CN112136029B - 用于腱致动机构的力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于腱致动机构的力传感器，该力传感器包括：本体，该本体具有供所述腱致动机构的腱在其中穿过的通孔，该本体用于与所述腱致动机构的被腱穿过的部分相连；以及传感器，该传感器设于所述本体上，以获得所述腱致动机构的被腱穿过的部分在该本体上的压缩力。

Description

用于腱致动机构的力传感器
技术领域
本发明涉及一种用于腱致动机构的力传感器，如用于腱-鞘机构(TSM)或腱驱动机构等。
背景技术
在腱致动医用机器人和设备中，总体上存在两种实现作用力/触觉反馈的方式：1)通过建模进行前端作用力的预测[5-8]；2)通过在手术器械上直接安装传感器而进行前端作用力的测量[9-13，16-25]。由于模型参数会随柔性机器人路线配置的变化而变化，因此仅凭近端数据难以实时获得准确的前端作用力。相较之下，第二种方式为优选方式，而且能够使医生和患者同时极大受益[2-4]。然而，电学传感器(如压电传感器、MEMS、应变传感器及薄膜传感器)需要电气线路，而且存在需要进行作用力解耦(即不同作用力方向之间的解耦以及腱的伸长与弯曲之间的解耦)等问题，从而导致设计复杂、难以更换、电磁干扰产生噪声、需要将信号放大、因暴露于生物组织或工作环境而存在发生损伤的风险等问题[14](尤其对于内窥机器人而言[1])。因此，需要一种无需作用力解耦、易于连接、电气上无源、适合用于在人体上或人体内、优选适合用于核磁共振成像(MRI)、优选还能针对内窥用途小型化的用于腱致动机构的力传感器。
发明内容
公开一种腱致动机构的力传感器。该力传感器可包括本体，该本体具有通孔(如镍钛合金或镍钛合金管)以及光纤布拉格光栅(FBG)光纤，该FBG光纤的FBG段附于该本体上。所述本体构造为附于所述腱致动机构的腱穿过部分上。由于所述本体可包括与腱-鞘驱动机构(TSM)的鞘具有相似直径和中空构造的管状结构，因此所述力传感器可针对TSM等腱致动机构以小巧且有效的方式实现。所述本体可自所述鞘一端延伸而出，而且腱同时穿过所述鞘和本体中的通孔。当所述腱拉动时，将使得所述鞘被压缩，并向所述本体传递压缩力，从而使得所述FBG应变传感器发生应变。通过记录因该应变产生的FBG波长偏移量，可以获得所述鞘在本体上施加的与腱所受拉伸力大小相等的压缩力(这一点已在理论上和实验上得到验证)。除了检测远端作用力之外，本公开内容的力传感器还可用于感测所述腱致动机构近端或中间的触觉信息。该力传感器还可用于腱驱动连续型机器人或柔性机器人内的触觉信息感测。此外，所述传感器也可不设于鞘的最远端，而是设于鞘中间部位或两个鞘之间，从而进一步减小尺寸，并减小传感器的长度和大小限制。该力传感器具有尺寸小巧、灵敏度和分辨率高、允许拆卸、能够多机构转移、温度补偿、具有柔性、易于制造、小巧的集成结构、生物相容性、MRI兼容性以及允许灭菌等诸多优点。该力传感器还可用于机械手指/机械手、可穿戴设备、外科导管以及康复设备等各种其他腱致动机构。
根据第一方面，提供一种用于腱致动机构的力传感器，该力传感器包括：本体，该本体具有供所述腱致动机构的腱穿过的通孔，该本体用于与所述腱致动机构的腱穿过部分相连；以及传感器，该传感器设于所述本体上，以获得所述腱致动机构的腱穿过部分在该本体上的压缩力。
所述传感器可包括光纤，该光纤具有附于所述本体上的第一光纤布拉格光栅(FBG)段，其中，该第一FBG段所传输的光的波长偏移量可与所述本体上的压缩力直接关联。
所述光纤具有第二FBG段，其中，在使用时，该第二FBG段不附于所述腱致动机构的任何部分上，该第二FBG段所传输的光的波长偏移量可与该第二FBG段经受的温度差直接关联。
所述第一FBG段可附于所述本体的外表面上。
所述第一FBG段的光栅长度可小于或等于1mm。
所述本体可由可变形材料制成。
所述本体可设有用于提高该本体柔性的镂空结构。
所述本体可包括管状结构。
所述腱致动机构可包括腱-鞘机构，所述本体以共线方式附于所述腱-鞘机构的鞘上。
