CN109813473A - 一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器，主要由九条光纤布拉格光栅分别粘贴在空心玻璃纤维圆杆上经八条轴向切槽切割后形成的四条窄梁和四条宽梁上构成，并分别负责空心玻璃纤维圆杆2末端执行器所受径向力Fx和Fy、轴向力Fz和扭矩Mz的测量。为增加力感知的灵敏度，对空心玻璃纤维杆进行了镂空切割；为了减小各维力之间的耦合，对切割后剩余的四条窄梁的一端根部进行倾斜切削使四条窄梁形成悬臂梁，降低了多维力之间的耦合。此外，针对光纤光栅易受温度影响的情况，在空心玻璃纤维圆杆外壁同时布置了温度补偿光栅。本发明精度高，不受电磁干扰影响，成本较低。

Description

一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器

技术领域

本发明属于微创外科手术机器人技术领域，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅的用于微创外科手术机器人的四维力传感器。

背景技术

目前在医疗领域内，微创手术机器人被越来越广泛的应用。其应用大幅提高了手术的质量，从而减少了患者的术后康复时间，代表着当今医疗服务的发展方向。但是目前应用的微创手术机器人不具备力觉临场感知功能，而研究表明力觉临场感知功能的增加会改善外科医生在手术中的表现。

微创外科手术机器人中实现力觉临场感知的基本流程是：在执行手术操作的机械手靠近末端执行工具的位置安装传感器获取实时多维力信号；该信号经处理后传送至主手控制器；主手控制器根据该信号的大小控制主手上的电机输出相应扭矩，使医生能够实时的感受到在手术过程中机械手末端执行器与患者内脏组织接触的实时力信息的大小和变化。

多维的力传感器是实现力觉临场感知系统中的一个重要组成部分，针对机械手的结构设计的多维力传感器应具备以下条件：①适应人体内潮湿的工作环境并可重复使用多次消毒；②具有高灵敏度，高稳定性，能够真实、可靠地反映实时力信息的大小和方向；③尽量减小机械手外形的变化；④尽量降低传感器成本，减少患者的手术成本。

现有的微创外科手术机器人力传感器设计方案常采用电阻应变片粘贴在一定结构弹性体上，有易受温度干扰、易受电磁干扰、不可靠性、精度不高等不足。

本发明中基于光纤光栅来设计微创外科手术机器人四维力传感器基本克服上述不足，且尺寸更小，更容易在机械手末端安装，而且由于结构的设计使得多维力之间耦合较小。

发明内容

本发明的目的是解决微创手术机器人的力觉临场感知问题，提供一种能够使外科医生在手术操作中感受到实时力变化的适用于微创外科手术机器人的高精度、高灵敏度的光纤光栅四维力传感器，而且能有效的消除温度的影响，提高现有传感器的灵敏度以及依靠机械结构大幅度降低多维力之间的耦合。

本发明所提供的基于光纤光栅的微创外科手术机器人的四维力传感器，主要由九条光纤布拉格光栅粘贴在空心玻璃纤维圆杆2上经切割和切削后形成的窄梁或宽梁上构成，负责空心玻璃纤维圆杆2末端执行器所受径向力、轴向力和力矩的测量，其中径向力测量为X轴和Y轴两个方向的力Fx和Fy的测量，轴向力测量为Z轴方向的力Fz的测量，力矩测量为Z方向的扭矩Mz的测量；所述空心玻璃纤维圆杆2靠近末端执行工具的位置由八条轴向切槽(61、62、63、64、65、66、67、68)切割出四条轴向的窄梁，顺次称为第一至第四窄梁(71、73、75、77)，四个窄梁间隔90度成正交分布，分别用来粘贴径向力测量的光纤布拉格光栅，在相邻两个窄梁之间的空心玻璃纤维圆杆2的杆体部分称为宽梁，同样有四个，顺次称为第一至第四宽梁(72、74、76、78)，用来粘贴测量Z方向的力Fz和扭矩Mz的光纤布拉格光栅；九条光纤布拉格光栅分别粘贴于空心玻璃纤维圆杆2外周，具体的第一FBG(即光纤布拉格光栅，后同)11沿杆轴向布置在第一窄梁71上，第二FBG12沿杆轴向布置在相对一侧的第三窄梁75上，第三FBG 21沿杆轴向布置在第二窄梁73上，第四FBG 22沿杆轴向布置在第四窄梁77上(所述光纤布拉格光栅的粘贴位置可以沿四个窄梁顺次旋转错位粘贴而不受影响)，第五FBG 31和第六FBG 32沿杆轴向分别布置在任意相对一侧的两个宽梁(72和76，或74和78)上，第七FBG(41)和第八FBG(42)沿与杆轴向成45°分别布置在另外两个宽梁(74和78，或72和76)上，第九FBG(5)沿与杆轴向成90°布置在未经切割和切削处的空心玻璃纤维圆杆(2)的杆体上，分别负责对空心玻璃纤维圆杆所受的径向力、轴向力和力矩进行测量。其中，径向力测量为X轴和Y轴两个方向的力Fx和Fy的测量，轴向力测量为Z轴方向的力Fz的测量，力矩测量为Z方向的扭矩Mz的测量。

