户之间的关系。前者侧重于设计仿生致动器，以实现眼睛的水平、垂直和圆周运动(注意，这些方向位于瞳孔表面，即不包括垂直于面部的外部运动)，而后者则提出了一个具有9个自由度的设备，其中5个是针对眼睛的。Gaumard的Hal和相关机器人使用机械俯仰/偏航眼动系统;儿科HAL眼睛能够复制几种情绪状态、创伤和其他神经系统疾病[36]。此外，在[37]中提出了一种生物启发肌腱驱动的机器人眼，以改善视觉感知;通过李氏定律原理模拟眼球运动，再现扫视和平滑的追逐动作。
所描述的系统，模拟眼睛设备或瞳孔，不适合用于医疗模拟器。事实上，即使它们的dof与人眼的能力相匹配，包括致动器在内的整个眼睛机制结构也不适合在进行侵入性手术的医疗模拟器中进行设计。此外，在任何情况下都不考虑预测模拟。因此，需要一种精确复制人类特征的机制，包括它们的功能和美学，以训练模拟器代替人类。
结合俯仰和偏航机制，这里提出的设计的主要特点之一是对俯仰运动的模拟。在无意识患者的情况下，当使用手术器械操作时，地球仪应该在俯仰和偏航上移动，而对于有意识的患者，地球仪可能显示可控的运动。当球后出血发生时，由于压力增加，眼睛被向前推，失去活动能力。一旦放松，一些动作又回来了。
在第2节详细研究人眼解剖的基础上，本节重点介绍一种新颖的OCF眼系统设计，旨在复制人类行为，从而让外科医生/急救人员感受到对真实患者的培训。
eye - mech旨在重现与人眼相同的DoFs系统，其设计包括人眼与眼外伤相关的所有运动特征，即:
眼球倾斜和偏航。
突出。
背部的俯仰和偏航操控性，允许外科医生操控眼睛。
此外，还实现了力传感系统，以检测施加在球体上的压力/负载以及LCC成功后对眼睛的力减少。提出的eye - mech设计旨在解决人眼运动系统的挑战。完整的EYE-MECH的CAD模型和物理原型已经在之前介绍过，并显示在图3中。最初设计了单眼机构;一旦获得成功的结果，就复制该模型。根据EYE-MECH项目的要求，该机构为每一个俯仰和偏航旋转提供了一个RoM，以它们的中立位置为中心，并具有15毫米的平移运动。单个EYE-MECH的完整组装及其爆炸视图如图9所示。零件主要使用3D打印机(Objet 260v和Dimension Elite, Stratasys, Rehovot，以色列)制造，以简化复杂的几何形状制造。平台(1)可以绕球面关节上的所有轴旋转。该平台承载眼球的前部，并为眼球提供俯仰和偏航运动。它通过连接在其外缘的拉伸弹性钢丝(3)移动，并由机构背面的致动器(5)拉动。弹性连接旨在模拟眼眶肌肉，并允许眼睛的被动运动。这个子系统为眼睛提供旋转运动。再通过附加的致动器和曲柄滑块机构在平板(7)上前后移动，形成产生推进运动的第二子系统。
图9
机甲装配和爆炸视图。(1)眼球平台;(2)三角支撑;(3)氯丁橡胶丝;(4)伺服臂;(5)伺服(俯仰和偏航);(6)伺服支撑;(7)底板;(8)伺服(推进);(9)前凸曲柄
以下4.4.1俯仰和偏航子系统
本节分析了俯仰和偏航机构研制的设计过程。
驱动系统定义:为眼球提供两个独立的旋转自由度，需要两个驱动器。以下几点报告了有关作动系统的主要问题。
基于人体解剖学:正如已经提到的，eye - mech设计的目的是在功能上尽可能接近人眼。因此，实现了一个由电机激活的弹性连杆机构，该机构拉动眼平台并使其在球面关节上转动。通过这种连接，在将整个系统拟合在真实头骨的包络内的约束下，模拟了眶肌的功能。
减小尺寸和重量:由于OCF的其他设备和系统被确定安装在颅骨内(音频扬声器，颌骨运动机构，模拟出血的流体分配系统)，眼动设计的目标是紧凑性。