所述腱-鞘机构可包括至少两个鞘，所述力传感器的本体设于所述至少两个鞘之间。
所述腱致动机构可包括连续型机器人，该连续型机器人包括多个盘体和穿过所述多个盘体的若干腱，所述若干腱中至少部分腱当中的每一条均终止于终端结构内，对于所述若干腱中终止于终端结构内的至少一条腱，所述力传感器的本体设于该终端结构和紧邻该终端结构的盘体之间。
根据第二方面，提供一种确定腱致动机构上作用力的方法，该方法包括：
a)将力传感器设于所述腱致动机构的被该腱致动机构的腱穿过的部分上；以及
b)以所述力传感器获得所述腱致动机构的被腱穿过的部分在该力传感器本体上的压缩力。
步骤a)可包括：将所述腱穿过所述本体的通孔中，并将该本体与所述腱致动机构的被腱穿过的部分相连。
所述力传感器包括光纤，该光纤具有附于所述本体上的第一光纤布拉格光栅(FBG)段，步骤b)可包括：获得所述第一FBG段所传输的光的波长偏移量，并将该第一FBG段所传输的光的波长偏移量与所述本体上的压缩力大小相关联。
该方法可进一步包括：
c)提供不附于所述腱致动机构任何部分上的第二FBG段；
d)获得该第二FBG段所传输的光的波长偏移量；
e)将该第二FBG段所传输的光的波长偏移量与该第二FBG段经受的温度差相关联；以及
f)以所述第二FBG段所传输的光的波长偏移量抵消所述第一FBG段所传输的光的波长偏移量，以补偿所述第一FBG段经受的温度差。
在以上两方面中，所述压缩力均可与腱上的拉伸力相当。
附图说明
为了使本发明能被完全理解且易于付诸实践，以下将仅以非限制性举例的方式描述本发明的例示实施方式，而且下文描述参考以下说明性附图。
图1为FBG工作原理说明图。
图2为腱-鞘机构微元段纵向剖面示意图。
图3所示为用于确定腱-鞘机构近端和远端处的腱上的拉伸力和鞘上的压缩力的实验测试结果。
图4为用于腱致动机构的力传感器的第一和第二例示实施方式示意图。
图5所示为各种设计的采用管状结构形式的力传感器本体非例示实施方式。
图6为TSM与力传感器的管状结构形式本体间受力分析的纵向剖面示意图。
图7为由设有带温度补偿功能的力传感器的TSM致动的一体式夹钳的纵向剖面示意图。
图8为设有所述力传感器的夹钳的四幅立体视图。
图9为设于内窥镜中的夹钳的三维斜视图。
图10a为采用设有力传感器的连续型机器人形式的腱驱动机构的三幅斜视图。
图10b为图10a连续型机器人的两个机器人分段的斜视图。
图11为图10a连续型机器人的连续型机器人盘体、管状结构形式的力传感器本体以及连续型机器人远端终端结构之间的受力分析的纵向剖面示意图。
图12所示为力传感器本体的替代形式例示实施方式。
图13所示为在TSM中设置力传感器时的替代构造。
图14为力传感器第一例示原型的校准结果图。
图15为力传感器第二例示原型的校准结果图。
具体实施方式
以下，参考图1至图15，描述用于腱致动机构的力传感器10的例示实施方式。图中，相同或类似部件使用相同的附图标注。
光纤布拉格光栅(FBG)为一种构造于一小段光纤内的分布式布拉格反射器。如图1所示，借助周期性变化的纤芯折射率，FBG能够反射随温度和/或应变的变化而偏移的特定波段的光。反射波段的中心波长称为布拉格波长(λB＝2neffΛ)，其中，neff表示纤芯模的有效折射率，Λ为纤芯折射率调制系数[15]。参数neff和Λ取决于温度和应变。沿光纤轴向的应变变化可导致中心波长发生线性偏移，从而使得能够通过跟踪布拉格波长而实现有效的受力测量。
考虑到TSM的腱大小远小于鞘且频繁发生移动和弯曲，为了防止发生损伤和免于进行伸长与弯曲之间的解耦，本公开内容的力传感器对鞘上的作用力，而非对腱上的作用力进行测量，以作为对TSM传动系统的作用力分析结果。图2所示为TSM中腱102和鞘101的微元段，此两者均具有恒定曲率，其中，T为腱102上的拉伸力，C为鞘101上的压缩力，N为从鞘101至腱102的法向力，f为鞘101施加在腱102上的摩擦力，N'为从腱102至鞘101的法向力，f'为腱102施加在鞘101上的摩擦力，α为该构造的弯曲角度，r为鞘结构的弯曲半径[26]。
