[發明專利]一種基于光纖光柵的微創外科手術機器人四維力傳感器

有效

• 申請號: 201910201166.2
• 申請日: 2019-03-18
• 公開（公告）號: CN109813473B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 張建勛;姚斌;代煜
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

本發明提出了一種基于光纖光柵的微創外科手術機器人四維力傳感器，主要由九條光纖布拉格光柵分別粘貼在空心玻璃纖維圓桿上經八條軸向切槽切割后形成的四條窄梁和四條寬梁上構成，并分別負責空心玻璃纖維圓桿2末端執行器所受徑向力Fx和Fy、軸向力Fz和扭矩Mz的測量。為增加力感知的靈敏度，對空心玻璃纖維桿進行了鏤空切割；為了減小各維力之間的耦合，對切割后剩余的四條窄梁的一端根部進行傾斜切削使四條窄梁形成懸臂梁，降低了多維力之間的耦合。此外，針對光纖光柵易受溫度影響的情況，在空心玻璃纖維圓桿外壁同時布置了溫度補償光柵。本發明精度高，不受電磁干擾影響，成本較低。

技術領域

本發明屬于微創外科手術機器人技術領域，具體涉及一種基于光纖布拉格光柵的用于微創外科手術機器人的四維力傳感器。

背景技術

目前在醫療領域內，微創手術機器人被越來越廣泛的應用。其應用大幅提高了手術的質量，從而減少了患者的術后康復時間，代表著當今醫療服務的發展方向。但是目前應用的微創手術機器人不具備力覺臨場感知功能，而研究表明力覺臨場感知功能的增加會改善外科醫生在手術中的表現。

微創外科手術機器人中實現力覺臨場感知的基本流程是：在執行手術操作的機械手靠近末端執行工具的位置安裝傳感器獲取實時多維力信號；該信號經處理后傳送至主手控制器；主手控制器根據該信號的大小控制主手上的電機輸出相應扭矩，使醫生能夠實時的感受到在手術過程中機械手末端執行器與患者內臟組織接觸的實時力信息的大小和變化。

多維的力傳感器是實現力覺臨場感知系統中的一個重要組成部分，針對機械手的結構設計的多維力傳感器應具備以下條件：①適應人體內潮濕的工作環境并可重復使用多次消毒；②具有高靈敏度，高穩定性，能夠真實、可靠地反映實時力信息的大小和方向；③盡量減小機械手外形的變化；④盡量降低傳感器成本，減少患者的手術成本。

現有的微創外科手術機器人力傳感器設計方案常采用電阻應變片粘貼在一定結構彈性體上，有易受溫度干擾、易受電磁干擾、不可靠性、精度不高等不足。

本發明中基于光纖光柵來設計微創外科手術機器人四維力傳感器基本克服上述不足，且尺寸更小，更容易在機械手末端安裝，而且由于結構的設計使得多維力之間耦合較小。

發明內容

本發明的目的是解決微創手術機器人的力覺臨場感知問題，提供一種能夠使外科醫生在手術操作中感受到實時力變化的適用于微創外科手術機器人的高精度、高靈敏度的光纖光柵四維力傳感器，而且能有效的消除溫度的影響，提高現有傳感器的靈敏度以及依靠機械結構大幅度降低多維力之間的耦合。