降低噪音和振动:为了避免分散训练场景的真实性，需要考虑的一个问题是最小化驱动系统的噪音和振动。
RoM和速度:选择执行器的规格是为了匹配运动要求，并为眼睛提供合适的RoM。值得注意的是，眼睛的RoM与执行器的RoM并不相同，因为弹性连杆的传动比不必为1:1。执行器的速度范围设计得足够宽，以允许模拟眼睛的扫视运动(第2.1节)。通过简单地降低指令速度，可以获得较慢的运动。
俯仰偏航机制有多种选择。在直线电机的情况下，考虑到传动装置是由预加载的弹性钢丝制成的，至少需要三个致动器来提供运动并保持均匀的张力。或者，选择旋转执行机构与合适的曲柄只允许使用两个伺服器。为了满足项目要求，选择了两个用于航空建模的微型RC伺服器来进行俯仰和偏航运动。所用伺服器为两台HS-5045HB数字伺服器(HiTek, RCD USA, Inc.， San Diego, CA)，其规格如表1所示。速度(600度/秒)和扭矩的范围是扫视运动的合理值(2.1节)。
表1 Servo datasheet (HS-5045HB)
机构设计概念:如前所述，如图9所示，该系统由一个旋转平台组成，硅胶眼球附着在该平台上，通过弹性传动装置驱动。
如图10a所示，眼球平台(图9，(1))的直径大约等于成人眼球的横向直径和纵向直径的平均值[38]。圆锥形的形状是用一个角度来实现的，这是为了在一个完整的球形球体的愿望和提供足够的空间以满足RoM项目要求之间找到一个妥协()。平台的中心有一个球形空腔，并与关节的互补部分相扣(图10b)，因为它的开口夹角略大于，即。在这个腔内有两个微小的圆柱形销，以防止平台的滚动/扭转运动(见图10a眼球的旋转DoFs)。这些销钉与三角形支撑的球形尖端的凹槽配合，平台在其上旋转。
图10
眼球平台。圆锥形()。绿色的2点(俯仰和偏航)，红色的一次固定旋转(滚动)。b弯头平台和三角支撑组件(球面连接)。弹性传动四个附件()
三角支撑为带锥形销的l形部件(图9，(2))。所述锥形销具有与所述平台腔配合的球形尖端。为了减少运动过程中组件之间的摩擦，平台和销之间设置了0.12 mm的径向间隙。圆锥销的长度、厚度和倾斜角的选择都是为了防止在整个RoM上与平台发生碰撞，并抵抗弯矩。三角形支撑的设计是为了避免与弹性钢丝的干扰，并提供与组件其余部分的牢固连接。当轴向载荷作用于眼球时，如模拟眼球突出或急救人员不适当地按压眼球时，支撑的三角形部分充当悬臂梁。由施加的力引起的梁的挠度使用粘接在梁表面的应变片来测量(见第4.1.3节)。
三角形的支持是附加到一个矩形平板(图9，(7))，它骑之间的线性轴承表面(未显示)，使用两个螺钉。由于该装置的设计是为了有效利用颅骨中的可用空间，所以平板被放置在眼睛上方，占据了颅穹窿的下部。平板承载执行器支架(图9、(6))和纵槽，纵槽将俯仰和偏航子系统与推进子系统相匹配。俯仰和偏航子系统的平板/ l形部件/致动器/眼球平台总成的尺寸约为76 × 35 × 47 mm。沿着平板侧面的凹槽滑动到推进机构中的轨道中，平板本体中的第二凹槽与驱动推进运动的曲柄(图9、(9))配合。这个概念将在下一节通过介绍预测子系统(第4.1.2节)来澄清。，图12)。两个旋转伺服器(图9，(5))将其运动传递给肘形臂支架(4)，后者拉动和拉伸氯丁橡胶丝(3)，从而驱动眼球平台在俯仰和偏航方向上运动。臂支撑，可以在图11中详细看到，包括与伺服输出轴配合的花键。执行机构支架将执行机构牢固地固定在正确的位置。它被设计成倒y形，以保持伺服器在倾斜位置，并通过一对螺钉拧紧到底板上。执行器支撑的y形使臂支撑与球面关节的中心对齐。
