CN113188703A - 一种三维力传感器及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三维力传感器及测量方法，包括底座、中心柱、应变弹性体、贴片温度传感器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅，将第一光纤光栅、第二光纤光栅分别设置在相垂直的两个水平梁上，第三光纤光栅设置在中心柱的侧面上，中心柱的底面垂直固定在底座的中心，中心柱与内圆环之间间隙配合，三个光纤光栅分别测量三个方向上的力，实现了外科医生在使用微创外科手术机器人时的力觉感知。并且在中心柱的顶面上设置贴片温度传感器，测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度，从而可以准确得知第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅只在应变下的中心波长漂移量，提高了三维方向上力的测量的准确性。
Description
技术领域
本发明涉及多维力传感技术领域，特别是涉及一种三维力传感器及测量方法。
背景技术
微创手术中手术机器人在外科医生的操作下对病患病人进行手术。医生在操作主手运动的时候，控制系统可以采集主手的位置信息并将该位置信息传递给从手系统，从而驱动从手完成相应的手术操作。视觉反馈系统则为医生提供手术过程中的图像信息。而现有临床应用的机器人手术器械均无交互力测量功能，操作者在手术过程中无法感知交互力，力信息的缺失很容易导致医疗事故的发生。
发明内容
本发明的目的是提供一种三维力传感器及测量方法，以解决外科医生在使用微创外科手术机器人时的力觉临场感缺失问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种三维力传感器，所述力传感器包括：底座、中心柱、应变弹性体、贴片温度传感器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅；
应变弹性体包括外圆环、内圆环和平面应变梁；所述平面应变梁包括四个水平梁，四个水平梁呈十字型结构布置；四个水平梁的一端均与所述外圆环的内壁连接，四个水平梁的另一端均与所述内圆环的外壁连接；所述外圆环通过螺纹连接的方式安装在机器人的关节部位上；
所述中心柱的底面垂直固定在所述底座的中心，所述中心柱的顶面从所述内圆环的中部穿过，且所述中心柱与所述内圆环之间间隙配合；
所述贴片温度传感器设置在所述中心柱的顶面上；所述贴片温度传感器用于测量所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅所在的环境温度；
所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅分别设置在平面应变梁的相垂直的两个水平梁上，所述第三光纤光栅设置在所述中心柱的侧面上；所述第一光纤光栅用于测量第一维方向上的力，所述第二光纤光栅用于测量第二维方向上的力，所述第三光纤光栅用于测量第三维方向上的力。
进一步地，所述外圆环、所述内圆环和所述平面应变梁为一体结构且采用弹性材料制成，所述中心柱的材料也为弹性材料。
进一步地，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅分别粘贴于相垂直的两个水平梁的上表面且靠近内圆环。
进一步地，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅通过光纤依次连接。
进一步地，所述力传感器还包括：上端盖；
所述上端盖卡紧在所述外圆环的内壁中；
所述上端盖开设一通孔，所述光纤的首端和尾端均穿过所述通孔与外部解调设备相连。
进一步地，所述力传感器还包括：外壳；
所述外壳固定在所述外圆环与所述底座之间。
进一步地，所述底座上开设螺纹孔，所述底座通过所述螺纹孔安装在机器人的关节部位上。
一种三维力传感器测量方法，应用于前述的三维力传感器，所述方法包括：
通过三维力传感器的贴片温度传感器测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度；
根据所述环境温度，计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量；所述发生弹性形变的结构上的光纤光栅为第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅中的其中一个、两个或三个；所述发生弹性形变的结构为相垂直的两个水平梁、中心柱中的其中一个、两个或三个；
根据发生弹性形变的结构上的光纤光栅的中心波长偏移量与所述第一中心波长偏移量的差值，计算发生弹性形变的结构上的光纤光栅所对应维度方向上的力。
进一步地，根据所述环境温度，计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量，具体包括：
根据所述环境温度，利用公式
计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量；