对于腱，当对具有相应角度dα的一小部分dx适用力平衡方程时，可获得如下四个方程式：
Tdα＝-N，dα＝dx/r，f＝μN，dT＝f； (1-4)
其中，假设拉伸力的损失仅由腱与鞘之间的摩擦力所致。
对于鞘，存在与上述类似的关系：
Cdα＝-N’，dα＝dx/r，f’＝μN’，dC＝f’. (5-8)
根据牛顿第三定律，
N＝-N’，f＝-f’. (9-10)
因此
Tdα＝-Cdα. (11)
如此，即可获得本文的关键性基本方程：
T＝-C；dT＝-dC (12-13)
如此可见，在同一横截面上，鞘101上压缩力的大小等于腱102上拉伸力的大小，即T＝-C。
对这一结论，进一步在实验上进行了验证，其中，利用两个力传感单元测量近端处的腱上的拉伸力和鞘上的压缩力，并利用另外两个力传感单元检测远端处的腱上的拉伸力和鞘上的压缩力。腱由发送至电机(轮径为25mm)的正弦波信号驱动，该正弦波信号的频率为0.3Hz，转换幅度为+/-90°。所述四个力传感单元的作用力读数示于图3。近端处的拉伸力与压缩力之间的均方根误差(RMSE)为0.618N，远端处为0.332N。这些误差的主要原因在于力传感单元的噪声。由于实验装置的限制，腱无法达到与力传感单元测量轴线完全平行。所导致的在所传递的作用力的分解中的较小未对准的角度，也可能导致上述误差。该实验结果证明，在远近两端处，鞘上的压缩力的大小几乎与腱上的拉伸力大小相等。因此，TSM任何横截面处的压缩力与拉伸力之间的上述关系，即T＝-C成立。
在力传感器10的第一例示实施方式中，如图4a所示，力传感器10包括本体105，该本体具有供腱致动机构中的腱(未图示)穿过的通孔109。本体105构造为与腱致动机构的腱穿过部分连接。力传感器10还包括光纤103，该光纤具有第一光纤布拉格光栅(FBG)段107a，该(且仅该)第一FBG段107a附于本体105上。在本实施方式中，本体105包括管状结构。所述单根FBG光纤103可通过EPO-TEK 353ND等环氧树脂106与管状结构105相粘贴。此外，还可设置覆盖力传感器10的保护管(未图示)，以防其他鞘造成任何擦伤/磨损。
在力传感器10的第二例示实施方式中，如图4b所示，与附于本体105上的单根FBG光纤103(如图4a所示)不同，光纤104包括第一FBG段107a和第二FBG段107b(也称双FBG阵列104)，并可用于包括温度补偿功能。在该双FBG阵列104中，所述光栅区域或第一FBG段107a(即位于光纤104前端附近)卡于或附于管状结构105上，以用于应变感测；而另一光栅区域或第二FBG段107b不附于腱致动机构的任何部分，以保持不受应变影响，并用于抵消各FBG段107a的温度效应[27]。该无应变光栅区域或第二FBG段107b可由设于光纤103第二FBG段107b外侧的短外管108保护。所述两个光栅或FBG段107a，107b之间的距离取决于力传感器10的用途。总体而言，两个FBG段107a，107b越接近越好。
在一种替代实施方式(未图示)中，为了抵消温度效应，力传感器10可包括非温度依赖性FBG光纤，该光纤由具有非温度依赖性的第一FBG段的光纤构成。
对于所有实施方式，第一FBG段107a优选设于本体105中央。在本体105包括管状结构105的情形中，为了确保粘贴牢固性，管状结构105的长度优选稍长于第一FBG段107a的长度，以使得额外长度的光纤能够贴至管状结构105上。
力传感器10的本体105可由任何可变形材料制成，包括钢或镍钛合金(Nitinol)等金属，以及液晶聚合物(LCP)或聚醚醚酮(PEEK)等聚合材料。此外，为了提高柔性和/或敏感度，本体105上可设置狭槽或孔洞等镂空结构，此类实施方式包括但不限于图5所示的各种实施方式。
