CN114159108A - 一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩及使用方法 - Google Patents

一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩及使用方法，底座位于弧形拉钩后端，与机器手末端紧固连接；弧形梁位于弧形拉钩中段，一端与底座一体化，另一端悬空；腔体位于弧形梁悬空端，内含连接孔；力感知单元包含电路板和4个触力传感器；电路板为矩形结构，安装于弧形拉钩的腔体内，其中间部位含连接孔；触力传感器焊接在电路板上；顶盖为矩形结构，置于力感知单元的上方，其中间部位含连接孔；连接件包含螺钉、螺母，依次穿过顶、电路板和腔体的连接孔，将这三个结构紧固连接，通过以上结构解决手术机器人牵引操作中缺乏实时力感知的问题，可同步检测接触力的大小和作用位置，检测精度高，为机器人柔顺力控制提供准确数据，确保手术安全可靠。

Description

一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩及使用方法
技术领域
本发明基于手术机器人领域，特别是涉及一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩及使用方法。
背景技术
头颈外科手术、甲状腺手术等在手术过程中均需通过拉钩来完成组织牵引、视野暴露等目标，为医生获取足够的操作空间来完成手术。手术中通常由助手操作拉钩，人为控制牵引的角度和力度，拉钩本身并不具备力感知能力。而对于机器人辅助外科手术而言，牵引操作由机械臂控制实现，为确保手术安全可靠，实现柔顺力控制，必须实时获取接触力信息。
目前机器人的力感知功能主要通过安装在机械臂与末端执行器之间的腕力传感器实现。但由于采用间接测量的方式，传感器检测到的力信息并不等同于末端接触力，往往包含无关接触部位的力信息，并且其测量准确度还受到机械臂运动姿态的干扰。为解决间接测量的弊端，可通过在接触部位粘贴柔性触觉传感器阵列来实现直接测量。然而现有的柔性触觉传感器普遍存在测量精度低、采集速率慢等问题，极大地限制了机器人辅助外科手术的控制精度，仍存在一定的安全隐患。
发明内容
针对以上问题，本发明旨在提供一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩及使用方法，解决手术机器人牵引操作中缺乏实时力感知的问题，可同步检测接触力的大小和作用位置，检测精度高，为机器人柔顺力控制提供准确数据，确保手术安全可靠。
本发明提供一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩，包括弧形拉钩、力感知单元、顶盖和连接件，所述弧形拉钩由底座、弧形梁(1)和腔体(5)构成；所述底座(3)位于弧形拉钩后端；所述弧形梁(1)位于弧形拉钩中段，所述弧形梁(1)一端与底座(3)一体化，所述弧形梁(1)另一端悬空，所述弧形梁(1)为三段式结构，有弯折角度；所述腔体(5)位于弧形梁悬空端，内含连接孔；所述力感知单元包含电路板(4)和触力传感器(8)；所述电路板(4)为矩形结构，安装于弧形拉钩的腔体(5)内，所述电路板(4)中间部位含连接孔；所述触力传感器(8)焊接在电路板(4)上；所述顶盖(2)为矩形结构，置于力感知单元的上方，所述顶盖(2)中间部位含连接孔；所述连接件包含螺钉(6)和螺母(7)，依次穿过顶盖(2)、电路板(4)和腔体(5)的连接孔，将这三个结构紧固连接。
作为本发明结构进一步改进，所述底座通过拆装方式与机器手末端紧固连接。
作为本发明结构进一步改进，所述触力传感器有4个呈2*2分布。
本发明提供一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩的使用方法，具体使用方法为：
1)初步装配：将4个触力传感器以适当间距2*2分布焊接在拉钩前端腔体内部的电路板上，触力传感器的4路导线由腔体背面引出，连接至装配于机械臂末端的拉钩信号采集电路；
2)传感器标定：利用砝码和标定台向4个触力传感器施加一组标准载荷并记录传感器输出电压，将标定数据进行最小二乘法线性拟合，计算得到4个触力传感器的标定系数k1，k2，k3，k4；
3)信号解算：4个触力传感器分别标号①~④，输出4路电压数据至拉钩采集电路，通过采集电路内部控制模块进行解算，并向机械臂输出解算后的接触力信息，包括接触力的数值以及接触力的作用点；其中，接触力的数值以参数F表示，接触力的作用点以参数Δx和Δy表示，所述Δx为接触力作用点与顶盖中心点O的轴向距离，所述接触力作用点与顶盖中心点O的横向距离；解算公式如下；
F1＝k1·U1F2＝k2·U2F3＝k3·U3F4＝k4·U4
F＝F1+F2+F3+F4Δy＝[F2-F1+(F3-F4)]·l2FΔx＝[F1-F4+(F2-F3)]·w2F