其中，T为环境温度，T0为初始温度，KT为发生弹性形变的结构上的光纤光栅的温度灵敏度，Δλ1为第一中心波长漂移量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种三维力传感器，将第一光纤光栅、第二光纤光栅分别设置在平面应变梁的相垂直的两个水平梁上，第三光纤光栅设置在中心柱的侧面上，中心柱的底面垂直固定在底座的中心，中心柱与内圆环之间间隙配合，第一光纤光栅测量第一维方向上的力，第二光纤光栅测量第二维方向上的力，第三光纤光栅测量第三维方向上的力，实现了外科医生在使用微创外科手术机器人时的力觉感知。并且在中心柱的顶面上设置贴片温度传感器，测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度，从而可以准确得知第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅只在应变下的中心波长漂移量，提高了三维方向上力的测量的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种三维力传感器的爆炸图；
图2为本发明提供的一种三维力传感器的组合图；
图3为本发明提供的一种三维力传感器测量方法的流程图；
符号说明：1-底座，2-中心柱，3-应变弹性体，4-上端盖，5-外壳，6-通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种三维力传感器及测量方法，以解决外科医生在使用微创外科手术机器人时的力觉临场感缺失问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供了一种三维力传感器，如图1所示，力传感器包括：底座1、中心柱2、应变弹性体3、贴片温度传感器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅。
应变弹性体3包括外圆环、内圆环和平面应变梁；平面应变梁包括四个水平梁，四个水平梁呈十字型结构布置；四个水平梁的一端均与外圆环的内壁连接，四个水平梁的另一端均与内圆环的外壁连接；外圆环通过螺纹连接的方式安装在机器人的关节部位上。
中心柱2的底面垂直固定在底座1的中心，中心柱2的顶面从内圆环的中部穿过，且中心柱2与内圆环之间间隙配合。
贴片温度传感器设置在中心柱2的顶面上；贴片温度传感器用于测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度。
第一光纤光栅、第二光纤光栅分别设置在平面应变梁的相垂直的两个水平梁上，第三光纤光栅设置在中心柱2的侧面上；第一光纤光栅用于测量第一维方向上的力，第二光纤光栅用于测量第二维方向上的力，第三光纤光栅用于测量第三维方向上的力。
光纤光栅是利用光纤材料的光敏性在细微的纤芯上刻写的周期性折射率调制栅格，以宽带光为感知和传输信号，具有对电磁绝缘、抗电磁干扰、可耐高低温、测量精度高、长期使用可靠性高、单根光纤可串联在多个不同中心波长的光栅而形成分布式测量等独特优势。且光纤光栅具有体积小，化学性能稳定的特点，可满足手术器械结构小巧，需反复消毒等特殊要求。
在传感器特定位置粘贴光纤光栅，利用光纤光栅波长漂移量作为输出来检测三维力。优选地，构建三维坐标系，x轴(第一维方向)、y轴(第二维方向)为相垂直的两个水平梁的延伸方向，z轴(第三维方向)为中心柱2的轴向。
其中，外圆环、内圆环和平面应变梁为一体结构且采用弹性材料(例如弹性铝合金)制成，中心柱的材料也为弹性材料。
第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅通过光纤依次连接。
三维力传感器还包括：上端盖4。上端盖4卡紧在外圆环的内壁中；上端盖4开设一通孔6，光纤的首端和尾端均穿过通孔6与外部解调设备相连。如图2所示，上端盖4上还开设一螺纹孔，上端盖4通过螺纹孔与机器人的关节部门进行固定连接。
三维力传感器还包括：外壳5。外壳5固定在外圆环与底座1之间。
底座1上开设螺纹孔，底座1通过螺纹孔安装在机器人的关节部位上。
第一光纤光栅和第二光纤光栅分别粘贴于相垂直的两个水平梁的上表面且靠近内圆环。
本发明的三维力传感器测量原理如下：
多维力传感器固定在手术机器人的关节部位上，中心柱2随着手术机器人关节部位的受力而发生移动，由于中心柱2与应变弹性体3的内圆环之间间隙配合，当中心柱2受到x轴方向或y轴方向上的力时，中心柱2与内圆环接触，将力传递给应变弹性体3，应变弹性体3沿着x轴方向或y轴方向发生弹性形变，使第一光纤光栅或第二光纤光栅的中心波长发生漂移；当中心柱2受到z轴方向上的力时，中心柱2与应变弹性体3的内圆环之间不接触，只有第三光纤光栅的中心波长发生漂移。
当x方向力Fx作用于中心柱2时，第一光纤光栅的中心波长发生漂移，结合贴片温度传感器测量的此时的温度而获得的第一中心波长漂移量，将第一光纤光栅的中心波长发生的总漂移量减去第一中心波长漂移量作为应变引起的波长偏移量，从而根据应变引起的波长漂移量获得Fx的大小。
当y方向力Fy作用于中心柱2时，第二光纤光栅的中心波长发生漂移，结合贴片温度传感器测量的此时的温度而获得的第一中心波长漂移量，将第二光纤光栅的中心波长发生的总漂移量减去第一中心波长漂移量作为应变引起的波长偏移量，从而根据应变引起的波长漂移量获得Fy的大小。
当z方向力Fz作用于中心柱2时，第三光纤光栅的中心波长发生漂移，结合贴片温度传感器测量的此时的温度而获得的第一中心波长漂移量，将第三光纤光栅的中心波长发生的总漂移量减去第一中心波长漂移量作为应变引起的波长偏移量，从而根据应变引起的波长漂移量获得Fz的大小。
一种三维力传感器测量方法，如图3所示，应用于前述的三维力传感器，方法包括：
