CN106644234A - 用于针刺手法量化的机器手的六维力/力矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于针刺手法量化的机器手六维力/矩传感器，该传感器包括有主动平台、柔性十字轴、从动平台、轴承组件、四个柔性P铰、八个万向铰、针、P铰支架、针座，形成对针刺针所受力/力矩进行检测的柔性并联机构。有益效果是该量化针刺手法的机器手六维力/矩传感器结构体积紧凑，应用应变片技术采集针刺手法的提、插、捻、转、摇参数信息，可以感知小于20克的微小力/力矩。该该传感器集成到机器人系统，采集的针刺手法信息经A/D转换成数字信号，应用计算机软件对所采集的信息进行智能化处理，从而可以比较全面、客观的分析针刺手法的有效性，并且可以实时采集的信息，进行调整，实现均匀一致的手法。

Description

用于针刺手法量化的机器手的六维力/力矩传感器
技术领域
本发明涉及一种用于针刺手法量化的机器手六维力/矩传感器结构。
背景技术
中医走向世界，针灸是先导，针灸是我国少数拥有自主知识产权的自然科学领域之一，拥有制定国际标准的相对优势，针灸标准化可以进一步促进针灸在全球范围内的广泛推广。针灸的标准化，需要对传统的针刺手法以及针刺作用所引起的生物现象和生物效应进行量化。在针刺手法量化的基础上，明确针灸作用的生物现象和生物效应，研究针灸作用的生物过程，寻求针灸作用的规律及其代表的生物过程的响应规律与机制，使传统针灸学上升为科学针灸学，将成为针灸学研究的重点。因此急于开发将针灸过程针刺手法量化的机器手六维力/力矩传感器及量化手段，对进一步推进中医针灸国际标准化工作，做好中医针灸标准国际化人才储备，加强对中医针灸标准国际化专家的培训具有重大的意义。
目前，传统针刺手法一般都是由经验丰富的施针者施加。鉴于施针者的不同，或者同一施针者操作的不确定性，再加上针刺手法各参数不能精确采集，因此，传统的针刺手法具有明显的主观感知特点，导致每次针刺手法参数的不可能一致，甚至会有较大差异。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于针刺手法量化的机器手六维力/矩传感器，对传统针刺手法参数的精确采集，以实现对针刺手法的量化，以及对针刺过程中的提插力、捻转力矩、频率、幅度和“得气”的检测。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种用于针刺手法量化的机器手六维力/矩传感器，其中：该传感器包括有主动平台、柔性十字轴、从动平台、轴承组件、四个柔性P铰、八个万向铰、针、P铰支架、针座，形成对针刺针所受力/力矩进行检测的柔性并联机构。
以所述十字轴的中心为原点建立相对于主动平台固定的x,y,z三维坐标系，所述主动平台与从动平台均为U形结构体，主动平台的U形开口与从动平台的U形开口相对，两者通过柔性十字轴链接，柔性十字轴的y方向的一对轴端通过轴承组件与主动平台的侧壁链接，x方向的一对轴端通过轴承组件与从动平台的侧壁链接构成一个柔性U铰。
所述针座上端为一法兰结构，通过螺钉固定于从动平台的外端面中心位置，针座中心设有直径3mm的孔，针的端部插入针座的孔中并通过顶丝固定，针座的下端也为法兰结构；所述每两个万向铰连接柔性P铰结构两端而构成四个柔性支杆，每个柔性支杆分别对称的安装于针座与P铰支架之间，分别标记为第一P铰、第二P铰、第三P铰、第四P铰；P铰支架通过螺钉固定于主动平台U形臂的端面上，与主动平台形成一个整体结构。
