CN114216594B - 一种机械手 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种机械手，包括：多维力和力矩传感器，所述多维力和力矩传感器包括：力和力矩传感器基底、力和力矩传感器固定端、通道以及光纤布拉格光栅传感器组；力和力矩传感器一端设置力和力矩传感器固定端，力和力矩传感器固定端连接力和力矩传感器基底；力和力矩传感器内部设置通道，力和力矩传感器基底上设置光纤布拉格光栅传感器装配槽组，光纤布拉格光栅传感器装配槽组内安装光纤布拉格光栅传感器组；力和力矩传感器基底沿半剖面所在平面内设置大于等于一个拐角。本发明利用光纤布拉格光栅传感器基于竖直和螺旋方向混合布置在力和力矩传感器基底结构表面上的特点，能够减小整体尺寸并获得多维力和力矩数据反馈，可实现更狭窄和有限的手术空间内等相关操作。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体地，涉及多维力和力矩传感器及机械手。
背景技术
微创手术器械主要应用于医疗手术中的各类微创手术、介入手术等，通过人体外部较小的创口或借助人体的自然腔道来进行诊断和治疗，器械本体尺寸较小，结构可控性强，集成了多类辅助传感器等，具有较好的微创性、灵活性、安全性等特点。本申请旨在提供一种用于微创手术器械的多维力和力矩传感器，能够在保持体积小巧紧凑的同时实现稳定高精度的实时测量。
专利文献CN103968980B公开了一种新型的光纤触觉阵列传感器及制作方法,包括一个薄膜，在薄膜上设置由若干行传感器组成的阵列，行传感器包括n个排列成一行的弹性装置和一根穿过弹性装置的光纤光栅传感器。光纤触觉阵列传感器的制作过程，包括如下步骤：步骤1：制作横向串联式模型模具；步骤2：制作行光纤触觉传感器；步骤3：将获得的行光纤触觉传感器粘到薄膜上构成阵列。该专利设计要点为由若干行传感器组成的阵列，与本申请不相同。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种多维力和力矩传感器及机械手。
根据本发明提供的一种多维力和力矩传感器，包括：力和力矩传感器基底、力和力矩传感器固定端、通道、力和力矩传感器安装端以及光纤布拉格光栅传感器组；
力和力矩传感器一端设置所述力和力矩传感器固定端，所述力和力矩传感器固定端连接所述力和力矩传感器基底，所述力和力矩传感器另一端设置为所述力和力矩传感器安装端；
所述力和力矩传感器内部设置所述通道，所述通道布置在所述力和力矩传感器基底和所述力和力矩传感器固定端内部；
所述力和力矩传感器基底上设置光纤布拉格光栅传感器装配槽组，所述光纤布拉格光栅传感器装配槽组内安装所述光纤布拉格光栅传感器组；
所述力和力矩传感器基底沿半剖面所在平面内设置大于等于一个拐角，所述拐角两端设置直线段，相邻两个所述直线段所在轴线形成夹角。
优选地，所述光纤布拉格光栅传感器装配槽组包括大于等于一个光纤布拉格光栅传感器装配槽。
优选地，所述光纤布拉格光栅传感器装配槽组从所述力和力矩传感器基底一端延伸至所述力和力矩传感器基底另一端；
所述光纤布拉格光栅传感器装配槽允许盘绕在所述力和力矩传感器基底上。
优选地，所述光纤布拉格光栅传感器组包括大于等于一个光纤布拉格光栅传感器；
所述光纤布拉格光栅传感器安装在所述光纤布拉格光栅传感器装配槽中并与所述光纤布拉格光栅传感器装配槽一一对应。
优选地，所述光纤布拉格光栅传感器沿所述力和力矩传感器基底延伸方向间隔刻蚀大于等于一个光纤布拉格光栅；
大于等于一根所述光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个所述光纤布拉格光栅轴线与所在所述直线段轴线平行；
大于等于一根所述光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个所述光纤布拉格光栅轴线与所在所述直线段轴线形成夹角；
所述通道包括单腔或多腔；
所述力和力矩传感器固定端周向设置十字结构。
优选地，一种机械手，所述机械手采用所述多维力和力矩传感器。
优选地，包括：传感器转接杆、光纤光栅传感器解调仪、驱动装置、给药装置以及操作工具；
所述力和力矩传感器一端连接所述传感器转接杆，所述力和力矩传感器另一端安装所述操作工具；
所述传感器转接杆允许连接所述光纤光栅传感器解调仪、所述驱动装置和所述给药装置。
优选地，所述传感器转接杆包括：转接杆主杆体、转接杆安装法兰、转接杆传感器安装孔以及转接杆工作通道；