其中U1，U2，U3，U4分别为4个触力传感器的输出电压，F1，F2，F3，F4分别为4个触力传感器的测力值；l为轴向2个受力点之间的间距；w为横向2个受力点之间的间距；
4)整体装配和采集：将顶盖通过连接件紧固安装于拉钩力感知单元的上方，拉钩通过底座与机械臂末端紧固连接；拉钩采集电路传输接口接入机械臂控制系统；机械臂控制拉钩进行牵引操作，同步获取接触力信息。
本发明提供了一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩及使用方法，包括弧形拉钩、力感知单元、顶盖和连接件；弧形拉钩由底座、弧形梁和腔体构成；底座位于弧形拉钩后端，通过螺钉与机器手末端紧固连接；弧形梁位于弧形拉钩中段，一端与底座一体化，另一端悬空，其为三段式结构，具有一定的弯折角度；腔体位于弧形梁悬空端，内含连接孔；力感知单元包含电路板和4个触力传感器；电路板为矩形结构，安装于弧形拉钩的腔体内，其中间部位含连接孔；触力传感器焊接在电路板上，呈2*2分布；顶盖为矩形结构，置于力感知单元的上方，其中间部位含连接孔；连接件包含螺钉、螺母，依次穿过顶、电路板和腔体的连接孔，将这三个结构紧固连接，通过以上结构解决手术机器人牵引操作中缺乏实时力感知的问题，可同步检测接触力的大小和作用位置，检测精度高，为机器人柔顺力控制提供准确数据，确保手术安全可靠。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的前端示意图；
图3为本发明的腔体内部示意图；
图4为本发明的前端剖视图；
图5为本发明的顶盖示意图；
具体部件名称如下：
1、弧形梁；2、顶盖；3、底座；4、电路板；5、腔体；6、螺钉；7、螺母；8、触力传感器。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1-4所示，本发明提出一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩，包括弧形拉钩、力感知单元、顶盖2和连接件；弧形拉钩由底座3、弧形梁1和腔体5构成；底座3位于弧形拉钩后端，通过螺钉与机器手末端紧固连接；弧形梁1位于弧形拉钩中段，一端与底座一体化，另一端悬空，其为三段式结构，具有一定的弯折角度；腔体5位于弧形梁悬空端，内含连接孔；力感知单元包含电路板4和4个触力传感器8；电路板4为矩形结构，安装于弧形拉钩的腔体5内，其中间部位含连接孔；触力传感器8焊接在电路板4上，呈2*2分布；顶盖2为矩形结构，置于力感知单元的上方，其中间部位含连接孔；连接件包含螺钉6、螺母7，依次穿过顶，2、电路板4和腔体5的连接孔，将这三个结构紧固连接。
机器人手术拉钩的工作原理在于：拉钩后端的底座3与机器人紧固连接，机器人控制拉钩进行牵引操作，拉钩前端的顶盖2与人体组织接触，接触力通过顶盖2传递至触力传感器8的4个触点，输出4个电压信号；对4个触力传感器的信号进行解算即可得到拉钩接触力的大小F及作用位置；
具体使用方法为：
1)初步装配：将4个触力传感器以适当间距2*2分布焊接在拉钩前端腔体内部的电路板上，触力传感器的4路导线由腔体背面引出，连接至装配于机械臂末端的拉钩信号采集电路；
2)传感器标定：利用砝码和标定台向4个触力传感器施加一组标准载荷并记录传感器输出电压，将标定数据进行最小二乘法线性拟合，计算得到4个触力传感器的标定系数k1，k2，k3，k4；
3)信号解算：如图5，4个触力传感器分别标号①~④，输出4路电压数据至拉钩采集电路，通过采集电路内部控制模块进行解算，并向机械臂输出解算后的接触力信息，包括接触力的数值以及接触力的作用点；其中，接触力的数值以参数F表示，接触力的作用点以参数Δx(接触力作用点与顶盖中心点O的轴向距离)和Δy(接触力作用点与顶盖中心点O的横向距离)表示；解算公式如下；
F1＝k1·U1F2＝k2·U2F3＝k3·U3F4＝k4·U4
F＝F1+F2+F3+F4Δy＝[F2-F1+(F3-F4)]l12FΔx＝[F1-F4+(F2-F3)]·w2F
其中U1，U2，U3，U4分别为4个触力传感器的输出电压，F1，F2，F3，F4分别为4个触力传感器的测力值；l为轴向2个受力点之间的间距；w为横向2个受力点之间的间距。
4)整体装配和采集：将顶盖通过连接件紧固安装于拉钩力感知单元的上方，拉钩通过底座与机械臂末端紧固连接；拉钩采集电路传输接口接入机械臂控制系统；机械臂控制拉钩进行牵引操作，同步获取接触力信息。
以上所述，仅是本发明的较佳实施个例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而是依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍然属于本发明所要求保护的范围。