S101，通过三维力传感器的贴片温度传感器测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度；
S102，根据环境温度，计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在环境温度下所产生的第一中心波长漂移量；发生弹性形变的结构上的光纤光栅为第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅中的其中一个、两个或三个；发生弹性形变的结构为相垂直的两个水平梁、中心柱中的其中一个、两个或三个；
S102，具体包括：
根据环境温度，利用公式
计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在环境温度下所产生的第一中心波长漂移量；
其中，T为环境温度，T0为初始温度，KT为发生弹性形变的结构上的光纤光栅的温度灵敏度(第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅的温度灵敏度相同)，Δλ1为第一中心波长漂移量。
S103，根据发生弹性形变的结构上的光纤光栅的中心波长偏移量与第一中心波长偏移量的差值，计算发生弹性形变的结构上的光纤光栅所对应维度方向上的力。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种三维力传感器，其特征在于，所述力传感器包括：底座、中心柱、应变弹性体、贴片温度传感器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅；
应变弹性体包括外圆环、内圆环和平面应变梁；所述平面应变梁包括四个水平梁，四个水平梁呈十字型结构布置；四个水平梁的一端均与所述外圆环的内壁连接，四个水平梁的另一端均与所述内圆环的外壁连接；所述外圆环通过螺纹连接的方式安装在机器人的关节部位上；
所述中心柱的底面垂直固定在所述底座的中心，所述中心柱的顶面从所述内圆环的中部穿过，且所述中心柱与所述内圆环之间间隙配合；
所述贴片温度传感器设置在所述中心柱的顶面上；所述贴片温度传感器用于测量所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅所在的环境温度；
所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅分别设置在平面应变梁的相垂直的两个水平梁上，所述第三光纤光栅设置在所述中心柱的侧面上；所述第一光纤光栅用于测量第一维方向上的力，所述第二光纤光栅用于测量第二维方向上的力，所述第三光纤光栅用于测量第三维方向上的力。
2.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述外圆环、所述内圆环和所述平面应变梁为一体结构且采用弹性材料制成，所述中心柱的材料也为弹性材料。
3.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅分别粘贴于相垂直的两个水平梁的上表面且靠近内圆环。
4.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅通过光纤依次连接。
5.根据权利要求4所述的三维力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括：上端盖；
所述上端盖卡紧在所述外圆环的内壁中；
所述上端盖开设一通孔，所述光纤的首端和尾端均穿过所述通孔与外部解调设备相连。
6.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述力传感器还包括：外壳；
所述外壳固定在所述外圆环与所述底座之间。
7.根据权利要求1所述的三维力传感器，其特征在于，所述底座上开设螺纹孔，所述底座通过所述螺纹孔安装在机器人的关节部位上。
8.一种三维力传感器测量方法，其特征在于，应用于权利要求1-7任一项所述的三维力传感器，所述方法包括：
通过三维力传感器的贴片温度传感器测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度；
根据所述环境温度，计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量；所述发生弹性形变的结构上的光纤光栅为第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅中的其中一个、两个或三个；所述发生弹性形变的结构为相垂直的两个水平梁、中心柱中的其中一个、两个或三个；
根据发生弹性形变的结构上的光纤光栅的中心波长偏移量与所述第一中心波长偏移量的差值，计算发生弹性形变的结构上的光纤光栅所对应维度方向上的力。
9.根据权利要求8所述的三维力传感器测量方法，其特征在于，根据所述环境温度，计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量，具体包括：
根据所述环境温度，利用公式
计算三维力传感器中发生弹性形变的结构上的光纤光栅在所述环境温度下所产生的第一中心波长漂移量；
其中，T为环境温度，T0为初始温度，KT为发生弹性形变的结构上的光纤光栅的温度灵敏度，Δλ1为第一中心波长漂移量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210730 |