CN113967038B - 具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，外壳内设有依次连接的旋转连接器、联轴器、驱动电机和光纤光栅多维力/力矩传感器和夹具；外壳的后端连接有尾线；外壳的前端设有通过夹具夹紧的刀具；驱动电机用于通过光纤光栅多维力/力矩传感器和夹具带动刀具旋转，进行切削手术操作；光纤光栅多维力/力矩传感器将感知到的切削力信息通过光纤传出，旋转连接器用于将旋转中的光纤中的光信号传输到静止平台；在刀具切削时传感器的弹性体变形造成光纤的应变，引起光纤光栅中心波长的漂移，从而感知所述的切削力信息。本发明提出两种特定结构分别为双层立柱式和锥形六柱式光纤光栅多维力传感器，适用于多维切削力检测。

Description

具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，具体涉及一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器。
背景技术
神经外科手术中，开颅手术需要在不损伤相邻软组织的条件下，从颅骨中取出骨瓣，治疗颅内胶质瘤、颅内损伤等；骨外科手术中，全膝关节置换手术，髋关节置换手术等需要保证骨骼表面的平面度，完成关节置换。这些手术均需要对骨骼进行直接的切削加工，铣削和钻孔作为切削骨骼的常用手术方式，依赖经验丰富的医生，且耗费大量的时间和体力，对骨骼操作过程中的轻微失误会产生较大的切削力，不仅容易导致骨骼产生裂纹、骨质疏松，还会影响周围骨组织及神经组织的正常功能，危害患者健康。因此需要实时检测手术器械末端切削力的大小，这既可以确保器械提供足够力和扭矩完成切削任务，又可以提高手术的安全性。集成有多维力传感器的手术器械可以有效实现器械末端的切削力检测，研究人员根据不同的传感原理，发展了基于电阻应变原理、压电效应、电容感应等电类多维力传感器，但传统的电类多维力传感器易受到电磁干扰，且存在布线复杂，容易出现维间耦合严重等问题，不适用于强电磁干扰的手术室内。
光纤光栅传感器相较于电类传感器可以有效避免电磁干扰，且具有尺寸小，可以分布式监测等优势，便于集成到手术器械上，应用于环境复杂的手术室内。但已有的针对手术器械末端力检测的光纤光栅传感器多为低维力传感器，且往往存在性能不能兼顾的问题。为此设计出能集成到手术器械上，兼具高灵敏度、高固有频率、低维间耦合误差、灵敏度各向同性的高性能光纤光栅多维力传感器，对于提高手术效率、保证手术安全，是必不可少的。
发明内容
本发明主要目的在于：提供一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，适用于多维切削力检测，且便于安装。
本发明所采用的技术方案是：一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，本操作器包括外壳，外壳内设有依次连接的旋转连接器、联轴器、驱动电机和双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器和夹具；
外壳的后端连接有尾线，用于引出光纤和其它线缆；
外壳的前端设有通过夹具夹紧的刀具，刀具的尾部与所述双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器连接；驱动电机用于通过双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器和夹具带动刀具旋转，进行切削手术操作；双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器将感知到的切削力信息通过光纤传出，旋转连接器用于将旋转中的光纤中的光信号传输到静止平台；
双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器包括依次连接的钻头连接器、上立柱、连接环、下立柱和机身连接器，以及穿设在其中的光纤光栅组件；其中，上立柱、连接环和下立柱均为弹性体；钻头连接器用于通过所述夹具与刀具固定连接；上立柱为若干个扇环形截面的上立柱，位于钻头连接器和连接环之间，相邻上立柱均匀分布，上立柱中心设有用于放置光纤的空腔；下立柱为若干个扇环形截面的下立柱，每个下立柱中心开有用于放置光纤空腔，相邻下立柱均匀分布在连接环与机身连接器之间，下立柱与上立柱均匀错开；机身连接器由驱动电机驱动旋转，并带动刀具同步旋转；所述的光纤光栅组件包括一根光纤，光纤的头部位于机身连接器中，并依次穿过相邻两个下立柱之间的空隙、连接环、一个上立柱的空腔后穿出，通过钻头连接器内部空腔后，依次穿过相邻两个上立柱之间的空隙、连接环、一个下立柱的空腔后穿出，通过机身连接器内部空腔后再穿入下一个上立柱的空腔，如此往复，直至穿过所有的上立柱和下立柱，最后经机身连接器内部空腔引出，穿过旋转连接器到尾线；光纤与机身连接器上表面接触位置、从上立柱空腔穿出位置、与钻头连接器内部空腔穿出位置、以及与下立柱空腔穿出位置，均固定；光纤上依次刻有与上下立柱个数之和等数的光纤光栅，分别悬置于上立柱和下立柱的空腔中，在刀具切削时造成弹性体的变形而引起光纤产生应变，从而引起光纤光栅中心波长的漂移，从而感知所述的切削力信息。