在使用过程中，本体105附于腱致动机构的腱穿过部分上，而且第一FBG段所传输的光的波长的偏移量可与施加至腱上的拉伸力大小直接相关。图6所示为一种例示实施方式的力传感器10的工作原理，其中，本体105为管状结构，而且所述腱致动机构为TSM，该TSM包括供腱102穿过的鞘101。力传感器10通过将管状结构105设于TSM鞘101的远端处而与该鞘101相连，力传感器10的单根FBG光纤103通过环氧树脂106贴至管状结构105的外表面上。为了实现良好接触，管状结构105和鞘101优选具有相似外径和内径，或者至少具有相互重叠的接触面积。TSM的腱102同时穿过鞘101和管状结构105。当与末端执行器20(如图7所示)集成时，管状结构105的远端也固定至末端执行器20上。通过这种方式，当在TSM近端拉动腱102时，将产生从鞘101指向管状结构105的压缩力。这一压缩力还进一步使得光纤103第一FBG段107a的应变发生变化，而且FBG的反射光谱的中心波长发生偏移。根据该波长的偏移量，可以计算出来自鞘101的作用于远端处的管状结构10上的压缩力。如此，即可根据T＝-C，获得远端处腱102上的拉伸力。
通过记录第一FBG段107a因该第一FBG段107a在鞘101施加于本体105上的压缩力的作用下发生的应变而产生的波长偏移量，可以计算出与鞘101所施加的压缩力大小相等或相当的腱102上的拉伸力。利用Micron Optics(SM130或SI255)及Smart Fibres等供应商提供的FBG解调仪，可以实时跟踪中心波长的偏移情况。例如，力传感器10的第一原型实施方式包括1mm光栅FBG光纤103，该光纤附于3mm长的超高弹性镍钛合金管状本体105(外径为1.27mm，内径为0.97mm)上，该力传感器通过使本体105一端与鞘101远端物理接触而与鞘101(外径为1.189mm，内径为0.72mm)的远端连接。FBG光纤103通过四至五次连续测试进行校准，其中，所施加的作用力为0～25N。为了最大程度减小温度交叉敏感度，所有校准实验均在恒定室温下进行。校准结果示于图14和图15。该第一原型实施方式的力传感器10的敏感度为28.7pm/N，误差为0.174N。力传感器10的第二原型实施方式包括5mm光栅双阵列FBG光纤104，该光纤附于6mm长的超高弹性镍钛合金管状本体105(外径为1.27mm，内径为0.97mm)上，该力传感器通过将本体105一端焊接(如激光焊接)至鞘101远端而连接至鞘101(外径为0.965mm，内径为0.58mm)。FBG光纤104以类似测试方式校准，敏感度为34.7pm/N，误差为0.144N。此类程度的误差处于人手敏感度阈值以下，因此对于腹腔镜手术等大多数手术任务而言，处于满足要求的水平。
此外，通过使用双FBG阵列光纤104或非温度依赖性FBG光纤，当手术机器人的远端经历较大温度变化时，力传感器10具有抵消温度交叉影响的能力。设于力传感器一条光纤上的两个FBG光栅之间的距离取决于力传感器的用途，但是总体而言，两个FBG越接近越好。
图7所示为在由两个TSM(TSM-1，TSM-2)驱动的末端执行器20内的用于远端触觉感测的力传感器10的一种例示实现方式。末端执行器20包括单自由度(1-DOF)夹钳，该夹钳具有两个以可枢转方式连接25的钳颚21，22，其两钳颚由两个TSM控制。下钳颚22无法转动，因此还用作夹钳本体结构23。在附于上钳颚21的两条腱102的作用下，上钳颚21能够相对于下钳颚22双向转动。每一TSM均设有一个图4a所示第一例示实施方式或图4b所示第二例示实施方式的力传感器10。每条腱102自上钳颚21伸出，并伸过其相应力传感器10的管状结构105以及鞘101。力传感器10可测量其相应鞘101上的压缩力，从而可以获得相应腱102上的拉伸力。在该情形中，其中的一个力传感器10可包括双FBG阵列104，该阵列可足以补偿第一FBG段107a的任何热胀冷缩。该1-DOF夹钳仅用作示例，此外也可利用多个力传感器追踪多自由度手术器械的远端作用力。
