[發明專利]一種三維力傳感器及測量方法

在審

• 申請號: 202110452792.6
• 申請日: 2021-04-24
• 公開（公告）號: CN113188703A
• 公開（公告）日: 2021-07-30
• 發明（設計）人: 陳圣攀;張鵬;洪韜;宮海波;張獻禮;陳涌鑫;白衛星
• 申請（專利權）人: 首都醫科大學宣武醫院
• 主分類號: G01L5/16
• 分類號: G01L5/16;G01L1/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明涉及一種三維力傳感器及測量方法，包括底座、中心柱、應變彈性體、貼片溫度傳感器、第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵，將第一光纖光柵、第二光纖光柵分別設置在相垂直的兩個水平梁上，第三光纖光柵設置在中心柱的側面上，中心柱的底面垂直固定在底座的中心，中心柱與內圓環之間間隙配合，三個光纖光柵分別測量三個方向上的力，實現了外科醫生在使用微創外科手術機器人時的力覺感知。并且在中心柱的頂面上設置貼片溫度傳感器，測量第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵所在的環境溫度，從而可以準確得知第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵只在應變下的中心波長漂移量，提高了三維方向上力的測量的準確性。

技術領域

本發明涉及多維力傳感技術領域，特別是涉及一種三維力傳感器及測量方法。

背景技術

微創手術中手術機器人在外科醫生的操作下對病患病人進行手術。醫生在操作主手運動的時候，控制系統可以采集主手的位置信息并將該位置信息傳遞給從手系統，從而驅動從手完成相應的手術操作。視覺反饋系統則為醫生提供手術過程中的圖像信息。而現有臨床應用的機器人手術器械均無交互力測量功能，操作者在手術過程中無法感知交互力，力信息的缺失很容易導致醫療事故的發生。

發明內容

本發明的目的是提供一種三維力傳感器及測量方法，以解決外科醫生在使用微創外科手術機器人時的力覺臨場感缺失問題。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

一種三維力傳感器，所述力傳感器包括：底座、中心柱、應變彈性體、貼片溫度傳感器、第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵；

應變彈性體包括外圓環、內圓環和平面應變梁；所述平面應變梁包括四個水平梁，四個水平梁呈十字型結構布置；四個水平梁的一端均與所述外圓環的內壁連接，四個水平梁的另一端均與所述內圓環的外壁連接；所述外圓環通過螺紋連接的方式安裝在機器人的關節部位上；

所述中心柱的底面垂直固定在所述底座的中心，所述中心柱的頂面從所述內圓環的中部穿過，且所述中心柱與所述內圓環之間間隙配合；

所述貼片溫度傳感器設置在所述中心柱的頂面上；所述貼片溫度傳感器用于測量所述第一光纖光柵、所述第二光纖光柵和所述第三光纖光柵所在的環境溫度；

所述第一光纖光柵、所述第二光纖光柵分別設置在平面應變梁的相垂直的兩個水平梁上，所述第三光纖光柵設置在所述中心柱的側面上；所述第一光纖光柵用于測量第一維方向上的力，所述第二光纖光柵用于測量第二維方向上的力，所述第三光纖光柵用于測量第三維方向上的力。

進一步地，所述外圓環、所述內圓環和所述平面應變梁為一體結構且采用彈性材料制成，所述中心柱的材料也為彈性材料。

進一步地，所述第一光纖光柵和所述第二光纖光柵分別粘貼于相垂直的兩個水平梁的上表面且靠近內圓環。

進一步地，所述第一光纖光柵、所述第二光纖光柵和所述第三光纖光柵通過光纖依次連接。

進一步地，所述力傳感器還包括：上端蓋；

所述上端蓋卡緊在所述外圓環的內壁中；

所述上端蓋開設一通孔，所述光纖的首端和尾端均穿過所述通孔與外部解調設備相連。

進一步地，所述力傳感器還包括：外殼；

所述外殼固定在所述外圓環與所述底座之間。

進一步地，所述底座上開設螺紋孔，所述底座通過所述螺紋孔安裝在機器人的關節部位上。

一種三維力傳感器測量方法，應用于前述的三維力傳感器，所述方法包括：

通過三維力傳感器的貼片溫度傳感器測量第一光纖光柵、第二光纖光柵和第三光纖光柵所在的環境溫度；