按上述方案，所述的上立柱和下立柱各为4个，相邻的上立柱之间间隔90°，相邻的上、下立柱之间错开45°，所述的光纤光栅个数为8个。
按上述方案，所述连接环为一个圆筒，其内外径与扇环形截面的上立柱、下立柱的内外径均相同；下立柱的扇环形截面对应的圆心角与上立柱的扇环形截面对应的圆心角尺寸通过多目标优化算法确定。
按上述方案，所述的夹具包括相互匹配的ER夹头和夹头螺母。
按上述方案，所述机身连接器包括一段圆柱与一段圆筒，圆柱用于连接下立柱，圆柱内部开有用于光纤走线的空腔，圆筒侧身开有用于连接驱动电机轴的螺纹孔，圆筒外部通过轴承与外壳连接。
按上述方案，所述多目标优化算法为NSGA-III算法，选择上立柱、连接环及下立柱的所有结构尺寸为设计变量，设置传感器尺寸约束与性能约束，根据应用场合需求，选择传感器灵敏度、固有频率、维间耦合误差和灵敏度各项同性为目标函数，使用NSGA-III算法计算Pareto最优解集，从中选择Pareto最优解作为传感器的结构参数尺寸。
一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，本操作器包括外壳，外壳内设有依次连接的旋转连接器、联轴器、驱动电机和锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器和夹具；
外壳的后端连接有尾线，用于引出光纤和其它线缆；
外壳的前端设有通过夹具夹紧的刀具，刀具的尾部与所述锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器连接；驱动电机用于通过锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器和夹具带动刀具旋转，进行切削手术操作；锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器将感知到的切削力信息通过光纤传出，旋转连接器用于将旋转中的光纤中的光信号传输到静止平台；
锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器包括钻头连接器、锥形柱和机身连接器，以及穿设在其中的光纤光栅组件；其中，锥形柱为弹性体；钻头连接器用于通过所述夹具与刀具固定连接；锥形柱包括若干个截面为扇环形的斜柱，每个斜柱中心开有用于放置光纤的空腔，所有斜柱沿传感器轴线周向均匀分布，每个斜柱与传感器轴线的夹角相同；机身连接器由驱动电机驱动旋转，并带动刀具同步旋转；所述的光纤光栅组件包括一根光纤，光纤的头部位于机身连接器中，并从一个斜柱中的空腔穿至钻头连接器内部再从下一个斜柱穿回机身连接器，如此往复，直至穿过所有的斜柱，最后经机身连接器内部空腔引出，穿过旋转连接器到尾线；光纤与机身连接器上表面接触位置、与钻头连接器内部空腔穿出位置，均固定；光纤上依次刻有与斜柱相等数量的光纤光栅，分别悬置于斜柱的空腔的中心，在刀具切削时造成弹性体的变形而引起光纤产生应变，从而引起光纤光栅中心波长的漂移，从而感知所述的切削力信息。
按上述方案，所述斜柱的数量为6个，每个斜柱的扇环形截面对应的圆心角相同。
按上述方案，所述锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器的尺寸通过多目标优化算法确定，所述多目标优化算法为NSGA-III算法，选择斜柱的截面尺寸、斜柱与水平面夹角、以及斜柱的垂直高度为设计变量，设置传感器尺寸约束与性能约束，根据应用场合需求，选择传感器灵敏度、固有频率、维间耦合误差和灵敏度各项同性为目标函数，使用NSGA-III算法计算Pareto最优解集，从中选择Pareto最优解作为传感器的结构参数尺寸。
本发明产生的有益效果是：
1、通过采用特定结构的传感器，当刀具切削操作时受到外界六维力/力矩作用，使得传感器中的光纤光栅产生相应的中心波长偏移，从而换算得到切削力信息，适用于多维切削力检测；传感器中只采用一根刻有多个光纤光栅的光纤，有效减少了光纤的数量，便于集成和安装。
2、尺寸通过多目标优化算法确定，具有高灵敏度，高固有频率，低维间耦合误差，灵敏度各向同性的优点，对于微小力有精确的检测能力。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例一中智能微创操作器的结构示意图。
图2是本发明实施例一中双层立柱式光纤光栅六维力/力矩传感器的轴测图。
图3是本发明实施例一中光纤在传感器内部的布置方式示意图。
图4是本发明实施例一中传感器弹性体初始状态图和受Fx作用后的变形图。
图5是本发明实施例一中传感器受Fz作用时的受力分析图。
图6是本发明实施例一中传感器受Mx作用时的受力分析图。
图7是本发明实施例一中传感器受Mz作用时的受力分析图。
图8是本发明实施例一中传感器弹性体的结构参数图。
图9是本发明实施例二中智能微创操作器的结构示意图。
图10是本发明实施例二中锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器的轴测图。
图11是本发明实施例二中光纤在传感器内部的布置方式示意图。