Claims (4)

1.一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩，包括弧形拉钩、力感知单元、顶盖(2)和连接件，其特征在于：所述弧形拉钩由底座(3)、弧形梁(1)和腔体(5)构成；所述底座(3)位于弧形拉钩后端；所述弧形梁(1)位于弧形拉钩中段，所述弧形梁(1)一端与底座(3)一体化，所述弧形梁(1)另一端悬空，所述弧形梁(1)为三段式结构，有弯折角度；所述腔体(5)位于弧形梁悬空端，内含连接孔；所述力感知单元包含电路板(4)和触力传感器(8)；所述电路板(4)为矩形结构，安装于弧形拉钩的腔体(5)内，所述电路板(4)中间部位含连接孔；所述触力传感器(8)焊接在电路板(4)上；所述顶盖(2)为矩形结构，置于力感知单元的上方，所述顶盖(2)中间部位含连接孔；所述连接件包含螺钉(6)和螺母(7)，依次穿过顶盖(2)、电路板(4)和腔体(5)的连接孔，将这三个结构紧固连接。
2.根据权利要求1所述一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩，其特征在于，所述底座(3)通过拆装方式与机器手末端紧固连接。
3.根据权利要求1所述一种可实现精确力感知的机器人手术拉钩，其特征在于，所述触力传感器(8)有4个呈2*2分布。
4.根据权利要求1-3任意一项可实现精确力感知的机器人手术拉钩的使用方法，其特征在于，具体使用方法为：
1)初步装配：将4个触力传感器以适当间距2*2分布焊接在拉钩前端腔体内部的电路板上，触力传感器的4路导线由腔体背面引出，连接至装配于机械臂末端的拉钩信号采集电路；
2)传感器标定：利用砝码和标定台向4个触力传感器施加一组标准载荷并记录传感器输出电压，将标定数据进行最小二乘法线性拟合，计算得到4个触力传感器的标定系数k1，k2，k3，k4；
3)信号解算：4个触力传感器分别标号①～④，输出4路电压数据至拉钩采集电路，通过采集电路内部控制模块进行解算，并向机械臂输出解算后的接触力信息，包括接触力的数值以及接触力的作用点；其中，接触力的数值以参数F表示，接触力的作用点以参数Δx和Δy表示，所述Δx为接触力作用点与顶盖中心点O的轴向距离，所述接触力作用点与顶盖中心点O的横向距离；解算公式如下；
F1＝k1·U1F2＝k2·U2F3＝k3·U3F4＝k4·U4
F＝F1+F2+F3+F4Δy＝[F2-F1+(F3-F4)]·l2FΔx＝[F1-F4+(F2-F3)]·w2F
其中U1，U2，U3，U4分别为4个触力传感器的输出电压，F1，F2，F3，F4分别为4个触力传感器的测力值；I为轴向2个受力点之间的间距；w为横向2个受力点之间的间距；
4)整体装配和采集：将顶盖通过连接件紧固安装于拉钩力感知单元的上方，拉钩通过底座与机械臂末端紧固连接；拉钩采集电路传输接口接入机械臂控制系统；机械臂控制拉钩进行牵引操作，同步获取接触力信息。
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