CN103376172B

CN103376172B - 用于微创外科手术机器人的六维力觉传感器

Info

Publication number: CN103376172B
Application number: CN201310289532.7A
Authority: CN
Inventors: 蒋峻; 谢叻; 于海龙; 石运永; 周朝政
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2013-07-10
Filing date: 2013-07-10
Publication date: 2016-12-28
Anticipated expiration: 2033-07-10
Also published as: CN103376172A

Abstract

本发明提供了一种用于微创外科手术机器人的六维力觉传感器，包括两个分别开有正交分布的圆弧“I”型孔的十字梁弹性体、两个挡板及一个弹性体基座，其中：弹性体沿十字梁伸出的支梁方向间隙配合安装在弹性体基座的首末两端，并由两个挡板固定；每个弹性体十字梁上的四个支梁均粘贴有四片应变片，用于测量相应的力或力矩；每个支梁上的四片应变片组成一个等臂全桥电路；每个等臂全桥电路引出四根信号线；四根信号线由热缩管热缩包裹后束成一束由十字梁支梁间的空间区域经由机械手空心金属圆杆引出机械手外。本发明传感器安装于靠近微创外科手术机械手末端执行器处，同时测量六维力觉分量；避免机械手与切口的摩擦对传感器测量数据的消极影响。

Description

用于微创外科手术机器人的六维力觉传感器

技术领域

本发明涉及微创外科手术机器人技术领域，具体地，涉及一种用于微创外科手术机器人的六维力觉传感器。

背景技术

机器人手术逐渐地成为微创外科的主要潮流。机器人突破了人眼、手臂的局限，具有人手无法相比的稳定性、重现性及精确度，防止人手可能出现的抖动。机器人手术减少手术创伤及失血量；减少围手术期后遗症以及并发症的发生；使可接受手术的患者年龄范围扩大并使某些危重病人接受手术成为可能。

在传统手术中，医生手持手术器械对病患处进行操作时，手术器械与患处的接触力可以通过手术器械直接传达到医生处，这个接触力在手术过程中，很多时候有着相当重要的作用，部分手术中甚至是医生进行操作的重要判断依据。然而在现在的主从式微创外科手术机器人系统中，从动机械手缺乏力觉采集能力，从而不能使力觉信息通过主操作手为医生所感知，这严重制约了主从式微创外科手术机器人的发展和应用价值。目前的市面上的多维力觉传感器由于体积过大而不适用于微创外科手术机器人。因此，研制一款适用于主从式微创外科手术机器人系统的多维力觉传感器已经成为这一领域的一个热点和难点，既有重要的研究价值和广阔的应用前景。

经过对现有技术的检索发现，中国专利201110123095.2号，名称为：“用于微创外科手术机器人的三维力传感器”，其公开的传感器包括八片应变片构成的传感器阵列，分为圆杆径向力测量和圆杆轴向力测量。但该传感器只能测量力而缺少测量力矩的能力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于微创外科手术机器人的六维力觉传感器，该传感器可以测量机器人微创手术中X、Y和Z方向上的力和力矩，即同时测量六维力觉分量。

为实现以上目的，本发明提供一种用于微创外科手术机器人的六维力觉传感器，包括弹性体基座、第一弹性体、第二弹性体、第一挡板和第二挡板，其中：所述第一弹性体、所述第二弹性体均为开有正交分布的圆弧“I”形孔的十字梁结构；所述第一弹性体、所述第二弹性体分别沿十字梁伸出的支梁方向间隙配合安装在所述弹性体基座的首末两端，并由所述第一挡板和所述第二挡板固定；所述第一弹性体、所述第二弹性体的十字梁结构上的立方体连接块轴向嵌入机械手末端执行器的相应位置，与末端执行器同轴，并成为机械手末端执行器的结构组成部分。

优选地，所述第一弹性体、所述第二弹性体的十字梁结构上的四个支梁均粘贴有四片应变片，每个支梁上的四片应变片组成一个等臂全桥电路，共组成八个等臂全桥电路；每个等臂全桥电路引出两根输入信号线、两根输出信号线，共四根信号线；四根信号线由热缩管热缩包裹后束成一束由十字梁支梁间的空间区域经由机械手空心金属圆杆引出机械手外。