图12是本发明实施例二中斜柱的结构示意图。
图13是本发明实施例二中传感器受Fx作用时的变形情况示意图。
图14是本发明实施例二中传感器受Fy作用时的变形情况示意图。
图15是本发明实施例二中传感器受Mx作用时的变形情况示意图。
图16是本发明实施例二中传感器受My作用时的变形情况示意图。
图中：1-尾线，2-旋转连接器，3-联轴器，4-驱动电机，5-外壳，6-轴承，7-双层立柱式光纤光栅六维力/力矩传感器，8-光纤，9-夹具，10-刀具，11-锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器；701-钻头连接器，702-上立柱，703-连接环，704-下立柱，705-机身连接器；7021第一上立柱，7022-第二上立柱，7023-第三上立柱，7024-第四上立柱，7041-第一下立柱，7042-第二下立柱，7043-第三下立柱，7044-第四下立柱，801-第一斜柱，802-第二斜柱，803-第三斜柱，804-第四斜柱，805-第五斜柱，806-第六斜柱；1101-钻头连接器，1102-锥形柱，1103-机身连接器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一：
如图1所示，本实施例提供一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，包括外壳5，外壳5内设有依次连接的旋转连接器2、联轴器3、驱动电机4和双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器7和夹具9；外壳5的后端连接有尾线1，用于引出光纤8和其它线缆。所述外壳5用于包装内部的装置，其由两部分组成，通过螺栓连接组成一个整体。所述轴承6为滚动轴承，外部与外壳5固定，内部与双层立柱式光纤光栅六维力/力矩传感器7连接。
外壳5的前端设有通过夹具9夹紧的刀具10，刀具10的尾部与所述双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器7连接；驱动电机4用于通过双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器7和夹具9带动刀具10旋转，进行切削手术操作；双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器7将感知到的切削力信息通过光纤8传出，旋转连接器2用于将旋转中的光纤8中的光信号传输到静止平台。
如图2和图3所示，双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器7包括依次连接的钻头连接器701、上立柱702、连接环703、下立柱704和机身连接器705，以及穿设在其中的光纤光栅组件；其中，上立柱702、连接环703和下立柱704均为弹性体；钻头连接器701用于通过所述夹具9与刀具10固定连接；上立柱702为若干个扇环形截面的上立柱，位于钻头连接器701和连接环703之间，相邻上立柱702均匀分布，上立柱702中心设有用于放置光纤8的空腔；下立柱704为若干个扇环形截面的下立柱，每个下立柱704中心开有用于放置光纤8的空腔，相邻下立柱704均匀分布在连接环703与机身连接器705之间，下立柱704与上立柱702均匀错开；机身连接器705通过螺栓与所述驱动电机4连接，由驱动电机4驱动旋转，并带动刀具10同步旋转；所述的光纤光栅组件包括一根光纤8，光纤8的头部位于机身连接器705中，并依次穿过相邻两个下立柱704之间的空隙、连接环703、一个上立柱702的空腔后穿出，通过钻头连接器701内部空腔后，依次穿过相邻两个上立柱702之间的空隙、连接环703、一个下立柱704的空腔后穿出，通过机身连接器705内部空腔后再穿入下一个上立柱702的空腔，如此往复，直至穿过所有的上立柱702和下立柱704，最后经机身连接器705内部空腔引出，穿过旋转连接器2到尾线1；光纤8与机身连接器705上表面接触位置、从上立柱702空腔穿出位置、与钻头连接器701内部空腔穿出位置、以及与下立柱704空腔穿出位置，均固定，本实施例采用胶固定；光纤8上依次刻有与上下立柱个数之和等数的光纤光栅，分别悬置于上立柱702和下立柱704的空腔中，在刀具切削时造成弹性体的变形而引起光纤8产生应变，从而引起光纤光栅中心波长的漂移，从而感知所述的切削力信息。
本实施例中，所述的上立柱702和下立柱704各为4个，相邻的上立柱702之间间隔90°，相邻的上、下立柱之间错开45°，所述的光纤光栅个数为8个。
本实施例中，所述连接环703为一个圆筒，其内外径与扇环形截面的上立柱702、下立柱704的内外径均相同；下立柱704的扇环形截面对应的圆心角与上立柱702的扇环形截面对应的圆心角尺寸通过多目标优化算法确定。
本实施例中，所述的夹具9包括相互匹配的ER夹头和夹头螺母。
本实施例中，所述机身连接器705包括一段圆柱与一段圆筒，圆柱用于连接下立柱704，圆柱内部开有用于光纤8走线的空腔，圆筒侧身开有用于连接驱动电机轴的螺纹孔，圆筒外部通过轴承6与外壳5连接。