所述柔性十字轴的每个半轴臂上设有两个方向相互垂直的中空区结构，即八个中空区形成八个力敏感区，在每个力敏感区两侧外面上粘贴应变片并搭建成多个应变电路，在主动平台的U形槽内与柔性十字轴之间的空间内设置集成电路板，通过螺钉固定在主动平台U形槽内顶面上；所述柔性P铰为U形结构，且两U形臂之间有一个圆孔结构而形成力敏感区，在所述力敏感区两个外侧面粘贴应变片并搭建成多个应变电路，在所述力敏感区两个外侧面粘贴应变片，柔性十字轴的各应变电路和柔性P铰的各应变电路均集成在所述集成电路板上。
本发明的效果是该量化针刺手法的机器手六维力/矩传感器结构体积紧凑，应用应变片技术采集针刺手法的提、插、捻、转、摇参数信息，可以感知小于20克的微小力/力矩。该发明目的是集成到机器人系统，采集的针刺手法信息经A/D转换成数字信号，应用计算机软件对所采集的信息进行智能化处理，从而可以比较全面、客观的分析针刺手法的有效性，并且可以实时采集的信息，进行调整，实现均匀一致的手法。
附图说明
图1是本发明的传感器结构中机械结构示意图；
图2是本发明的传感器结构中的柔性U铰结构示意图；
图3是本发明的传感器结构中的十字轴结构示意图；
图4是本发明的传感器结构中的柔性P铰结构示意图；
图5是本发明的传感器结构中的柔性P铰装配及应变片位置示意图；
图6是本发明的传感器结构中的三维力应变电路图；
图7是本发明的传感器结构中的三维力矩应变电路图。
图中：
1、主动平台 2、柔性十字轴 3、从动平台 4、轴承组件
5、柔性P铰 6、万向铰 7、针 8、P铰支架 9、针座
P1、第一柔性P铰 P2、第二柔性P铰 P3、第三柔性P铰
P4、第四柔性P铰
具体实施方式
结合附图对本发明的用于针刺手法量化的机器手六维力/矩传感器结构加以说明。
本发明的用于针刺手法量化的机器手六维力/矩传感器是一种基于并联机构的新型柔性并联针刺手机构，通过从动平台3相对于主动平台1的六个自由度被限制，仅依靠弹性无件的变形可以产生三个转动，即绕x、y、z轴微旋转运动和三个直线运动即沿x、y、z轴微位移运动，用来模仿人手针刺动作可能的提插、捻转运动以及针刺过程的由软组织的反力引起的反转运动。
在结构上采用柔性关节，采用微应变检测技术构成六维力/力矩传感器。本发明采用的柔性铰链用作传感器的力敏感部件，直接检测三维力，通过力雅克比计算获得从动平台3所受三维力矩，达到获取六维力/力矩的目地。
如图1-7所示，本发明的用于针刺手法量化的机器手的六维力/力矩传感器，该传感器包括有主动平台1、柔性十字轴2、从动平台3、轴承组件4、四个柔性P铰5、八个万向铰6、针7、P铰支架8、针座9，形成对针刺针所受力/力矩进行检测的柔性并联机构。
以所述十字轴2的中心为原点建立相对于主动平台1固定的x,y,z三维坐标系，所述主动平台1与从动平台3均为U形结构体，主动平台1的U形开口与从动平台3的U形开口相对，两者通过柔性十字轴2链接，柔性十字轴2的y方向的一对轴端通过轴承组件4与主动平台1的侧壁链接，x方向的一对轴端通过轴承组件4与从动平台3的侧壁链接构成一个柔性U铰。
所述针座9上端为一法兰结构，通过螺钉固定于从动平台3的外端面中心位置，针座9中心设有直径3mm的孔，针7的端部插入针座9的孔中并通过顶丝固定，针座9的下端也为法兰结构；所述每两个万向铰6连接柔性P铰5结构两端而构成四个柔性支杆，每个柔性支杆分别对称的安装于针座9与P铰支架8之间，分别标记为第一P铰P1、第二P铰P2、第三P铰P3、第四P铰P4；P铰支架8通过螺钉固定于主动平台1U形臂的端面上，与主动平台1形成一个整体结构。
所述柔性十字轴2的每个半轴臂上设有两个方向相互垂直的中空区结构，即八个中空区形成八个力敏感区，在每个力敏感区两侧外面上粘贴应变片并搭建成多个应变电路，在主动平台1的U形槽内与柔性十字轴2之间的空间内设置集成电路板，通过螺钉固定在主动平台1U形槽内顶面上。所述柔性P铰5为U形结构，且两U形臂之间有一个圆孔结构而形成力敏感区，在所述力敏感区两个外侧面粘贴应变片并搭建成多个应变电路，在所述力敏感区两个外侧面粘贴应变片，柔性十字轴2的各应变电路和柔性P铰5的各应变电路均集成在所述集成电路板上。