图11
臂支撑物理原型与氯丁橡胶电线
然后，由氯丁橡胶制成的弹性钢丝，以模拟眼眶肌肉的弹性，缠绕在手臂支架两端的销子上，终止在眼球平台的孔中，并使用固定螺钉固定和拉伸。为了提供眼球所需的运动，钉被设置在与眼球平台上的孔相同的径向距离上，并具有相同的30°倾角。
虽然独立的俯仰和偏转运动可以实现，就像眼睛一样，在眼球的水平和垂直位置使用正交的电线(或肌肉)附件，但三角形板和驱动器阻碍了这种配置。相反，在模拟备选方案后，选择了执行器支撑的y形配置，该配置使伺服器和臂支撑从水平轴对齐(图10)。
良好的运动控制是通过耦合伺服运动来实现俯仰，偏航和组合运动。致动器在同一方向上的旋转为眼睛提供了俯仰运动，而偏航运动是通过致动器在相反方向上的旋转来实现的。如第4.2节所述，可以通过三角函数考虑来获得移动致动器以达到眼形的控制律。由于伺服器安装在距离眼平台不同的距离上，氯丁橡胶线的额外长度的弹性导致需要更远距离的致动器的更大旋转，以实现与距离较近的致动器相同的眼平台旋转;这是在计算纯三角控制律后作为附加因素包括在内的。
传动系统:上述传动通过将伺服扭矩转换为施加于眼球的净扭矩来实现眼球平台的旋转运动。弹性连接，而不是刚性连接，允许用手术器械移动眼睛所需的能力，但从位置控制精度和频率响应的角度来看，它不太可靠，在到达最终位置之前，可能会有更长的身体振荡[39]。作为一种设计选择，实现一个视觉逼真的系统可能比实现一个极其精确的机制更重要。
考虑到弹性元件的材料，供应商没有规定氯丁橡胶的杨氏模量，所以做了一个测试来评估。分析了不同载荷条件下线材伸长率。从线圈上剪下一根长50.8毫米、横截面2.7平方毫米的氯丁橡胶丝。金属丝的一端用夹子固定，另一端打一个小的横向孔。通过该孔，在钢丝上附加几个重物，测量不同的伸长量并计算杨氏模量[41]。试验以五种不同的总重量进行，即0.1 kg, 0.2 kg, 0.3 kg,0.4 kg和0.5 kg。每次试验重复三次，计算拉伸的平均值。对于每个重量，计算杨氏模量，并将五个值平均，得到约4.2 MPa的值。使用Excel (Microsoft Corp.， Redmond, WA)生成应力延伸图;它具有线性形状，符合在载荷范围内的预期线弹性材料性能和氯丁橡胶的报告值[40]。
4.1.2 突出子系统
本节介绍了眼球和俯仰偏航子系统前后移动的投影子系统设计。这种平移自由度与俯仰和偏航运动无关，因此俯仰和偏航子系统可以被视为一个被动机构，其RoM约为15 mm。为了节省空间，决定使用伺服电机而不是线性驱动。虽然这需要从旋转运动转换，但它有几个优点。
使用伺服为所有三个自由度简化了控制系统;许多易于编程的微控制器板支持同时控制多个RC伺服器。此外，所选择的伺服器的低尺寸和重量最大限度地减少了头骨上部的整体固定，包括一个轨道，其中俯仰和偏航子系统的基座在其中行驶，以及机构尺寸。推进子系统曲柄滑块机构[42]如图12所示。一个病例预测伺服器(图9，(8))。曲柄(图9，(9))是一个改进的RC伺服“喇叭”，其在底板上啮合一个横向槽，形成一个苏格兰轭机构。7.5 mm的曲柄半径与伺服旋转相结合，产生了预测子系统所需的15 mm RoM。俯仰角和偏航子系统中使用的HS-5045HB伺服器也适合满足预测子系统的要求，进一步简化了装配。
图12
预测子系统物理原型
4.1.3 负荷传感器