本实施例中，所述光纤8包括一根刻有八个光纤光栅的光纤，其布置情况如图3所示，光纤头部在第一上立柱7021下方的机身连接器705的圆柱空腔内，光纤8从下往上穿过第一上立柱7021，光纤与上立柱顶端用胶固定，光纤8与机身连接器705上表面接触位置用胶固定，第一光纤光栅在这段光纤中部；光纤从第一上立柱7021上方穿出，通过钻头连接器701内部空腔垂直进入第四下立柱7044空腔，光纤8与第四下立柱7044底部用胶固定，光纤8与钻头连接器701下表面接触位置用胶固定，第八光纤光栅在这段光纤中部；光纤8从第四下立柱7044底部穿出，通过机身连接器705内部空腔垂直进入第四上立柱7024空腔，光纤8与第四上立柱7024顶部用胶固定，光纤8与机身连接器705上表面接触位置用胶固定，第四光纤光栅在这段光纤中部；光纤8从第四上立柱7024上方穿出，通过钻头连接器701内部空腔垂直进入第三下立柱7043空腔，光纤与第三下立柱7043底部用胶固定，光纤8与钻头连接器701下表面接触位置用胶固定，第七光纤光栅在这段光纤中部；光纤8从第三下立柱7043底部穿出，通过机身连接器705内部空腔垂直进入第二上立柱7022空腔，光纤8与第二上立柱7022顶部用胶固定，光纤8与机身连接器705上表面接触位置用胶固定，第二光纤光栅在这段光纤中部；光纤8从第二上立柱7022上方穿出，通过钻头连接器701内部空腔垂直进入第二下立柱7042空腔，光纤8与第二下立柱7042底部用胶固定，光纤8与钻头连接器701下表面接触位置用胶固定，第六光纤光栅在这段光纤中部；光纤8从第二下立柱7042底部穿出，通过机身连接器705内部空腔垂直进入第三上立柱7023空腔，光纤8与第三上立柱7023顶部用胶固定，光纤与机身连接器705上表面接触位置用胶固定，第三光纤光栅在这段光纤中部；光纤8从第三上立柱7023上方穿出，通过钻头连接器701内部空腔垂直进入第一下立柱7041空腔，光纤8与第一下立柱7041底部用胶固定，光纤8与钻头连接器701下表面接触位置用胶固定，第五光纤光栅在这段光纤中部；光纤8从第一下立柱7041底部穿出，通过机身连接器705内部空腔引出，穿过旋转连接器2到尾线1。
本实施例工作原理为：驱动电机4的电机轴通过传感器带动手刀具10旋转，进行切削手术操作，传感器将感知到的切削力信息通过光纤传出，通过分析光纤光栅的中心波长漂移量可以获得切削力的大小。
双层立柱式光纤光栅六维力/力矩传感器的具体工作原理为：传感器的上立柱702，连接环703，下立柱704组成的弹性体初始状态如图4(a)所示，当传感器受到Fx作用时，传感器发生变形，变形情况如图4(b)所示。弹性体部分发生弯曲，右侧的光纤光栅产生压缩，左侧的光纤光栅产生拉伸，根据材料力学知识可以获得弹性体上表面的法线与垂直线之间的夹角α2为：
其中α1为弹性体弯曲后对应的圆心角，E为弹性体材料的弹性模量，Iy为弹性体截面对中性轴y的惯性矩，L1为弹性体的高度。则第一至第八光纤光栅段的光纤产生的伸长量为：
其中S1，S2，S5，S6分别为弹性体变形后的第一，第二，第五，第六光纤光栅段光纤的长度，r1为第一至第八光纤光栅所在圆的半径。
则八根光纤光栅的中心波长漂移量与Fx的关系式为：
其中ρe为光纤的有效弹光系数，λ0为光纤光栅的初始中心波长。
同理，当传感器受到Fy作用时，弹性体发生弯曲，第三和第四光纤光栅分别发生拉伸和压缩，产生大小相同的拉伸应变和压缩应变，第七和第八光纤光栅，与第五和第六光纤光栅分别产生大小相同的压缩和拉伸变形，则八根光纤光栅的中心波长漂移量与Fy的关系式为：
其中Ix为弹性体截面对中性轴x的惯性矩。
当传感器受到Fz作用时，上立柱和下立柱均受到压缩，第一光纤光栅至第八光纤光栅均产生相同的压缩应变。因此取第一下立柱7041的一半与第二下立柱7042的一半，及其之间的小段连接环，和第三上立柱7023分析，如图5(a)所示。对结构进行简化如图5(b)所示，上立柱顶端受到垂直作用力Fz1，分析其顶端的垂直位移，其中Fz1大小为：
根据卡式定理，分别分析上立柱，连接环，下立柱的受力情况，得到上立柱顶部的垂直位移为：
其中为连接环圆弧对应的圆心角，r1为第一光纤光栅至第八光纤光栅所在圆环的半径，l1为上立柱的高度，l3为下立柱的高度，l4为圆心角为45°的连接环长度，E为上立柱，连接环，下立柱材料的弹性模量，A1为上立柱截面的面积，A3为下立柱的截面面积的一半，I2x为图5(c)中连接环截面对中性轴x的惯性矩，I3x为图5(d)中下立柱一半截面对中性轴x的惯性矩，G2为连接环材料的切变模量，I2p为连接环截面的极惯性矩。
上立柱上方的钻头连接器的圆柱体认为是刚体，圆柱体下表面产生垂直方向的位移，大小等于计算的上立柱顶端的位移。则八根光纤光栅的中心波长漂移量与Fz的关系式为：
其中l2为连接环的高度。
当传感器受到Mx作用时，第三上立柱7023和7024分别受到大小为方向相反的作用力，其中/>大小为：
其中r1为第一光纤光栅至第八光纤光栅所在圆的半径。
取第三上立柱7023，第二下立柱7042和7041，及第一上立柱7021和7022之间的连接环分析，如图6(a)所示，受力情况如图6(b)所示，根据卡式定理，对上立柱、连接环及下立柱进行受力分析，得到第三上立柱7023顶部向下垂直位移为：