所述转接杆主杆体一端设置所述转接杆安装法兰，所述转接杆主杆体另一端设置所述转接杆传感器安装孔；
所述转接杆传感器安装孔安装所述力和力矩传感器；
所述传感器转接杆内部设置所述转接杆工作通道，所述转接杆工作通道包括单腔或多腔，所述转接杆工作通道连通所述通道；
所述转接杆主杆体沿轴向设置大于等于一个转接杆装配槽，所述转接杆装配槽与所述光纤布拉格光栅传感器装配槽组对应连接；
所述转接杆主杆体沿周向阵列均布凹槽结构。
优选地，所述操作工具包括：被动钳、驱动闭合钳、驱动开口钳以及给药针；
所述力和力矩传感器允许安装所述被动钳、所述驱动闭合钳、所述驱动开口钳或所述给药针；
所述被动钳包括：被动钳夹持部分、被动钳驱动部分以及被动钳安装端；
所述被动钳驱动部分一端连接所述被动钳夹持部分，所述被动钳驱动部分另一端连接所述被动钳安装端，所述被动钳安装端安装在所述力和力矩传感器安装端上；
所述驱动闭合钳包括：驱动闭合钳夹持部分和驱动闭合钳安装端；
所述驱动闭合钳夹持部分连接所述驱动闭合钳安装端，所述驱动闭合钳安装端安装在所述力和力矩传感器安装端上；
所述驱动闭合钳夹持部分包括：驱动闭合钳夹持部分固定组件、驱动闭合钳夹持部分驱动组件以及驱动闭合钳驱动组件安装孔；
所述驱动闭合钳夹持部分固定组件连接所述驱动闭合钳夹持部分驱动组件一端并通过所述驱动闭合钳夹持部分驱动组件拉动闭合，所述驱动闭合钳夹持部分驱动组件另一端连接所述驱动闭合钳驱动组件安装孔，所述驱动闭合钳驱动组件安装孔安装第一固定驱动丝，所述第一固定驱动丝连接所述驱动装置；
所述驱动开口钳包括：驱动开口钳夹持部分和驱动开口钳安装端；
所述驱动开口钳夹持部分连接所述驱动开口钳安装端，所述驱动开口钳安装端安装在所述力和力矩传感器安装端上；
所述驱动开口钳夹持部分包括：驱动开口钳夹持部分驱动组件、驱动开口钳夹持部分固定组件以及驱动开口钳驱动组件安装孔；
所述驱动开口钳夹持部分固定组件连接所述驱动开口钳夹持部分驱动组件一端并通过所述驱动开口钳夹持部分驱动组件拉动张开，所述驱动开口钳夹持部分驱动组件另一端连接所述驱动开口钳驱动组件安装孔，所述驱动开口钳驱动组件安装孔安装第二固定驱动丝，所述第二固定驱动丝连接所述驱动装置；
所述给药针包括：给药针针管部分和给药针安装端；
所述给药针针管部分连接所述给药针安装端，所述给药针安装端安装在所述力和力矩传感器安装端上，所述给药针内部设置给药针通道，所述给药针通道连通所述通道并通过所述通道和所述转接杆工作通道连通所述给药装置。
优选地，所述光纤布拉格光栅传感器组通过所述传感器转接杆连接所述光纤光栅传感器解调仪；
所述驱动闭合钳设置第一驱动管路，所述第一驱动管路通过所述通道和所述转接杆工作通道连接所述驱动装置；
所述驱动开口钳设置第二驱动管路，所述第二驱动管路通过所述通道和所述转接杆工作通道连接所述驱动装置。
优选地，所述力和力矩传感器基底采用弹性材质。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用光纤布拉格光栅传感器基于竖直和螺旋方向混合布置在力和力矩传感器基底结构表面上的特点，能够减小操作器械装或仪器装配体的整体尺寸，可实现更狭窄和有限的手术空间内等相关操作；
2、本发明可以适应多样的手术环境，实现稳定的操作器械或仪器力感知数据采集，可应用于多种类型的微创手术上，对多维力和力矩传感器辅助微创手术的微创性、高效性、安全性等具有重要的应用价值，能够保证快速且安全的开展诊断和治疗；
3、本发明根据使用需求沿光纤主体长度方向按预设波长间隔刻蚀光纤布拉格光栅，大于等于一根所述光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个所述光纤布拉格光栅轴线与所在所述直线段轴线平行，大于等于一根所述光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个所述光纤布拉格光栅轴线与所在所述直线段轴线形成夹角，可实现高精度的操作器械或仪器的多维力和力矩的数据采集。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为多维力和力和力矩传感器基底结构示意图；
图2为机械手安装被动钳时结构示意图；
图3为机械手安装驱动闭合钳时结构示意图；
图4为机械手安装驱动开口钳时结构示意图；
图5为机械手安装给药针时结构示意图；