在eye - mech中集成了一个负载传感系统，以跟踪受训者在治疗球后出血期间释放压力或不适当施加压力时施加在眼睛上的力。沿-轴(图10)加载，通过球面枢轴使悬臂式三角形支架弯曲，其变形由应变片检测(图13)。为了估计施加在眼睛上的载荷，必须从导致三角形支撑偏转的总载荷中扣除弹性连接的预载荷。以氯丁橡胶丝为横截面，在眼球平台处的两根导线各有两根导线附着物，则总面积为(式1):
（1）
其中为氯丁橡胶丝附件的数量。
图13
EYE-MECH原型，应变计附在三角形支架上
在氯丁橡胶丝中施加拉伸预载荷，即，且杨氏模量近似时，可以得到应力值。因此，传输线所受的力计算式为:
（2）
假设要检测的力约为或，则传感器系统必须跟踪的加在眼睛上的总载荷如式3所示:
（3）
使用氯丁橡胶电线的选择导致了可靠的传输。将应变片(见表2)环氧化到三角形支架(图13)的中心区域，该区域已经过打磨和清洁以确保附着力。
表2 Gage datasheet
为了正确控制样机的运动，建立了运动学模型，并确定了Arduino编程所需的相应运动规律。在下面的段落中，对于一般数量，。
4.2.1 俯仰和偏航
在两个独立的伺服控制下，眼机构可以在偏航()和俯仰()两个方向上旋转，具有旋转和。如图14所示，眼球的方向由单位矢量(红色)表示，参照固定坐标系(白色)，其原点是平台的旋转中心。单位矢量位于初始位置的-轴上。任何其他矢量位置都可以通过将单位矢量投影到要定义的平面上，并在平面上定义(图15)来确定。如图15所示，为每个伺服系统定义一个移动参考系，其旋转轴在平面上远离GCS的固定轴(伺服1为正，伺服2为负)。当==0时，所有z轴共线。对于眼球平台的任何期望方向，两个()旋转使得(红色)单位向量保持在每个平面上。这要归功于4.1.1节中详细介绍的机制设计。
图14
极坐标系统固定于眼球平台(，白色);单位矢量(红色)(联机彩色图)
图15
眼球的一般位置(单位矢量，红色)在(黑色，固定)(在线彩色图)
如图16所示，与伺服器相连的手臂的长度和倾斜度与旋转平台的附件相对于其中心的长度和倾斜度相同。为了求出旋转，导出了单位矢量在其最终位置在固定轴和-轴上的投影。第一个投影如图15所示，等于。第二个投影等于，可以通过图16所示的几何考虑来推导。使用相同的方法，单位向量的-分量计算为。参照图17，计算式4、5。因此，伺服角和对于任何给定的，和可以通过公式4和5的逆切线找到。
图16
YX-plane。矢量分量(绿色和蓝色，可移动)(在线彩色图)
图17
XZ-plane。矢量分量(绿色和蓝色，可移动)(在线彩色图)
(4) (5)
请注意，伺服旋转仅是和(在本例中)的函数。
4.2.2 突出
为了控制EYE-MECH移动子系统，曲柄角度与系统的滑动位置有关。参照图18，为曲柄的长度，为曲柄与-轴之间的夹角约，即曲柄的旋转中心。对于处于正常位置的眼睛，位移和。对于最大的突出，从原点发生位移和。一般曲柄位置可表示为式6:
（6）
图18
投影运动方案(-Y平面)
瞳孔机构设计的主要特点和要求如下:
以人体解剖学为基础:该机制被设计得尽可能真实，无论是在外科医生在手术中可能遇到的外部和内部特征方面。
体积小:该机构应安装在眼球内，并连接在eye - mech上。这一点是主要的设计限制之一。
运动模拟:应复制虹膜的打开和关闭，为人体模型提供活动的虹膜。
RoM要求:与人体虹膜相同。
光响应:配备光传感器，控制器使瞳孔尺寸根据环境亮度变化而变化。