优选地，所述第一弹性体的四个支梁上的“I”形孔的圆弧中心线与十字梁轴线平行；所述第二弹性体的四个支梁上的“I”形孔的圆弧中心线与十字梁中心轴线垂直。

优选地，轴向力Fz由粘贴在所述第二弹性体的四个支梁上的十六片应变片测得；径向力矩Mx和My分别由粘贴在所述第二弹性体上的两组对称支梁上的应变片测得。

优选地，轴向力矩Mz由粘贴在所述第一弹性体的四个支梁上的十六片应变片测得；径向力Fx和Fy分别由粘贴在所述第一弹性体上的两组对称支梁上的应变片测得。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明结构相对简单，尺寸较小，适用于微创外科领域，并可同时测量六维力觉分量；该传感器可集成于微创外科手术机器人末端执行器前端，避免机械手与切口的摩擦对传感器测量数据的消极影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为微创外科手术机器人末端执行器所受的力及力矩的分量；

图2为六维力觉传感器结构图；

图3为第一弹性体3上的应变片布局图；

图4为第二弹性体5上的应变片布局图；

图5为等臂全桥电路图；

图6为信号线引出空间图。

图中：弹性体基座1、第一挡板2、第一弹性体3、第二挡板4、第二弹性体5；应变片301～316，应变片为501～516。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例拟测量在三个平动自由度X、Y和Z方向上机械手末端执行器所受的力及力矩,即六维力觉分量。手术开始时，机械手经患者腹腔或胸腔切口插入患者病灶部位，为了测量末端执行器与患者病灶部位生物组织接触的力觉信息，将力传感器放置在靠近末端执行器手术钳、手术剪或类似器械的位置，从而避免机械手与切口之间的摩擦力对传感器的影响。

如图2所示，本实施例提供一种用于微创外科手术机器人的六维力觉传感器，包括：弹性体基座1、第一挡板2、第一弹性体3、第二挡板4以及第二弹性体5，其中：第一弹性体3和第二弹性体5同为开有正交分布的圆弧“I”形孔的十字梁结构（如图3和图4所示），第一弹性体3的四个支梁上的“I”形孔的圆弧中心线与十字梁轴线平行，第二弹性体5的四个支梁上的“I”形孔的圆弧中心线与十字梁中心轴线垂直；第一弹性体3和第二弹性体5分别沿十字梁伸出的支梁方向间隙配合安装在弹性体基座1的首末两端，用第一挡板2和第二挡板4固定。

本实施例中，所述六维力觉传感器通过第一弹性体3和第二弹性体5的十字梁结构上的立方体连接块轴向嵌入机械手末端执行器的相应位置，与末端执行器同轴，并成为机械手末端执行器的结构组成部分。

本实施例中，三十二片应变片构成传感器阵列，三十二片应变片分别粘贴于所述第一弹性体、所述第二弹性体的十字梁结构上的四个支梁上，具体的布局方式如图3和图4所示，其中：

如图3所示，轴向力矩Mz由粘贴在第一弹性体3的四个支梁上的标记为301～316的应变片测得，当受Mz时，第一弹性体3的四个支梁都将受到弯矩的影响产生相同的转动变形，其中每个支梁上的四片应变片组成一个等臂全桥电路，即应变片301～304组桥、应变片305～308组桥、应变片309～312组桥、应变片313～316组桥；径向力Fx和Fy分别由粘贴在第一弹性体3上两组对称支梁上的应变片测得，当施加X轴的力时，第一弹性体3沿Y轴方向的支梁将受到剪力而发生对称的弯曲变形，而X轴方向的支梁由于间隙配合受力相对较小甚至可以忽略不计而不产生形变；当施加Y方向的力时，第一弹性体3的X轴方向的支梁将受到剪力而发生对称形变，而Y轴方向的支梁由于间隙配合受力相对较小甚至可以忽略不计而不产生形变；因径向力Fx和Fy互为正交分量，所以以设定应变片301～304、309～312组成的两组全桥电路测量Fx为例，则应变片305～308、313～316组成的全桥电路测量Fy。

如图4所示，轴向力Fz由粘贴在第二弹性体5的四个支梁上的标记为501～516的应变片测得，四个支梁都受到Z轴方向的力在相同方向产生变形，其中每个支梁上的四片应变片组成一个等臂全桥电路，即应变片501～504组桥、应变片505～508组桥、应变片509～512组桥、应变片513～516组桥；径向力矩Mx和My分别由粘贴在第二弹性体5的两组对称支梁上的应变片测得，当施加X轴的力矩时，第二弹性体5的Y轴方向的两个支梁受到弯矩将以十字中心产生点对称的形变，而X轴方向的支梁由于间隙配合受力相对较小甚至可以忽略不计而不产生形变；当施加绕Y轴的力矩时，第二弹性体5的X轴方向的支梁受到弯矩将以十字中心产生点对称的形变，而Y轴方向的支梁由于间隙配合受力相对较小甚至可以忽略不计而不产生形变；因径向力Mx和My互为正交分量，所以以设定应变片501～504、509～512组成的两组全桥电路测量Mx为例，则应变片505～508、513～516组成的全桥电路测量My。

