CN104932381A - 用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器 - Google Patents

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李坤
潘博
张福海
詹军成
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Abstract

用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器，属于微型力传感器技术领域。本发明是为了解决微创手术过程中，由于难以获得与患病组织之间的接触信息，造成医生无法针对相应患处施加精确的作用力的问题。它包括器械轴、微型传感器、牵拉装置和检测电路，微型传感器由Stewart平台结构弹性体、十二个应变计、上连接件、下连接件和套壳组成；上连接件包括上连接环段和柱状上支撑台，下连接件包括下连接环段和柱状下支撑台；牵拉装置由套筒和拉钩组成，上连接环段与器械轴过盈套接固定，下连接环段与套筒通过销轴连接，套筒的底端具有筒底，该筒底的中心与拉钩焊接固定；检测电路通过双绞线连接应变计。本发明用于六维微型力检测。

Description

用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器
技术领域
本发明涉及用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器，属于微型力传感器技术领域。
背景技术
微创是外科手术中一种重要的技术方法。微创手术因其创伤小、减轻患者手术疼痛、缩短患者住院时间等优点在越来越多的传统手术中获得了革命性的成功，包括胆囊切除术、前列腺切除术、阑尾切除术、子宫切除术、肾切除术、冠状动脉旁路移植术等。
然而，微创手术由于不能直接接近操作区域，使得在感知和运动方面存在着固有的缺陷：(1)观察：助手手抖产生的振动会造成腹腔镜的不稳定，容易给医生造成视觉中断或晕动症，医生的手眼协调会变得很笨拙，也会使其迷失方向感；(2)操作：由于手术器械绕插入点的枢轴转动，从而限制了器械的自由度，妨碍了医生手腕转动和运动的灵活性；(3)接触：医生不能直接接近操作区域，因此就会失去直接接触带来的触觉感知，同样的，手术器械与患者组织之间的力觉信息也会受到限制或产生扭曲。
近年来，微型传感技术和微创手术机器人的研究为医生提供了力觉和触觉反馈以及更好的灵活性，并增强了医生执行手术的能力。但是在手术过程中，由于难以获得与患者组织之间的接触信息，造成医生在执行组织牵拉、分离、缝合等精细手术操作时，难以施加精确的作用力。
发明内容
本发明目的是为了解决微创手术过程中，由于难以获得与患病组织之间的接触信息，造成医生无法针对相应患处施加精确的作用力的问题，提供了一种用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器。
本发明所述用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器，它包括器械轴、微型传感器、牵拉装置和检测电路，
微型传感器由Stewart平台结构弹性体、十二个应变计、上连接件、下连接件和套壳组成；上连接件包括上连接环段和柱状上支撑台，下连接件包括下连接环段和柱状下支撑台；
牵拉装置由套筒和拉钩组成，
柱状上支撑台同轴位于上连接环段的底端，柱状下支撑台同轴位于下连接环段的顶端，Stewart平台结构弹性体居中固定于柱状上支撑台和柱状下支撑台之间，Stewart平台结构弹性体由上平台、下平台和六根连杆组成，六根连杆形成三个V形支撑结构固定在上平台和下平台之间；每根连杆的内表面和外表面上分别固定一个应变计；套壳呈圆筒形，扣接在柱状上支撑台和柱状下支撑台之间，使Stewart平台结构弹性体和十二个应变计处于其空腔内；
上连接环段与器械轴过盈套接固定，下连接环段与套筒通过销轴连接，套筒的底端具有筒底，该筒底的中心与拉钩焊接固定；
检测电路通过双绞线连接应变计，应变计的电压信号输出端连接检测电路的电压信号输入端。
所述检测电路包括惠斯通电桥、调理放大电路、六路模拟复用器、电压跟随器、模数转换芯片和单片机，
应变计的电压信号输出端连接惠斯通电桥的信号输入端，惠斯通电桥的信号输出端连接调理放大电路的信号输入端，调理放大电路的信号输出端连接六路模拟复用器的信号输入端，六路模拟复用器的信号输出端连接电压跟随器的信号输入端，电压跟随器的信号输出端连接模数转换芯片的信号输入端；
单片机的选通信号输出端连接六路模拟复用器的选通信号输入端，单片机的读取转换数据信号输出端连接模数转换芯片的转换数据信号输入端，模数转换芯片的数据信号输出端连接单片机的数据信号输入端；单片机通过RS232与上位机进行数据传输。
套壳的顶端与柱状上支撑台粘接固定，套壳的底端与柱状下支撑台之间具有间隙。
本发明的优点：本发明所述传感器配套安装于手术器械的末端，可将手术器械与患病组织接触时产生的交互作用力准确地检测出来，由此获得医生实时对患病组织施加力的大小，以指导医生针对相应患处施加精确的作用力。所述传感器具有六维检测功能，其检测范围可达到直线方向30N，转动方向300N·mm，精度大约0.1N，其制作外径尺寸不大于10mm，生物兼容性强，易于与手术器械拆装。本发明采用电阻式检测方法，为六维微型传感器，能达到微创环境下开展力检测和力反馈的目的。
