[發明專利]一種基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器

在審

• 申請號: 201810359907.5
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108593161A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 代煜;孫會嬌;張建勛
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01L5/22
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 張耀

1.一種基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：所述的三維力傳感器主要由四對光纖布拉格光柵構成，每對光纖光柵為一組包括傳感光纖光柵和匹配光纖光柵，負責空心玻璃纖維圓桿(2)所受徑向力和軸向力的測量，其中徑向力測量為X和Y兩個方向的力Fx和Fy的測量，軸向力測量為Z方向的力Fz的測量；四對刻有布拉格光柵的光纖分別固定于空心玻璃纖維圓桿(2)外周的凹槽內，并且確保每組光纖對與空心玻璃纖維圓桿的中心軸具有同樣的徑向距離，光纖對延伸至從操作手基座處的光纖滑環，以上所述的凹槽為沿空心玻璃纖維圓桿(2)外壁周向間隔90°切削出四個切削平面為矩形的凹槽。

2.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：包括力傳感器系統，該系統包括寬帶光源(6)、光頻隔離器(5)、光纖分束器(4)、傳感光柵陣列(3)、匹配光柵陣列(7)、信號處理模塊(8)以及控制電路(9)，光信號走向為：由寬帶光源(6)發出的光依次經過光頻隔離器(5)、光纖分束器(4)進入傳感光柵陣列(3)，光柵的反射光依次經過光纖分束器(4)并經匹配光柵陣列(7)的透射傳至信號處理模塊(8)，光信號經處理后傳至控制電路(9)。

3.根據權利要求2所述的基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：所述的傳感光柵陣列(3)包括四路傳感光纖光柵，所述的匹配光柵陣列(7)包括四路匹配光纖光柵，控制電路(9)施加的驅動信號使匹配光纖光柵跟蹤傳感光纖光柵的波長變化，對驅動信號進行測量，便可推斷出傳感光纖光柵的中心波長，從而得知傳感光纖光柵中心波長的變化量。

4.根據權利要求1或3所述的基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：每個匹配光纖光柵與對應的傳感光纖光柵鎖定在一起，構成傳感/接收光纖光柵對；所有的匹配光纖光柵串接在一起。

5.根據權利要求2所述的基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：信號處理模塊(8)包括光電探測器(81)、微模擬信號放大濾波(82)以及數字信號采樣與濾波(83)。

6.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：所述的光纖滑環采用過孔式安裝方式，避免因活動關節的旋轉對光纖造成損害。

7.根據權利要求1或6所述的基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：光纖滑環由滑環定子(11)和滑環轉子(12)組成，內圈為滑環轉子(12)，外圈為滑環定子(11)，空心玻璃纖維圓桿(2)帶動滑環轉子(12)轉動。

8.根據權利要求7所述的基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：在空心玻璃纖維圓桿(2)的旋進端一側有兩顆用于固定轉子的螺絲(13)，同時在滑環靠近基座(1)的一側安裝有可讓滑環轉子(12)停止轉動的滑環止轉片(14)和防止滑環定子(11)發生轉動的止轉銷(15)。

9.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的微創外科手術機器人三維力傳感器，其特征在于：針對三維力信息耦合的現象，通過相應算法實現了三維力信息的靜態解耦。