其中为连接环圆弧对应的圆心角，l1为上立柱的高度，l3为下立柱的高度，l4为圆心角为45°的连接环长度，E为上立柱，连接环，下立柱材料的弹性模量，A1为上立柱截面的面积，A4为下立柱的截面面积，G2为连接环材料的切变模量，I2x为图5(c)中连接环截面对中性轴x的惯性矩，I2p为连接环截面的极惯性矩，I4x为图6(c)中下立柱截面对中性轴x的惯性矩。
则八根光纤光栅的中心波长漂移量与Mx的关系式为：
其中l2为连接环的高度。
同理，当传感器受到My作用时，第一上立柱7021和7022分别产生大小相同的向下和向上的位移，第一下立柱7041和7044，与第二下立柱7042和7043分别产生大小相同的向下和向上的位移，则八根光纤光栅的中心波长漂移量与My的关系式为：
当传感器受到Mz作用时，发生扭转，第一光纤光栅至第八光纤光栅产生相同的应变，因此选取第三上立柱7023，第二下立柱7042的一半与第一下立柱7041的一半，及两个下立柱之间的连接环，进行变形分析，如图7(a)所示。对结构进行简化分析，如图7(b)所示，第三上立柱7023受到切向力F3，其大小为：
根据卡式定理，对上立柱，连接环和下立柱进行受力分析，计算得到第三上立柱7023顶部的水平位移大小为：
其中l1为上立柱的高度，E为上立柱，连接环，下立柱材料的弹性模量，I1y为上立柱截面对图7(c)中性轴y的惯性矩，为连接环的弧长对应的圆心角，A2为连接环的截面面积，r1是为第一至第八光纤光栅所在圆的半径，l3是下立柱的高度，l5是第三上立柱7023截面的中心与第二下立柱7042一半截面的中心之间的连接环的弧长，I2x为图5(c)中连接环截面对中性轴x的惯性矩，I2y为图5(c)中连接环截面对中性轴y的惯性矩，I4y为图7(d)中下立柱一半截面对中性轴y的惯性矩，G3为下立柱材料的切变模量，I3p为下立柱一半截面的极惯性矩。
因此第一光纤光栅至第八光纤光栅受到拉伸，产生的伸长量为：
其中l2为连接环的高度。则八根光纤光栅的中心波长漂移量与Mz的关系式为：
则当传感器受到六维力/力矩作用时，八个光纤光栅中心波长漂移量与六维力/力矩之间的关系为：
其中L1为l1，l2与l3的和。
通过以上的检测方法可以获得传感器在受到的六维力/力矩作用时，八个光纤光栅的波长漂移量信息，通过解耦可以得到Fx，Fy，Fz，Mx，My与的大小，通过对/>进行分析可以得到Mz的大小。
传感器的弹性体部分的尺寸如图8所示。所述双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器7的尺寸通过多目标优化算法确定。所述多目标优化算法为NSGA-III算法，选择上立柱702、连接环703及下立柱704的所有结构尺寸均作为传感器性能优化的设计变量，设置传感器尺寸约束与性能约束，根据应用场合需求，选择传感器灵敏度、固有频率、维间耦合误差和灵敏度各项同性为目标函数，使用NSGA-III算法计算Pareto最优解集，从中选择Pareto最优解作为传感器的结构参数尺寸。
实施例二：
本实施例提供一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，如图9所示，本操作器包括外壳5，外壳5内设有依次连接的旋转连接器2、联轴器3、驱动电机4和锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器11和夹具9；外壳5的后端连接有尾线1，用于引出光纤8和其它线缆；外壳5的前端设有通过夹具9夹紧的刀具10，刀具10的尾部与所述锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器11连接；驱动电机4用于通过锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器11和夹具9带动刀具10旋转，进行切削手术操作；锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器11将感知到的切削力信息通过光纤8传出，旋转连接器2用于将旋转中的光纤8中的光信号传输到静止平台。
所述尾线1、旋转连接器2、联轴器3、驱动电机4、外壳5、轴承6、夹具9和刀具10与实施例一的结构和原理相同。
如图10和11所示，锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器11包括钻头连接器1101、锥形柱1102和机身连接器1103，以及穿设在其中的光纤光栅组件；其中，锥形柱为弹性体；钻头连接器1101用于通过所述夹具9与刀具10固定连接；锥形柱1102包括若干个截面为扇环形的斜柱，每个斜柱中心开有用于放置光纤8的空腔，所有斜柱沿传感器轴线周向均匀分布，每个斜柱与传感器轴线的夹角相同；机身连接器1103由驱动电机4驱动旋转，并带动刀具10同步旋转；所述的光纤光栅组件包括一根光纤8，光纤8的头部位于机身连接器1103中，并从一个斜柱中的空腔穿至钻头连接器1101内部再从下一个斜柱穿回机身连接器1103，如此往复，直至穿过所有的斜柱，最后经机身连接器1103内部空腔引出，穿过旋转连接器2到尾线1；光纤8与机身连接器1103上表面接触位置、与钻头连接器1101内部空腔穿出位置，均固定；光纤8上依次刻有与斜柱相等数量的光纤光栅，分别悬置于斜柱的空腔的中心，在刀具10切削时造成弹性体的变形而引起光纤产生应变，从而引起光纤光栅中心波长的漂移，从而感知所述的切削力信息。
