[發(fā)明專利]一種基于光纖光柵的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人四維力傳感器

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910201166.2
• 申請日: 2019-03-18
• 公開（公告）號: CN109813473B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張建勛;姚斌;代煜
• 申請（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 天津耀達(dá)律師事務(wù)所 12223
• 代理人: 侯力

1.一種基于光纖光柵的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人四維力傳感器，其特征在于：所述的四維力傳感器由九條光纖布拉格光柵粘貼在空心玻璃纖維圓桿(2)上經(jīng)切割和切削后形成的窄梁或?qū)捔荷蠘?gòu)成，負(fù)責(zé)空心玻璃纖維圓桿(2)末端執(zhí)行器所受徑向力、軸向力和力矩的測量，其中徑向力測量為X軸和Y軸兩個方向的力Fx和Fy的測量，軸向力測量為Z軸方向的力Fz的測量，力矩測量為Z方向的扭矩Mz的測量；所述空心玻璃纖維圓桿(2)靠近末端執(zhí)行工具的位置由八條軸向切槽(61、62、63、64、65、66、67、68)切割出四條軸向的窄梁，順次稱為第一至第四窄梁(71、73、75、77)，四個窄梁間隔90度成正交分布，分別用來粘貼徑向力測量的光纖布拉格光柵，在相鄰兩個窄梁之間的空心玻璃纖維圓桿(2)的桿體部分稱為寬梁，同樣有四個，順次稱為第一至第四寬梁(72、74、76、78)，分別用來粘貼測量Z方向的力Fz和扭矩Mz的光纖布拉格光柵；九條光纖布拉格光柵分別粘貼于空心玻璃纖維圓桿(2)外周，具體的第一FBG(11)沿軸向布置在第一窄梁(71)上，第二FBG(12)沿軸向布置在相對一側(cè)的第三窄梁(75)上，第三FBG(21)沿軸向布置在第二窄梁(73)上，第四FBG(22)沿軸向布置在第四窄梁(77)上，第五FBG(31)和第六FBG(32)沿軸向分別布置在相對一側(cè)的兩個寬梁(72和76，或74和78)上，第七FBG(41)和第八FBG(42)沿與桿軸向成45°分別布置在另外兩個寬梁(74和78，或72和76)上，第九FBG(5)沿與桿軸向成90°布置在未經(jīng)切割和切削處的空心玻璃纖維圓桿(2)的桿體上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人四維力傳感器，其特征在于：所述的第一FBG(11)用于測量力Fx正方向的部分；所述的第二FBG(12)用于測量力Fx負(fù)方向的部分；所述的第三FBG(21)用于測量力Fy正方向的部分；所述的第四FBG(22)用于測量力Fy負(fù)方向的部分；所述的第五FBG(31)和第六FBG(32)同時(shí)用于測量力Fz；所述的第七FBG(41)和第八FBG(42)用于測量扭矩Mz；所述的第九FBG(5)用于提供溫度補(bǔ)償。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光纖光柵的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人四維力傳感器，其特征在于：所述四條窄梁(71、73、75和77)的一端根部分別按與軸向成45度夾角切削至貫穿空心玻璃纖維圓桿內(nèi)外壁，使四條窄梁形成懸臂梁。

4.使用權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的基于光纖光柵的微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人四維力傳感器構(gòu)成的測量受力的系統(tǒng)，其特征在于包括寬帶光源、光纖環(huán)形器、權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的光纖布拉格光柵陣列構(gòu)成的四維力傳感器、光纖動態(tài)解調(diào)儀和計(jì)算機(jī)：寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖環(huán)形器后射入光纖布拉格光柵陣列構(gòu)成的四維力傳感器，經(jīng)四維力傳感器采集到測量信號后的光再次返回光纖環(huán)形器并進(jìn)入光纖動態(tài)解調(diào)儀，計(jì)算機(jī)通過與光纖動態(tài)解調(diào)儀通信來獲取檢測到的四維力傳感器中的光纖布拉格光柵的反射光中心波長的變化，以相應(yīng)的算法來測量玻璃纖維圓桿(2)末端執(zhí)行器所受實(shí)時(shí)力和力矩的大小和方向。