进一步，本发明同时提供了一种使用基于光纤光栅的四维力传感器构成的测量受力的系统，包括：宽带光源、光纤环形器、光纤布拉格光栅阵列构成的四维力传感器、光纤动态解调仪和计算机。其实现四维力感知的过程为：宽带光源发出的光经过光纤环形器后射入光纤布拉格光栅阵列构成的四维力传感器，光纤布拉格光栅反射回来的采集到测量信号后的光再次通过光纤环形器进入光纤动态解调仪，计算机通过与光纤动态解调仪通信来获取其检测到的四维力传感器中的光纤布拉格光栅的反射光中心波长的变化，以相应的算法来测量玻璃纤维圆杆末端执行器所受实时力和力矩的大小和方向。

本发明的范围由权利要求限定，其通过引用被合并在该部分中。本领域技术人员将能够通过考虑以下实施例的具体实施方式更完整地理解本发明的实施例，并且认识到关于其的其他优点。

本发明的优点和积极效果：

本发明实现了温度补偿、不受电磁干扰影响，灵敏度高，成本较低，可以依靠机械结构降低多维力之间的耦合。

附图说明

图1是微创外科手术机器人的机械手示意图；

图2是基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器的系统结构框图；

图3是经切割和切削后并粘贴光纤布拉格光栅后的空心玻璃纤维圆杆示意图；

图4是空心玻璃纤维圆杆正视图；

图5是图4沿L方向的剖视图；

图6是图4沿H方向的剖视图。

图中，1是基座；2是空心玻璃纤维圆杆；11是第一FBG；12是第二FBG；21是第三FBG；22是第四FBG；31是第五FBG；32是第六FBG；41是第七FBG；42是第八FBG；5是第九FBG；61、62、63、64、65、66、67、68是第一至第八切槽；71、73、75、77是切割后形成的第一至第四窄梁；72、74、76、78是切割后形成的第一至第四宽梁；81、82、83、84是第一至第四切缝。

具体实施方式

实施例1：

本发明拟对机械手的末端执行工具在三个自由度方向上所受的力以及沿轴向的扭矩进行实时测量。机械手在手术进行前经过固定在患者腹腔壁上的穿刺器鞘管插入腹腔；为了避免机械手和穿刺器鞘管间的接触对力和力矩测量的影响，将光纤布拉格光栅四维力传感器布置在空心玻璃纤维圆杆表面上靠近末端执行工具的位置，可以更准确的测量机械手的末端执行工具在手术进行时与患者内脏组织的接触力和力矩。

本发明提供的微创外科手术机器人四维力传感器，主要由九条光纤光栅构成，九条光纤光栅的布局方式如图3至图6所示。图4为正视图，图5和图6为图4中沿L和H两个方向的剖视图。

在图1所示的机械手(机械手的具体结构可参见名称为《一种微创外科丝传动、四自由度手术工具》的200910306053.5号专利/申请文件)的空心玻璃纤维圆杆2靠近末端执行工具的位置经切割和切削后布置本发明四维力传感器；由九条光纤光栅构成的四维力传感器阵列分别测量空心玻璃纤维圆杆X、Y和Z轴三个方向的力Fx、Fy和Fz，以及Z轴方向的扭矩Mz；其中，XYZ坐标系如图1中所示，其为标准的笛卡尔右手坐标系。