本实施例中，所述斜柱的数量为6个，每个斜柱的扇环形截面对应的圆心角相同。光纤头部从第一斜柱801下方圆柱内空腔进入第一斜柱801内部空腔，光纤与第一斜柱801两端用胶固定，第一光纤光栅在第一斜柱801中间位置；光纤从第一斜柱801上方穿出，通过钻头连接器1101内部空腔进入第四斜柱804中心空腔，光纤与第四斜柱804两端用胶固定，第四光纤光栅在第四斜柱804中间位置；光纤从第四斜柱804下方穿出，通过机身连接器1103内部空腔进入第五斜柱805内部中心空腔，光纤与第五斜柱805两端用胶固定，第五光纤光栅在第五斜柱805中间位置；光纤从第五斜柱805上方穿出，通过钻头连接器1101内部空腔进入第二斜柱802内部中心空腔，光纤与第二斜柱802两端用胶固定，第二光纤光栅在第二斜柱802中间位置；光纤从第二斜柱802下方穿出，通过机身连接器1103内部空腔进入第六斜柱806内部中心空腔，光纤与第六斜柱806两端用胶固定，第六光纤光栅在第六斜柱806中间位置；光纤从第六斜柱806上方穿出，通过钻头连接器1101内部空腔进入第三斜柱803内部中心空腔，光纤与第三斜柱803两端用胶固定，第三光纤光栅在第三斜柱803中间位置；光纤从第三斜柱803下方穿出，通过机身连接器1103内部空腔穿出，通过旋转连接器进入尾线1。
本实施例工作原理为：操作器通过控制驱动电机的旋转带动手术器械末端刀具旋转，进行切削手术操作，切削过程中引起传感器中六个光纤光栅发生应变，通过检测光纤光栅的中心波长漂移量获得手术器械末端刀具切削力的大小。
锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器的具体工作原理为：针对六个结构相同的斜柱，如图12(a)所示，截面形状如图12(b)所示，当斜柱底部固定，顶端分别受到x方向的力Fx，y方向的力Fy，z方向的力Fz作用时，斜柱的刚度可以表示为：
其中kxx，kxz分别为当斜柱受到x方向的力时，斜柱在x方向和z方向的刚度，kyy为斜柱受到y方向的力时，斜柱在y方向的刚度，kzz，kzx分别为当斜柱受到z方向的力时，斜柱在z方向和x方向的刚度，θ为斜柱与水平面的夹角，l为斜柱的长度，E为斜杆材料的弹性模量，Ix为图12(b)中截面对中性轴x的惯性矩，Iy为图12(b)中截面对中性轴y的惯性矩，A为图12(b)中截面的面积。
当传感器受到Fx作用时，锥形六柱702的受力状态及其变形后的状态如图13(a)所示，六个斜柱的顶端的受力情况如图13(b)所示，将锥形六柱702上方的圆台作为刚体，根据变形后的结构的几何关系及力平衡的方程，可得：
其中F1，F2，F3，F4，F5，F6分别为作用在斜柱801，802，803，804，805，806顶部的力。针对斜柱801内部的光纤伸长量为：
其中与Fx的关系在Fx接近0时为非线性关系，在Fx较大时接近线性关系，因此在Fx为2N时进行泰勒级数展开：
同理，斜柱802，803，804，805，806内部的光纤伸长量为：
其中分别为斜柱802，803，804，805，806内部的光纤伸长量。Fx为2N时进行泰勒级数展开：
其中：
则传感器受到Fx作用时，当Fx小于2N时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Fx的关系为：
当Fx大于2N时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Fx的关系为：
当传感器受到Fy作用时，锥形六柱702的受力状态及其变形后的状态如图14(a)所示，六个斜柱的顶端的受力情况如图14(b)所示，根据变形后的结构的几何关系及力平衡的方程，可得：
其中F1，F2，F3，F4，F5，F6分别为作用在斜柱801，802，803，804，805，806顶部的力。斜柱801，802，803，804，805，806内光纤的伸长量为：
/>
Fy为2N时进行泰勒级数展开：
其中：
则传感器受到Fy作用时，当Fy小于2N时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Fy的关系为：
当Fy大于2N时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Fy的关系为：
当传感器受到Fz作用时，六个斜柱均受到大小相同的z方向的力，斜柱上方的圆台为刚体，只产生z方向的位移，则斜柱内光纤的伸长量为：
Fz为2N时进行泰勒级数展开为：
则传感器受到Fz作用时，当Fz小于2N时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Fy的关系为：
当Fz大于2N时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Fz的关系为：