图6为传感器转接杆立体结构示意图；
图7为传感器转接杆剖视图；
图8为力和力矩传感器基底端部结构示意图；
图9为多维力和力矩传感器结构示意图(一)；
图10为多维力和力矩传感器结构示意图(二)；
图11为多维力和力矩传感器主视图；
图12为力和力矩传感器设置两个拐角时结构示意图；
图13为被动钳立体结构示意图；
图14为被动钳主视图；
图15为驱动闭合钳立体结构示意图；
图16为驱动闭合钳驱动组件安装孔结构示意图；
图17为驱动闭合钳剖视图；
图18为驱动开口钳立体结构示意图；
图19为驱动开口钳主视图；
图20为驱动开口钳剖视图；
图21为给药针立体结构示意图；
图22为多维力和力矩传感器结构示意图(四)；
图中所示：
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1、图8和图12所示，一种多维力和力矩传感器，包括：力和力矩传感器基底11、力和力矩传感器固定端12、通道13以及光纤布拉格光栅传感器组；力和力矩传感器1一端设置力和力矩传感器固定端12，力和力矩传感器固定端12连接力和力矩传感器基底11，力和力矩传感器1内部设置通道13，通道13布置在力和力矩传感器基底11和力和力矩传感器固定端12内部，力和力矩传感器基底11上设置光纤布拉格光栅传感器装配槽组，光纤布拉格光栅传感器装配槽组内安装光纤布拉格光栅传感器组，力和力矩传感器基底11沿半剖面所在平面内根据需求设置大于等于一个拐角，每个所述拐角两端设置为直线段。通道13包括单腔或多腔，力和力矩传感器固定端12周向设置十字结构。光纤布拉格光栅传感器装配槽组包括：第一光纤布拉格光栅传感器装配槽111、第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112、第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113以及第四光纤布拉格光栅传感器装配槽114，力和力矩传感器1两侧布置第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112和第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113，第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112和第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113关于力和力矩传感器1半剖面线对称，力和力矩传感器1沿半剖面两侧布置第一光纤布拉格光栅传感器装配槽111和第四光纤布拉格光栅传感器装配槽114。光纤布拉格光栅传感器装配槽组从力和力矩传感器基底11一端延伸至力和力矩传感器基底11另一端，第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112和第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113允许对称螺旋盘绕在力和力矩传感器基底11上，第一光纤布拉格光栅传感器装配槽111、第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112、第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113以及第四光纤布拉格光栅传感器装配槽114背向力和力矩传感器固定端12一端四等分布置在力和力矩传感器基底11周侧。
如图9至图11所示，光纤布拉格光栅传感器组包括：第一光纤布拉格光栅传感器14、第二光纤布拉格光栅传感器15、第三光纤布拉格光栅传感器16以及第四光纤布拉格光栅传感器17；第一光纤布拉格光栅传感器装配槽111安装第一光纤布拉格光栅传感器14，第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112安装第二光纤布拉格光栅传感器15，第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113安装第三光纤布拉格光栅传感器16，第四光纤布拉格光栅传感器装配槽114安装第四光纤布拉格光栅传感器17。第一光纤布拉格光栅传感器14、第二光纤布拉格光栅传感器15、第三光纤布拉格光栅传感器16以及第四光纤布拉格光栅传感器17沿力和力矩传感器基底11延伸方向按预设波长间隔分别刻蚀大于等于一个光纤布拉格光栅，第二光纤布拉格光栅传感器15和第三光纤布拉格光栅传感器16有大于等于一根光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个光纤布拉格光栅轴线与所在直线段轴线平行，大于等于一根光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个光纤布拉格光栅轴线与所在直线段轴线形成夹角。
