[發(fā)明專利]一種基于光纖光柵的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人三維力傳感器

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810359907.5
• 申請日: 2018-04-20
• 公開（公告）號: CN108593161A
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 代煜;孫會嬌;張建勛
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24;G01L5/22
• 代理公司: 天津耀達(dá)律師事務(wù)所 12223
• 代理人: 張耀

本發(fā)明提出了一種基于光纖光柵的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人三維力傳感器，主要由四對光纖布拉格光柵構(gòu)成，并分別固定于沿空心玻璃纖維圓桿外壁周向凹槽內(nèi)；光纖將光信號傳導(dǎo)至信號處理模塊，應(yīng)力的數(shù)字信號由機(jī)械手的連接端引出。三維力傳感器的光路為：寬帶光源發(fā)出的光依次經(jīng)過光頻隔離器、光纖分束器進(jìn)入傳感光纖光柵，光柵的反射光依次經(jīng)過光纖分束器和匹配光柵的透射傳至信號處理電路，光信號經(jīng)處理后傳至控制電路，通過測量電路的驅(qū)動信號反向推斷出傳感光纖光柵的中心波長，進(jìn)而得到應(yīng)力的數(shù)字信號。此外，針對三維力信息耦合的現(xiàn)象，通過相應(yīng)算法實現(xiàn)了三維力信息的靜態(tài)解耦。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，精度高，不受電磁干擾影響，易于加工且成本較低。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光纖布拉格光柵的用于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的三維力傳感器。

背景技術(shù)

近些年，機(jī)器人在輔助外科手術(shù)方面獲得了廣泛應(yīng)用，然而現(xiàn)有的微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)普遍缺少力覺信息反饋。機(jī)器人輔助微創(chuàng)手術(shù)的力檢測和力反饋技術(shù)，使系統(tǒng)具備了臨場力感知能力，使操作者能夠?qū)崟r感受到手術(shù)器械與患者組織間的相互作用，提高了外科醫(yī)生的手術(shù)技能，改善了手術(shù)質(zhì)量。

微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人中實現(xiàn)力反饋功能的基本流程是：首先由機(jī)械手末端安裝的傳感器陣列獲取力信號，該信號經(jīng)處理后傳送至主手控制器；一系列運算處理后，控制器控制電機(jī)輸出相應(yīng)扭矩，將手術(shù)過程中變化的臨場力信息復(fù)現(xiàn)給醫(yī)生。

力信息的提取是機(jī)器人力反饋系統(tǒng)的重要組成部分，針對機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計的多維力傳感器應(yīng)滿足以下要求：①準(zhǔn)確性。傳感器具有合適的靈敏度，穩(wěn)定性良好，能夠真實、穩(wěn)定地反映相應(yīng)方向的力信息；②安全性。盡可能小地改變從操作手的外形和剛度，保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；③適應(yīng)性。滿足醫(yī)療環(huán)境的特殊要求(術(shù)前消毒處理、工作環(huán)境溫濕度變化大等)以及測力范圍的限制；④經(jīng)濟(jì)性。盡可能縮減力感知器的成本。

基于上述要求的限制，目前產(chǎn)品化的微型多維力傳感器均不適用于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)，因此必須結(jié)合機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，研究與改進(jìn)適合于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)的多維力傳感器。此前，中國專利名稱為《用于微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的三維力傳感器》的201110123095.2號專利/申請文件所涉及的多維力傳感器使用八片應(yīng)變片組成力傳感器陣列來檢測力信息，從手桿件為不銹鋼材料，易受電磁干擾的影響；本發(fā)明中基于光纖光柵來設(shè)計力傳感器，光纖力傳感器體積小，重量輕，具備優(yōu)良的絕緣性和抗干擾性，可用在精密測量環(huán)境中，另外從操作手材料改用玻璃纖維，質(zhì)量相對金屬材料輕。

光纖光柵是一種新型的光無源器件，其基本測量物理量是溫度和應(yīng)變，為實現(xiàn)對力/力矩信息的檢測，一般將多個光柵組成陣列后敷設(shè)到專門設(shè)計的彈性結(jié)構(gòu)體上，這與基于傳統(tǒng)應(yīng)變片的檢測方式類似，特殊地，也可直接將刻有光柵的光纖自身作為傳感彈性體。如圖3所示，當(dāng)有外界力或力矩載荷作用時，彈性體或者光纖產(chǎn)生的應(yīng)變、位移等形變信息作用于光纖光柵上，引起光纖光柵的柵距變化，從而帶來光纖光柵中心波長的漂移，可以通過檢測該波長的漂移信息來表征所受的外界力或力矩載荷信息。

光纖光柵力傳感器除了具有不受電磁干擾、低損耗、易彎曲、體積小、重量輕、成本低、耐腐蝕、防水、防火等固有的優(yōu)點外，對溫度和應(yīng)力等重要測量參量具有極高的測量精度和線性度，以及充足的測量范圍，遲滯低，核磁共振兼容性強(qiáng)。

光纖滑環(huán)是一種能夠使光信號在轉(zhuǎn)動部件與靜止部件間進(jìn)行無間斷傳輸?shù)木苎b置，滿足機(jī)械手與基座相連的旋轉(zhuǎn)自由度所需270°的旋轉(zhuǎn)范圍，避免因活動關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)對光纖造成損害。