图8所示为末端执行器20(夹钳)的例示实施方式100，该末端执行器与以上参考图7所述力传感器10和腱-鞘驱动机构TSM-1，TSM-2集成。在该实施方式100中，每一TSM包括外径为1.189mm且内径为0.72mm的鞘101以及外径为0.4mm的腱102。每一TSM上附有力传感器10，该力传感器包括外径为1.27mm且内径为0.97mm的3mm长超高弹性本体105(如由镍钛合金制成)以及FBG光纤103或104，该光纤具有附于本体105上的1mm长光栅。各力传感器10的本体105分别附于所述两个TSM的鞘101远端。TSM和所附力传感器10均由外径为4.4mm的外管24覆盖。每一力传感器10的本体105插入直径为2mm的阶梯孔26，该阶梯孔具有位于远端的腱出口27，该腱出口27在夹钳20本体结构23上的直径为0.5mm。鞘101与本体105直接连接，为了确保与本体105的良好接触，鞘101的1mm长的一段设于阶梯孔26内。
图9所示为一体式夹钳20设置于内窥镜90内时可采用的设置方式。如此，本公开内容的力传感器10可应用于具有一个或多个腱-鞘驱动机构的手术机器人，用于远端作用力感测以及温度补偿功能。类似地，当与近端装置结合为一体时，力传感器10还可用于从近端获得触觉反馈。需要注意的是，上述所有尺寸仅出于例示目的，并且可根据不同应用的可能要求发生变化。
在力传感器10的其他应用实施方式中，如图10a和图10b所示，腱致动机构可包括连续型机器人200以及设于该连续型机器人200上的力传感器10。连续型机器人200由腱驱动机构腱致动，该腱驱动机构与力传感器10集成，并设有夹钳20等末端执行器20。如以上结合图7和图8所述，夹钳20可本身设有一个或多个力传感器10。在图10a和图10b示例中，连续型机器人200包括：外径为16mm且由腱102穿过的多个盘体208；含外径为1.59mm的镍钛合金管的超高弹性脊型结构211，腱102的外径为0.3mm且穿过各盘体208，每条腱102均终止于终端结构209；以及致动器壳体201，各盘体208和腱102自该致动器壳体延伸而出。连续型机器人200设有两条通道210，每条通道210包括设于所述多个盘体208内的一系列直径为4.4mm的通孔，以为末端执行器20提供穿过盘体208的空间。需要注意的是，上述所有尺寸仅出于例示目的，并且可根据不同应用可能存在的要求发生变化。
在本实施方式中，连续型机器人200具有如图10b所示的两段200a和200b，第一段200a具有两个自由度(2-DOF)，第二段200b也具有两个自由度。腱102共有八条，而且在驱动下进行四自由度运动。八条腱102中的四条终于第一段200a的末端，而剩余四条腱102继续穿过第二段200b。任何连续型机器人的段数以及腱数不限于二，而且在其他实施方式(未图示)中可大于二。力传感器10通过将每一该力传感器10的本体105作为在终端结构209紧邻处设于终端结构209与盘体208L之间的管状结构而与机器人200集成，以检测每条腱102上的远端作用力。所述终端结构的外径可以为2.5mm，或具有大于本体105外直径的任何其他合适直径。盘体208的边缘上设有狭槽212，以供FBG光纤103从其中穿过。
在上述连续型机器人200实施方式中，力传感器10可用于提供连续型机器人200内任何目标腱102的远端触觉反馈，即使是末端处于第一段200a远端的腱102。图11为连续型机器人200的腱102被拉动时的受力分析示意图。在腱102拉伸的作用下，最后一个盘体208L与终端结构209之间的管状结构105受到压缩，而且该压缩力等于上述腱102的拉伸力。FBG光纤103采集并传输FBG段107a在管状结构105压缩作用下所产生的应变变化量，以用于获得腱102拉伸力。FBG光纤103可由双FBG阵列光纤(未图示)替代，以进一步提供温度补偿功能。作为替代方案，也可使用非温度依赖性FBG光纤。通过这种方式，本公开内容的力传感器10还可应用于具有腱驱动机构的柔性机器人，以用于远端作用力感测且具有温度补偿功能。
在其他实施方式中，力传感器10的本体105也可不包括上述示例中描述的管状结构，而是包括如图12所示的梁型105a或壳型(如一段长度的圆柱体)105b等其他结构，该结构设有供腱驱动柔性机器人的腱穿过的通孔109，以实现触觉反馈。