所述传感器的检测方式是电阻检测，由应变计的电阻变化反映出弹性体受力时的应变。Stewart平台结构包括上下两个平台和六根网状连杆组件，每一根连杆都通过弹性铰链独立连接上下两个平台。这种网状组件保证了结构具有较高的刚度，并为结构在坐标轴的三个方向提供了不同的承载能力，因此传感器可检测六维力和力矩。每一根连杆的内面和外面装有一对应变计，用来测量传感器承受负载时连杆产生的应变。应变计接入电桥之后，经过检测电路的放大、滤波、采样之后，电阻的变化将转换为输出电压的变化。该传感器通过加载标定之后，可以将外作用力成功检测出来，具有检测范围合适，精度高，生物兼容性强的优势，并具有很好的临床前景。
附图说明
图1是本发明所述用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器的整体结构示意图；
图2是微型传感器的结构示意图；
图3是微型传感器的套壳的结构示意图；
图4是Stewart平台结构弹性体的结构示意图；
图5是牵拉装置的结构示意图；
图6是检测电路的电路框图；
图7是调理放大电路的电路原理图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器，其特征在于，它包括器械轴1、微型传感器2、牵拉装置3和检测电路4，
微型传感器2由Stewart平台结构弹性体2-1、十二个应变计2-2、上连接件2-3、下连接件2-4和套壳2-5组成；上连接件2-3包括上连接环段2-31和柱状上支撑台2-32，下连接件2-4包括下连接环段2-41和柱状下支撑台2-42；
牵拉装置3由套筒3-1和拉钩3-2组成，
柱状上支撑台2-32同轴位于上连接环段2-31的底端，柱状下支撑台2-42同轴位于下连接环段2-41的顶端，Stewart平台结构弹性体2-1居中固定于柱状上支撑台2-32和柱状下支撑台2-42之间，Stewart平台结构弹性体2-1由上平台、下平台和六根连杆组成，六根连杆形成三个V形支撑结构固定在上平台和下平台之间；每根连杆的内表面和外表面上分别固定一个应变计2-2；套壳2-5呈圆筒形，扣接在柱状上支撑台2-32和柱状下支撑台2-42之间，使Stewart平台结构弹性体2-1和十二个应变计2-2处于其空腔内；
上连接环段2-31与器械轴1过盈套接固定，下连接环段2-41与套筒3-1通过销轴连接，套筒3-1的底端具有筒底，该筒底的中心与拉钩3-2焊接固定；
检测电路4通过双绞线连接应变计2-2，应变计2-2的电压信号输出端连接检测电路4的电压信号输入端。
本实施方式能够实现六维力和力矩检测，能够检测直线方向30N和转动方向300N·mm的外载，精度在x,y方向为0.08N，z方向为0.25N，转动方向2.4N·mm，能够达到对传感器提出的力反馈功能要求，其装置尺寸紧凑、防护性好。
所述Stewart平台结构弹性体2-1的每一根连杆都通过弹性铰链独立连接上下两个平台。本发明装置的制作直径为10mm，不超出微创手术常用鞘套的内径，可以通过鞘套插入患者体内。套壳2-5对应变计起到了很好的保护作用。本发明所用材料主要是不锈钢，具有很好的生物兼容性，不会对患者组织产生侵害。
Stewart平台结构弹性体2-1的上平台通过三个紧固螺钉与柱状下支撑台2-42固定连接。套壳2-5厚度为0.2mm，用来保护应变计。拉钩3-2可以在微创手术环境中有效地开展连续的钝性分离操作。
具体实施方式二：下面结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述检测电路4包括惠斯通电桥4-1、调理放大电路4-2、六路模拟复用器4-3、电压跟随器4-4、模数转换芯片4-5和单片机4-6，
应变计2-2的电压信号输出端连接惠斯通电桥4-1的信号输入端，惠斯通电桥4-1的信号输出端连接调理放大电路4-2的信号输入端，调理放大电路4-2的信号输出端连接六路模拟复用器4-3的信号输入端，六路模拟复用器4-3的信号输出端连接电压跟随器4-4的信号输入端，电压跟随器4-4的信号输出端连接模数转换芯片4-5的信号输入端；
单片机4-6的选通信号输出端连接六路模拟复用器4-3的选通信号输入端，单片机4-6的读取转换数据信号输出端连接模数转换芯片4-5的转换数据信号输入端，模数转换芯片4-5的数据信号输出端连接单片机4-6的数据信号输入端；单片机4-6通过RS232与上位机进行数据传输。
本实施方式选用ATMEL公司的AT89S52单片机作为传感器的主控芯片，选用一枚六路模拟复用器来选通放大电路，信号又经过电压跟随器和限幅电路处理后交给采样芯片进行采样处理，模数转换芯片4-5选用AD公司的12位并行模/数转换单片集成电路。检测电路在控制过程中，由上位机PC发送采集指令给单片机，单片机根据指令控制六路模拟复用器和A/D芯片进行数据采集，通过RS232串口发送给PC端，由用户程序对数据进行分析显示。
图7所示放大电路包括三个低噪声双极性运算放大器OP07以及相应的反馈电阻和补偿电容，然后输出信号经过一个截止频率为1kHZ的低通滤波器后输出。
具体实施方式三：本实施方式对实施方式一或二作进一步说明，套壳2-5的顶端与柱状上支撑台2-32粘接固定，套壳2-5的底端与柱状下支撑台2-42之间具有间隙。
本实施方式中套壳2-5与柱状下支撑台2-42之间可预留0.2mm间隙，以为Stewart平台结构弹性体2-1的变形和过载保护提供足够的空间。
本发明可与多自由度手术器械可靠集成。