所述空心玻璃纤维圆杆2靠近末端执行工具的位置由八条轴向切槽(61、62、63、64、65、66、67、68)切割出四条轴向的窄梁，分别为第一至第四窄梁(71、73、75、77)，四个窄梁间隔90度成正交分布，分别用来粘贴径向力测量的光纤布拉格光栅，参见图3和图6。在相邻两个窄梁之间的空心玻璃纤维圆杆2的杆体部分称为宽梁，同样有四个，分别称为第一至第四宽梁(72、74、76、78)，用来粘贴测量Z方向力和扭矩Mz的光纤布拉格光栅。

四维力传感器的具体制作过程是，首先在空心玻璃纤维圆杆2外壁径向以扇形进行八条轴向切槽的切割，切割沿其轴向的长度为15mm，其切割的扇形部分角度分别为5°-15°、75°-85°、95°-105°、165°-175°、185°-195°、255°-265°、275°-285°和345°-355°，如图6中所示，切割掉的部分形成八条轴向切槽分别为61，62，63，64，65，66，67，68。切割的意义在于提高力和力矩感知的灵敏度；在切割完成后剩余部分形成的八根梁(如图6中所示，分别为梁71，72，73，74，75，76，77，78)，较窄的四根梁(如图6中所示，分别为梁71，73，75，77)的一端根部再与空心玻璃纤维杆轴向成45°切削并贯穿其内外壁使四根窄梁成为悬臂梁，切削形成的切缝如图3和图5中的81，82，83，84所示，并分别在这较窄的四根梁外壁中央沿轴向粘贴一条光纤布拉格光栅，用于测量Fx正方向的部分、Fx负方向的部分、Fy正方向的部分、Fy负方向的部分，切削的意义在于降低径向力Fx和Fy之间的耦合并提高Fz的灵敏度。

在切割完成后形成的八根梁的较宽的四根宽梁(如图6中所示，分别为梁72，74，76，78)，按照空心玻璃纤维圆杆的位置相对分为两组，其中相对一组的两个宽梁上沿其轴向粘贴两条光纤布拉格光栅，用于测量Fz；在另一组相对的两个宽梁上沿与其轴向成45°粘贴两条光纤布拉格光栅，用于测量为Z方向的扭矩Mz。最后为了补偿光纤布拉格光栅中心波长受温度影响产生的变化，在空心玻璃纤维杆未被切割的部分就近沿与其轴向垂直的方向上粘贴一条光纤布拉格光栅。

对于径向力Fx(即X方向对应的力)，分别由第一FBG(即光纤布拉格光栅，后同)11和第二FBG12测量其正负两个方向的力，第一FBG11和第二FBG12沿与空心玻璃纤维圆杆轴向(垂直)分别粘贴在相对的两个窄梁上；对于径向力Fy(即Y方向对应的力)，分别由第三FBG 21和第四FBG 22测量其正负两个方向，第三FBG 21和第四FBG 22沿与空心玻璃纤维圆杆轴向(垂直)分别粘贴在剩余的两个相对的窄梁上；对于轴向力Fz(即Z方向对应的力)，由第五FBG 31和第六FBG 32联合测量其大小，第五FBG 31和第六FBG 32沿与空心玻璃纤维圆杆轴向(垂直)粘贴在任意相对的两个宽梁上；对于Z方向的扭矩Mz的测量，分别由第七FBG41和第八FBG 42联合测量其大小，第七FBG 41和第八FBG 42沿与空心玻璃纤维圆杆中心轴向成45°粘贴在剩余相对的两个宽梁上。另外，考虑到光纤光栅对温度敏感，易受到温度的干扰，增设温度补偿第九FBG 5，在其所在对应区域沿与空心玻璃纤维圆杆中心轴向成90°粘贴。