在其他例示用途的构造中，力传感器10也可不设于TSM的鞘的一端，而是设置为使得力传感器10本体105位于两个鞘101a和101b之间。如此，可认为能够实现进一步小型化，而且进一步减小传感器的长度限制。如图13所示，管状结构形式的力传感器10本体105设于两个鞘101a和101b之间，而本体105和鞘101a，101b具有相似的尺寸和中空构造。在如图13a所示的一种示例中，单根FBG光纤103的第一(并且为唯一的)FBG段107a以合适的环氧树脂106(如EPO-TEK 353ND)粘贴至管状结构105上，而且本体105中央设置光栅区域107a。通过拉动腱102，鞘101a，101b和本体105彼此发生物理接触。通过作用力的传递，腱102上拉伸力与鞘101a和101b上压缩力之间的相等关系仍然成立。在如图13b所示的另一示例中，力传感器10包括双阵列FBG光纤104，该光纤具有附于本体105上的第一FBG段107a，以及不附于腱致动机构任何部分上且用于抵消温度交叉敏感度的无应变第二FBG段107b。作为替代方案，也可使用非温度依赖性FBG光纤(未图示)。
在图13所示构造中，TSM易于组装成力传感器10，并易于拆解。除此之外，管状结构105的位置可根据TSM的用途自由确定。此类构造在系统涉及多个TSM时为优选构造，其原因在于管状结构105可设置于不同鞘101a和101b的相互分离的位置上，以防止多个力传感器10之间产生接触冲突。此外，当接触牢固性为优先考虑因素时，管状结构105可激光焊接在鞘101a和101b上。需要注意的是，焊接并非将管状结构105固定在鞘101a和101b上的唯一方式，还可替代性地使用粘合剂等其他结合方式。
由此可见，以上所述的本力传感器10为柔性内窥机器人提供一种与一个或多个光纤布拉格光栅(FBG)集成且可选带有温度补偿功能的微型力传感器。除了具有腱-鞘驱动机构的内窥机器人之外，本公开内容的力传感器10还可用于检测腱驱动连续型机器人的远端触觉信息。除了远端作用力感测之外，力传感器10还可用于获得机构近端或中间的触觉反馈。
在TSM的触觉感测方面，本力传感器10对鞘101上的压缩力进行测量，从而能够获得与该鞘101上的压缩力相等的腱102上的拉伸力。在所实施的实验中，已经证实腱-鞘机构相同横截面上的鞘101上的压缩力与腱102上的拉伸力大小相等。相应验证实验结果示于图3。
与将传感器直接安装于末端执行器上的情形相比，通过测量经由传动机构(如TSM或连续型机器人)施加在末端执行器(如夹钳)上的总作用力，本力传感器10避免可进行作用力解耦的问题。如此，本力传感器在无需对末端执行器上不同方向的作用力以及腱的伸长和弯曲进行解耦的同时，可实现TSM的小巧集成结构、布线简单性、电气上的无源性以及与MRI的兼容性。因此，本力传感器具有尺寸小巧、灵敏度和分辨率高、允许拆卸、能够多机构转移、温度补偿、具有柔性、易于制造、允许消毒等优点。本力传感器可用于各种TSM驱动或腱驱动系统，如机械手指/机械手、可穿戴设备、外科导管以及康复设备。
虽然上文中对本发明例示实施方式进行了描述，但是本领域技术人员能够理解的是，在不脱离本发明的情况下，还可在设计、构造和/或操作的细节方面进行多种方式的变更和组合。例如，虽然以上将力传感器描述为设有一个或多个FBG应变传感器，而且FBG所检测的本体中的应变能够与腱致动机构的腱穿过部分在本体上施加的压缩力相关联，但是在该力传感器的替代实施方式中，本体上的压缩力也可由MEMS(微机电系统)力传感器或MEMS应变传感器等能够使所检测的应变与本体上的压缩力大小相关联的其他传感器检测。
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Claims (14)

1.一种力传感器，用于腱致动机构，其特征在于，该力传感器包括：
本体，该本体具有供所述腱致动机构的腱穿过的通孔，该本体用于与所述腱致动机构的被所述腱穿过的部分连接；以及
传感器，该传感器设于所述本体上；
其中，响应于通过拉动所述腱而导致的沿所述腱的轴向的拉伸力，所述本体能够被纵向压缩；