如图5所示，所述的传感器应变片共组成八个等臂全桥电路，每个等臂全桥电路均有两根输入信号线和两根输出信号线，整个传感器共有三十二根信号线；每个等臂全桥电路的四根信号线由热缩管包裹成一束后引出（如图6所示），其中：应变片301～304和应变片501～504组成的等臂全桥电路信号线分别由十字梁支梁间的空间A引出；应变片305～308和应变片505～508组成的等臂全桥电路信号线分别由十字梁支梁间的空间B引出；应变片309～312和应变片509～512组成的等臂全桥电路信号线分别由十字梁支梁间的空间C引出；应变片313～316和应变片513～516组成的等臂全桥电路信号线分别由十字梁支梁间的空间D引出；引出后八束信号线经机械手空心金属圆杆中穿过。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种用于微创外科手术机器人的六维力觉传感器，其特征在于，包括弹性体基座、第一弹性体、第二弹性体、第一挡板和第二挡板，其中：所述第一弹性体、所述第二弹性体均为开有正交分布的圆弧“I”形孔的十字梁结构，所述十字梁结构中心没有中心孔；所述第一弹性体、所述第二弹性体分别沿十字梁伸出的支梁方向间隙配合安装在所述弹性体基座的首末两端，并由所述第一挡板和所述第二挡板固定；所述第一弹性体、所述第二弹性体的十字梁结构上的立方体连接块轴向嵌入机械手末端执行器的相应位置，与末端执行器同轴，并成为机械手末端执行器的结构组成部分；

所述第一弹性体、所述第二弹性体的十字梁结构上的四个支梁均粘贴有四片应变片，每个支梁上的四片应变片组成一个等臂全桥电路，共计组成八个等臂全桥电路；每个等臂全桥电路引出两根输入信号线、两根输出信号线，共计四根信号线；四根信号线由热缩管热缩包裹后束成一束由十字梁支梁间的空间区域经由机械手空心金属圆杆引出机械手外；

所述第一弹性体的四个支梁上的“I”形孔的圆弧中心线与十字梁轴线平行；所述第二弹性体的四个支梁上的“I”形孔的圆弧中心线与十字梁中心轴线垂直；

所述六维力觉传感器是由三十二片应变片构成的传感器阵列，该传感器轴向力矩Mz由粘贴在所述第一弹性体的四个支梁上的应变片(301～316)测得，当受轴向力矩Mz时，第一弹性体的四个支梁都将受到弯矩的影响产生相同的转动变形，其中每个支梁上的四片应变片组成一个等臂全桥电路，即第一应变片组桥、第二应变片组桥、第三应变片组桥、第四应变片组桥；径向力Fx和Fy分别由粘贴在所述第一弹性体上的两组对称支梁上的应变片测得，当施加X轴的力时，第一弹性体沿Y轴方向的支梁将受到剪力而发生对称的弯曲变形，而X轴方向的支梁由于间隙配合受力小甚至忽略不计而不产生形变；当施加Y方向的力时，第一弹性体的X轴方向的支梁将受到剪力而发生对称形变，而Y轴方向的支梁由于间隙配合受力小甚至忽略不计而不产生形变；因径向力Fx和Fy互为正交分量，所以设定上述第一组～第四组应变片中的两组组桥组成的全桥电路测量径向力Fx，则另外两组应变片组桥组成的全桥电路测量径向力Fy；

所述六维力觉传感器的轴向力Fz由粘贴在所述第二弹性体的四个支梁上的应变片测得，轴向力Fz由粘贴在第二弹性体的四个支梁上的应变片(501～516)测得，四个支梁都受到Z轴方向的力在相同方向产生变形，其中每个支梁上的四片应变片组成一个等臂全桥电路，即第五应变片组桥、第六应变片组桥、第七应变片组桥、第八应变片组桥；径向力矩Mx和My分别由粘贴在所述第二弹性体上的两组对称支梁上的应变片测得，当施加X轴的力矩时，第二弹性体的Y轴方向的两个支梁受到弯矩将以十字中心产生点对称的形变，而X轴方向的支梁由于间隙配合受力小甚至忽略不计而不产生形变；当施加绕Y轴的力矩时，第二弹性体的X轴方向的支梁受到弯矩将以十字中心产生点对称的形变，而Y轴方向的支梁由于间隙配合受力小甚至忽略不计而不产生形变；因径向力矩Mx和My互为正交分量，所以设定上述第五组～第八组应变片中的两组组桥组成的全桥电路测量径向力矩Mx，则另外两组应变片组桥组成的全桥电路测量径向力矩My。