在文献中发现的解决方案与俯仰和偏航子系统不兼容(例如，[22])。一个更适合可靠性和易于制造等特点的解决方案被开发和原型化(图19)。RoM与2.2节中描述的参数相对应(对于窄瞳孔，对于放大瞳孔)。瞳孔是在弹性膜上形成的一个洞，模仿了真实的眼睛结构，并安装在一个硅眼球内。眼球系统的原型如图20所示。内部结构是3D打印的，而灯泡和虹膜是用硅铸造的。所示的版本有一个完全透明的灯泡来显示虹膜，其内表面被涂成类似于正常的虹膜。一个轴向对齐的圆柱体，围绕着虹膜安装，可以承载一个光传感器，并且可以涂成黑色。整个系统附着在EYE-MECH上，并安装在OCF颅骨内(图3)。图19显示了薄硅层的机械变形和瞳孔大小的变化。这种变形是由在空心圆筒上滑动的刚性环连杆向下平移引起的。虹膜是一个薄薄的硅胶“帽”，中间有一个孔，连接在环链上。环的向下平移迫使硅拉伸并扩大孔，从而扩大瞳孔。测试了不同硬度的有机硅在虹膜中的弹性。环的运动是由连接到伺服电机(未显示)的四根电线提供的，伺服电机拉动环本身，而相反的运动，即闭合，是由硅的弹性反冲提供的。圆柱体是通过增加五个孔(四个用于扩张线，一个用于光传感器布线)和向虹膜延伸的结构组件来修改眼球平台来实现的。
图19
瞳孔，膜系统。a窄，b开宽配置
图20
瞳孔系统的原型。虹膜;B灯泡总成:环形和圆柱形(抱眼结构)
EYE-MECH的运动控制采用Arduino Duemilanove微控制器实现，图形用户界面(GUI)采用Processing实现[43]。Arduino通过USB线与上位机连接，提供与GUI和电源的串行通信。
图21显示了瞳孔变形机制的电子样机。放置在空心瞳孔内的光敏电阻构成分压器的一部分，其输出由Arduino的模拟输入引脚采样。上传到Arduino的软件将亮度值转换为脉宽调制输出信号，发送给瞳孔伺服器，瞳孔伺服器拉动或释放连接在瞳孔环上的电线，引起瞳孔的扩张或收缩。
图21
Arduino控制瞳孔变形方案
图22显示了通过图形面板控制(GPC) GUI控制的不同配置(A、B、C)下的原型机制测试。GPC的目的是为EYE-MECH的位置提供一个简单的控制界面。4.1节中描述的独立眼动可以同时或单独通过蓝色笛卡尔网格(横轴为偏航/α，纵轴为俯仰/β)和橙色线性标度(眼动)被激活。通过控制面板右侧的“低速”和“高速”按钮(绿色和红色)，可以选择追击和跳跃俯仰和偏航运动速度。该软件是非阻塞的，因此可以选择新的配置，即使之前的运动尚未完成，也可以向新目标移动。在实验室测试期间，系统忠实地按照设计工作，因为通过离线图像分析测量的物理原型达到了GPC施加的目标位置。下一步，该设备将由外科医生进行测试以验证并用于实际应用。
图22
EYE-MECH运动控制GPC(蓝色网格:x轴，偏航();y轴，螺距()。橙色网格:protosis())。物理原型示意图:系统运动与GPC强加的目标位置:A ()， B ()， C ()
这项研究提出了一个集成在OCF模拟器中的机器人眼系统，用于培训医生和医生，让他们感觉在真正的人体上工作。一个动态系统的眼睛已经被设计，复制重要的人眼行为。眼机制包括所有眼球运动特征，即(1)俯仰和偏航，(2)眼球突出，(3)俯仰和偏航的向后可驾驶性，以允许外科医生操纵眼睛，以及(4)感应施加的力，以检测施加在眼球上的负荷，以及成功的眦切开术/眦溶解所期望的对眼睛的力的减少。在进一步的开发中，附加的功能将允许更广泛的临床场景的复制。考虑到许多常见的颅面创伤，值得关注的领域可能是上颌骨和下颌骨以及颈椎的骨折。考虑到模拟出血控制的侵入性程序和先进的眼部干预，需要研究的一个重要特征是液压系统的设计，以模拟出血和其他人体液体系统，例如泪系统和脊髓液。
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