当传感器受到Mx作用时，传感器的初始状态及变形情况如图15所示，根据变形后的结构的几何关系及力矩平衡的方程可知，各斜柱的受力大小为：
其中r为六个斜柱顶部光纤所在圆的半径，F1，F2，F3，F4，F5，F6分别为作用在斜柱801，802，803，804，805，806顶部力的大小，F4，F5为z轴正方向，F3，F6为z轴负方向。则斜柱801和802内部光纤的伸长量为0。斜柱803，804，805，806内部光纤的伸长量为：
Mx为2Nmm时进行泰勒级数展开为：
其中：
则传感器受到Mx作用时，当Mx小于2Nmm时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Mx的关系为：
当Mx大于2Nmm时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Mx的关系为：
当传感器受到My作用时，传感器的初始状态和变形情况如图16所示，根据变形后的结构的几何关系及力矩平衡的方程可知，六个斜柱顶部的受力大小为：
其中F1，F2，F3，F4，F5，F6分别为作用在斜柱801，802，803，804，805，806顶部力的大小，F3，F4，F1为z轴正方向，F2，F5，F6为z轴负方向。斜柱801，802，803，804，805，806内部光纤的伸长量为：
My为2Nmm时进行泰勒级数展开为：
其中：
则传感器受到My作用时，当My小于2Nmm时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与My的关系为：
当My大于2Nmm时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与My的关系为：
当传感器受到Mz作用时，每个斜柱均受到大小相同的切向力，各斜柱中光纤的伸长量均为：
Mz为2Nmm时进行泰勒级数展开为：
则传感器受到Mz作用时，当Mz小于2Nmm时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Mz的关系为：
当Mz大于2Nmm时，六个斜柱内光纤光栅的中心波长漂移量与Mz的关系为：
则锥形六柱式光纤光栅六维力传感器受到六维力/力矩作用时，六个光纤光栅的中心波长漂移量与六维力/力矩的关系为：
当六维力/力矩大于2N和2Nmm时，六个光纤光栅的中心波长漂移量与六维力/力矩的关系为：
其中：
通过以上的检测方法可以获得传感器受到六维力/力矩作用时，六个光纤光栅的中心波长漂移量信息，通过解耦计算可以得到六维力/力矩的大小。
所述锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器的尺寸通过多目标优化算法确定，所述多目标优化算法为NSGA-III算法，选择斜柱的截面尺寸、斜柱与水平面夹角、以及斜柱的垂直高度为传感器性能优化的设计变量，设置传感器的尺寸约束及性能约束，选择传感器的灵敏度，固有频率，维间耦合误差及灵敏度各向同性为四目标函数，用于追求高灵敏度，高固有频率，低维间耦合误差以及灵敏度各向同性。使用NSGA-III算法求解Pareto最优解集，根据应用场景需求，选择合适的Pareto最优解作为传感器的结构参数的尺寸。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，本操作器包括外壳，外壳内设有依次连接的旋转连接器、联轴器、驱动电机和双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器和夹具；
外壳的后端连接有尾线，用于引出光纤和其它线缆；
外壳的前端设有通过夹具夹紧的刀具，刀具的尾部与所述双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器连接；驱动电机用于通过双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器和夹具带动刀具旋转，进行切削手术操作；双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器将感知到的切削力信息通过光纤传出，旋转连接器用于将旋转中的光纤中的光信号传输到静止平台；
双层立柱式光纤光栅多维力/力矩传感器包括依次连接的钻头连接器、上立柱、连接环、下立柱和机身连接器，以及穿设在其中的光纤光栅组件；其中，上立柱、连接环和下立柱均为弹性体；钻头连接器用于通过所述夹具与刀具固定连接；上立柱为若干个扇环形截面的上立柱，位于钻头连接器和连接环之间，相邻上立柱均匀分布，上立柱中心设有用于放置光纤的空腔；下立柱为若干个扇环形截面的下立柱，每个下立柱中心开有用于放置光纤空腔，相邻下立柱均匀分布在连接环与机身连接器之间，下立柱与上立柱均匀错开；机身连接器由驱动电机驱动旋转，并带动刀具同步旋转；所述的光纤光栅组件包括一根光纤，光纤的头部位于机身连接器中，并依次穿过相邻两个下立柱之间的空隙、连接环、一个上立柱的空腔后穿出，通过钻头连接器内部空腔后，依次穿过相邻两个上立柱之间的空隙、连接环、一个下立柱的空腔后穿出，通过机身连接器内部空腔后再穿入下一个上立柱的空腔，如此往复，直至穿过所有的上立柱和下立柱，最后经机身连接器内部空腔引出，穿过旋转连接器到尾线；光纤与机身连接器上表面接触位置、从上立柱空腔穿出位置、与钻头连接器内部空腔穿出位置、以及与下立柱空腔穿出位置，均固定；光纤上依次刻有与上下立柱个数之和等数的光纤光栅，分别悬置于上立柱和下立柱的空腔中，在刀具切削时造成弹性体的变形而引起光纤产生应变，从而引起光纤光栅中心波长的漂移，从而感知所述的切削力信息。