所有FBG粘贴使用专业的胶水。除FBG外的光纤部分应紧贴在空心玻璃纤维圆杆2外壁延伸至基座1附近后再通过单模光纤跳线与之相接至动态光纤解调仪，紧贴在空心玻璃纤维圆杆2外壁的部分用透明胶带固定。其中第七FBG 41、第八FBG 42和第九FBG 5需要在弯曲后才能延伸到基座附近，在弯曲时应注意曲率，使其保证因弯曲衰减后的中心波长的光功率仍大于动态光纤解调仪的解调阈值。

在进行手术时，机械手末端执行工具在进行缝合打结等动作时会与患者内脏组织接触受力发生形变，从而带动空心玻璃纤维圆杆发生轴向和径向的微形变以及一定程度的扭转形变，从而可以通过光纤光栅可以测量其机械手末端受力情况。并通过第九FBG5消除温度对测量的影响。

Claims (4)

1.一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器，其特征在于：所述的四维力传感器由九条光纤布拉格光栅粘贴在空心玻璃纤维圆杆(2)上经切割和切削后形成的窄梁或宽梁上构成，负责空心玻璃纤维圆杆(2)末端执行器所受径向力、轴向力和力矩的测量，其中径向力测量为X轴和Y轴两个方向的力Fx和Fy的测量，轴向力测量为Z轴方向的力Fz的测量，力矩测量为Z方向的扭矩Mz的测量；所述空心玻璃纤维圆杆(2)靠近末端执行工具的位置由八条轴向切槽(61、62、63、64、65、66、67、68)切割出四条轴向的窄梁，顺次称为第一至第四窄梁(71、73、75、77)，四个窄梁间隔90度成正交分布，分别用来粘贴径向力测量的光纤布拉格光栅，在相邻两个窄梁之间的空心玻璃纤维圆杆(2)的杆体部分称为宽梁，同样有四个，顺次称为第一至第四宽梁(72、74、76、78)，分别用来粘贴测量Z方向的力Fz和扭矩Mz的光纤布拉格光栅；九条光纤布拉格光栅分别粘贴于空心玻璃纤维圆杆(2)外周，具体的第一FBG(11)沿轴向布置在第一窄梁(71)上，第二FBG(12)沿轴向布置在相对一侧的第三窄梁(75)上，第三FBG(21)沿轴向布置在第二窄梁(73)上，第四FBG(22)沿轴向布置在第四窄梁(77)上，第五FBG(31)和第六FBG(32)沿轴向分别布置在相对一侧的两个宽梁(72和76，或74和78)上，第七FBG(41)和第八FBG(42)沿与杆轴向成45°分别布置在另外两个宽梁(74和78，或72和76)上，第九FBG(5)沿与杆轴向成90°布置在未经切割和切削处的空心玻璃纤维圆杆(2)的杆体上。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器，其特征在于：所述的第一FBG(11)用于测量力Fx正方向的部分；所述的第二FBG(12)用于测量力Fx负方向的部分；所述的第三FBG(21)用于测量力Fy正方向的部分；所述的第四FBG(22)用于测量力Fy负方向的部分；所述的第五FBG(31)和第六FBG(32)同时用于测量力Fz；所述的第七FBG(41)和第八FBG(42)用于测量扭矩Mz；所述的第九FBG(5)用于提供温度补偿。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器，其特征在于：所述四条窄梁(71、73、75和77)的一端根部分别按与轴向成45度夹角切削至贯穿空心玻璃纤维圆杆内外壁，使四条窄梁形成悬臂梁。

4.使用权利要求1～3任一项所述的基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器构成的测量受力的系统，其特征在于包括宽带光源、光纤环形器、权利要求1～3任一项所述的光纤布拉格光栅阵列构成的四维力传感器、光纤动态解调仪和计算机：宽带光源发出的光经过光纤环形器后射入光纤布拉格光栅阵列构成的四维力传感器，经四维力传感器采集到测量信号后的光再次返回光纤环形器并进入光纤动态解调仪，计算机通过与光纤动态解调仪通信来获取检测到的四维力传感器中的光纤布拉格光栅的反射光中心波长的变化，以相应的算法来测量玻璃纤维圆杆(2)末端执行器所受实时力和力矩的大小和方向。