Claims (3)

1.一种用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器，其特征在于，它包括器械轴(1)、微型传感器(2)、牵拉装置(3)和检测电路(4)，
微型传感器(2)由Stewart平台结构弹性体(2-1)、十二个应变计(2-2)、上连接件(2-3)、下连接件(2-4)和套壳(2-5)组成；上连接件(2-3)包括上连接环段(2-31)和柱状上支撑台(2-32)，下连接件(2-4)包括下连接环段(2-41)和柱状下支撑台(2-42)；
牵拉装置(3)由套筒(3-1)和拉钩(3-2)组成，
柱状上支撑台(2-32)同轴位于上连接环段(2-31)的底端，柱状下支撑台(2-42)同轴位于下连接环段(2-41)的顶端，Stewart平台结构弹性体(2-1)居中固定于柱状上支撑台(2-32)和柱状下支撑台(2-42)之间，Stewart平台结构弹性体(2-1)由上平台、下平台和六根连杆组成，六根连杆形成三个V形支撑结构固定在上平台和下平台之间；每根连杆的内表面和外表面上分别固定一个应变计(2-2)；套壳(2-5)呈圆筒形，扣接在柱状上支撑台(2-32)和柱状下支撑台(2-42)之间，使Stewart平台结构弹性体(2-1)和十二个应变计(2-2)处于其空腔内；
上连接环段(2-31)与器械轴(1)过盈套接固定，下连接环段(2-41)与套筒(3-1)通过销轴连接，套筒(3-1)的底端具有筒底，该筒底的中心与拉钩(3-2)焊接固定；
检测电路(4)通过双绞线连接应变计(2-2)，应变计(2-2)的电压信号输出端连接检测电路(4)的电压信号输入端。
2.根据权利要求1所述的用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器，其特征在于，所述检测电路(4)包括惠斯通电桥(4-1)、调理放大电路(4-2)、六路模拟复用器(4-3)、电压跟随器(4-4)、模数转换芯片(4-5)和单片机(4-6)，
应变计(2-2)的电压信号输出端连接惠斯通电桥(4-1)的信号输入端，惠斯通电桥(4-1)的信号输出端连接调理放大电路(4-2)的信号输入端，调理放大电路(4-2)的信号输出端连接六路模拟复用器(4-3)的信号输入端，六路模拟复用器(4-3)的信号输出端连接电压跟随器(4-4)的信号输入端，电压跟随器(4-4)的信号输出端连接模数转换芯片(4-5)的信号输入端；
单片机(4-6)的选通信号输出端连接六路模拟复用器(4-3)的选通信号输入端，单片机(4-6)的读取转换数据信号输出端连接模数转换芯片(4-5)的转换数据信号输入端，模数转换芯片(4-5)的数据信号输出端连接单片机(4-6)的数据信号输入端；单片机(4-6)通过RS232与上位机进行数据传输。
3.根据权利要求1或2所述的用于微创手术机器人力反馈的六维微型力和力矩传感器，其特征在于，套壳(2-5)的顶端与柱状上支撑台(2-32)粘接固定，套壳(2-5)的底端与柱状下支撑台(2-42)之间具有间隙。
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