2.根据权利要求1所述的具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，所述的上立柱和下立柱各为4个，相邻的上立柱之间间隔90°，相邻的上、下立柱之间错开45°，所述的光纤光栅个数为8个。
3.根据权利要求1所述的具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，所述连接环为一个圆筒，其内外径与扇环形截面的上立柱、下立柱的内外径均相同；下立柱的扇环形截面对应的圆心角与上立柱的扇环形截面对应的圆心角尺寸通过多目标优化算法确定。
4.根据权利要求1所述的具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，所述的夹具包括相互匹配的ER夹头和夹头螺母。
5.根据权利要求1所述的具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，所述机身连接器包括一段圆柱与一段圆筒，圆柱用于连接下立柱，圆柱内部开有用于光纤走线的空腔，圆筒侧身开有用于连接驱动电机轴的螺纹孔，圆筒外部通过轴承与外壳连接。
6.根据权利要求3所述的具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，所述多目标优化算法为NSGA-III算法，选择上立柱、连接环及下立柱的所有结构尺寸为设计变量，设置传感器尺寸约束与性能约束，根据符合应用场合需求，选择传感器灵敏度，固有频率，维间耦合误差，灵敏度各项同性为目标函数，使用NSGA-III算法计算Pareto最优解集，从中选择合适的Pareto最优解作为传感器的结构参数尺寸。
7.一种具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，本操作器包括外壳，外壳内设有依次连接的旋转连接器、联轴器、驱动电机和锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器和夹具；
外壳的后端连接有尾线，用于引出光纤和其它线缆；
外壳的前端设有通过夹具夹紧的刀具，刀具的尾部与所述锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器连接；驱动电机用于通过锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器和夹具带动刀具旋转，进行切削手术操作；锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器将感知到的切削力信息通过光纤传出，旋转连接器用于将旋转中的光纤中的光信号传输到静止平台；
锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器包括钻头连接器、锥形柱和机身连接器，以及穿设在其中的光纤光栅组件；其中，锥形柱为弹性体；钻头连接器用于通过所述夹具与刀具固定连接；锥形柱包括若干个截面为扇环形的斜柱，每个斜柱中心开有用于放置光纤的空腔，所有斜柱沿传感器轴线周向均匀分布，每个斜柱与传感器轴线的夹角相同；机身连接器由驱动电机驱动旋转，并带动刀具同步旋转；所述的光纤光栅组件包括一根光纤，光纤的头部位于机身连接器中，并从一个斜柱中的空腔穿至钻头连接器内部再从下一个斜柱穿回机身连接器，如此往复，直至穿过所有的斜柱，最后经机身连接器内部空腔引出，穿过旋转连接器到尾线；光纤与机身连接器上表面接触位置、与钻头连接器内部空腔穿出位置，均固定；光纤上依次刻有与斜柱相等数量的光纤光栅，分别悬置于斜柱的空腔的中心，在刀具切削时造成弹性体的变形而引起光纤产生应变，从而引起光纤光栅中心波长的漂移，从而感知所述的切削力信息。
8.根据权利要求7所述的具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，所述斜柱的数量为6个，每个斜柱的扇环形截面对应的圆心角相同。
9.根据权利要求7所述的具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器，其特征在于，所述锥形六柱式光纤光栅六维力/力矩传感器的尺寸通过多目标优化算法确定，所述多目标优化算法为NSGA-III算法，选择斜柱的截面尺寸、斜柱与水平面夹角、以及斜柱的垂直高度为设计变量，设置传感器尺寸约束与性能约束，根据应用场合需求，选择传感器灵敏度，固有频率，维间耦合误差，灵敏度各项同性为目标函数，使用NSGA-III算法计算Pareto最优解集，从中选择合适的Pareto最优解作为传感器的结构参数尺寸。
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