其中，所述传感器用于获得由所述本体的纵向压缩而导致的沿所述本体的纵向的压缩力；
其中，所述压缩力与所述拉伸力相当，从而能够基于沿所述本体的纵向的所述压缩力，测量沿所述腱的轴向的所述拉伸力。
2.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述传感器包括光纤，该光纤具有附于所述本体上的第一光纤布拉格光栅段，该第一光纤布拉格光栅段所传输的光的波长偏移量与沿所述本体的纵向的所述压缩力是可直接关联的。
3.如权利要求2所述的力传感器，其特征在于，所述光纤具有第二光纤布拉格光栅段，在使用时，该第二光纤布拉格光栅段不附于所述腱致动机构的任何部分上，该第二光纤布拉格光栅段所传输的光的波长偏移量与该第二光纤布拉格光栅段经受的温度差是可直接关联的。
4.如权利要求2所述的力传感器，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅段附于所述本体的外表面上。
5.如权利要求2所述的力传感器，其特征在于，所述第一光纤布拉格光栅段的光栅长度小于或等于1mm。
6.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述本体由可变形材料制成。
7.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述本体设有镂空结构，以改善所述本体的柔性。
8.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述本体包括管状结构。
9.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述腱致动机构包括腱-鞘机构，所述腱致动机构的所述部分包括所述腱-鞘机构的鞘，所述本体以共线方式附于所述鞘上。
10.如权利要求9所述的力传感器，其特征在于，所述腱-鞘机构的所述部分包括所述腱-鞘机构的至少两个鞘，所述力传感器的所述本体设于所述至少两个鞘之间。
11.如权利要求1所述的力传感器，其特征在于，所述腱致动机构包括连续型机器人，该连续型机器人包括多个盘体和穿过所述多个盘体的若干腱，所述若干腱中的至少一部分腱当中的每一条均终止于终端结构内，对于所述若干腱中终止于所述终端结构内的至少一条腱，所述力传感器的所述本体设于所述终端结构和紧邻所述终端结构的盘体之间。
12.一种确定腱致动机构上作用力的方法，其特征在于，该方法包括：
a)将力传感器设于所述腱致动机构的被该腱致动机构的腱穿过的部分上，所述力传感器包括本体和设于所述本体上的传感器；
b)将所述腱穿过所述本体的通孔；
c)通过拉动所述腱而产生沿所述腱的轴向的拉伸力；
d)响应于所述拉伸力，将所述本体纵向压缩；以及
e)以所述传感器获得由所述本体的纵向压缩而导致的沿所述本体的纵向的压缩力，其中所述压缩力与所述拉伸力相当；
f)基于沿所述本体的纵向的所述压缩力，测量沿所述腱的轴向的所述拉伸力。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述传感器包括光纤，该光纤具有附于所述本体上的第一光纤布拉格光栅段，步骤e)包括：获得所述第一光纤布拉格光栅段所传输的光的波长偏移量，并将该第一光纤布拉格光栅段所传输的光的波长偏移量与沿所述本体的纵向的所述压缩力的大小相关联。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
g)提供不附于所述腱致动机构的任何部分上的第二光纤布拉格光栅段；
h)获得该第二光纤布拉格光栅段所传输的光的波长偏移量；
i)将该第二光纤布拉格光栅段所传输的光的波长偏移量与该第二光纤布拉格光栅段经受的温度差相关联；以及
j)以所述第二光纤布拉格光栅段所传输的光的波长偏移量抵消所述第一光纤布拉格光栅段所传输的光的波长偏移量，以补偿所述第一光纤布拉格光栅段经受的温度差。
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