所述柔性十字轴2力敏感区应变片组成的应变电路有应变电路a、应变电路b、应变电路c、应变电路d、应变电路e，其中应变电路a、应变电路b、应变电路e是全桥式电路，应变电路c、应变电路d为半桥式电路，由应变电路a或者应变电路b获得针7沿柔性十字轴2的z方向的力Fz，由应变电路c获得针7沿柔性十字轴2的x方向的力Fx，由应变电路d获得针7沿柔性十字轴2的y方向的力Fy，由应变电路e获得针7绕柔性十字轴2的z轴旋转的力矩Mz。
所述柔性P铰5的力敏感区应变片组成的应变电路f、应变电路g均为全桥式应变电路，由应变电路f、应变电路g分别获得针绕x、y轴的反转力矩My、Mx。

Claims (3)

1.一种用于针刺手法量化的机器手的六维力/力矩传感器，其特征是：该传感器包括有主动平台(1)、柔性十字轴(2)、从动平台(3)、轴承组件(4)、四个柔性P铰(5)、八个万向铰(6)、针(7)、P铰支架(8)、针座(9)，形成对针刺针所受力/力矩进行检测的柔性并联机构；
以所述十字轴(2)的中心为原点建立相对于主动平台(1)固定的x,y,z三维坐标系，所述主动平台(1)与从动平台(3)均为U形结构体，主动平台(1)的U形开口与从动平台(3)的U形开口相对，两者通过柔性十字轴(2)链接，柔性十字轴(2)的y方向的一对轴端通过轴承组件(4)与主动平台(1)的侧壁链接，x方向的一对轴端通过轴承组件(4)与从动平台(3)的侧壁链接构成一个柔性U铰；
所述针座(9)上端为一法兰结构，通过螺钉固定于从动平台(3)的外端面中心位置，针座(9)中心设有直径3mm的孔，针(7)的端部插入针座(9)的孔中并通过顶丝固定，针座(9)的下端也为法兰结构；所述每两个万向铰(6)连接柔性P铰(5)结构两端而构成四个柔性支杆，每个柔性支杆分别对称的安装于针座(9)与P铰支架(8)之间，分别标记为第一P铰(P1)、第二P铰(P2)、第三P铰(P3)、第四P铰(P4)；P铰支架(8)通过螺钉固定于主动平台(1)U形臂的端面上，与主动平台(1)形成一个整体结构；
所述柔性十字轴(2)的每个半轴臂上设有两个方向相互垂直的中空区结构，即八个中空区形成八个力敏感区，在每个力敏感区两侧外面上粘贴应变片并搭建成多个应变电路，在主动平台(1)的U形槽内与柔性十字轴(2)之间的空间内设置集成电路板，通过螺钉固定在主动平台(1)U形槽内顶面上；所述柔性P铰(5)为U形结构，且两U形臂之间有一个圆孔结构而形成力敏感区，在所述力敏感区两个外侧面粘贴应变片并搭建成多个应变电路，在所述力敏感区两个外侧面粘贴应变片，柔性十字轴(2)的各应变电路和柔性P铰(5)的各应变电路均集成在所述集成电路板上。
2.根据权利要求1所述的用于针刺手法量化的机器手的六维力/力矩传感器，其特征是：所述柔性十字轴(2)力敏感区应变片组成的应变电路有应变电路a、应变电路b、应变电路c、应变电路d、应变电路e，其中应变电路a、应变电路b、应变电路e是全桥式电路，应变电路c、应变电路d为半桥式电路，由应变电路a或者应变电路b获得针(7)沿柔性十字轴(2)的z方向的力Fz，由应变电路c获得针(7)沿柔性十字轴(2)的x方向的力Fx，由应变电路d获得针(7)沿柔性十字轴(2)的y方向的力Fy，由应变电路e获得针(7)绕柔性十字轴(2)的z轴旋转的力矩Mz。
3.根据权利要求1所述的用于针刺手法量化的机器手的六维力/力矩传感器，其特征是：所述柔性P铰(5)的力敏感区应变片组成的应变电路f、应变电路g均为全桥式应变电路，由应变电路f、应变电路g分别获得针绕x、y轴的反转力矩My、Mx。
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