如图2至图5所示，一种机械手采用了多维力和力矩传感器，包括：传感器转接杆2、光纤光栅传感器解调仪3、驱动装置4、给药装置5以及操作工具；力和力矩传感器1一端连接传感器转接杆2，力和力矩传感器1另一端安装操作工具；传感器转接杆2允许连接光纤光栅传感器解调仪3、驱动装置4和给药装置5。光纤布拉格光栅传感器组通过传感器转接杆2连接光纤光栅传感器解调仪3。
如图6和图7所示，传感器转接杆2包括：转接杆主杆体21、转接杆安装法兰22、转接杆传感器安装孔23以及转接杆工作通道24；转接杆主杆体21一端连接转接杆安装法兰22，转接杆主杆体21另一端设置转接杆传感器安装孔23，转接杆传感器安装孔23安装力和力矩传感器1，传感器转接杆2内部设置转接杆工作通道24，转接杆工作通道24包括单腔或多腔，转接杆工作通道24连通通道13，转接杆主杆体21沿轴向设置大于等于一个转接杆装配槽，转接杆装配槽与光纤布拉格光栅传感器装配槽组对应连接，转接杆主杆体21沿周向阵列均布凹槽结构。
如图13至图21所示，操作工具包括：被动钳6、驱动闭合钳7、驱动开口钳8以及给药针9；力和力矩传感器1允许安装被动钳6、驱动闭合钳7、驱动开口钳8或给药针9中的一种。
被动钳6包括：被动钳夹持部分61、被动钳驱动部分62以及被动钳安装端63；被动钳驱动部分62一端连接被动钳夹持部分61，被动钳驱动部分62另一端连接被动钳安装端63，被动钳安装端63安装在力和力矩传感器1中。
驱动闭合钳7包括：驱动闭合钳夹持部分71和驱动闭合钳安装端72；驱动闭合钳夹持部分71连接驱动闭合钳安装端72，驱动闭合钳安装端72安装在力和力矩传感器1中，驱动闭合钳夹持部分71包括：驱动闭合钳夹持部分固定组件711、驱动闭合钳夹持部分驱动组件712以及驱动闭合钳驱动组件安装孔713，驱动闭合钳夹持部分固定组件711连接驱动闭合钳夹持部分驱动组件712一端并通过驱动闭合钳夹持部分驱动组件712拉动闭合，驱动闭合钳夹持部分驱动组件712另一端连接驱动闭合钳驱动组件安装孔713，驱动闭合钳驱动组件安装孔713安装第一固定驱动丝，第一固定驱动丝连接驱动装置4。驱动闭合钳7设置第一驱动管路，第一驱动管路通过通道13和转接杆工作通道24连接驱动装置4。
驱动开口钳8包括：驱动开口钳夹持部分81和驱动开口钳安装端82；驱动开口钳夹持部分81连接驱动开口钳安装端82，驱动开口钳安装端82安装在力和力矩传感器1中，驱动开口钳夹持部分81包括：驱动开口钳夹持部分驱动组件811、驱动开口钳夹持部分固定组件812以及驱动开口钳驱动组件安装孔813；驱动开口钳夹持部分固定组件812连接驱动开口钳夹持部分驱动组件811一端并通过驱动开口钳夹持部分驱动组件811拉动张开，驱动开口钳夹持部分驱动组件811另一端连接驱动开口钳驱动组件安装孔813，驱动开口钳驱动组件安装孔813安装第二固定驱动丝，第二固定驱动丝连接驱动装置4。驱动开口钳8设置第二驱动管路，第二驱动管路通过通道13和转接杆工作通道24连接驱动装置4。
给药针9包括：给药针针管部分91和给药针安装端92；给药针针管部分91连接给药针安装端92，给药针安装端92安装在力和力矩传感器1中，给药针9内部设置给药针通道，给药针通道连通通道13并通过通道13和转接杆工作通道24连通给药装置5。
实施例2
实施例2作为实施例1的优选例。
如图1、图8至图12所示，本实施例为包含4根光纤布拉格光栅传感器的多维力和力矩传感器，包含力和力矩传感器基底11、第一光纤布拉格光栅传感器14、第二光纤布拉格光栅传感器15、第三光纤布拉格光栅传感器16以及第四光纤布拉格光栅传感器17；力和力矩传感器基底11预设大于等于一个拐角形成特殊的竖直、弯曲组合形状，力和力矩传感器1拐角两端的直线段部分的轴线预设形成一定角度，从而沿轴向受力变形更加敏感，提供光纤布拉格光栅传感器组的高灵敏度轴向力和力矩数据解耦，获得轴向力和扭矩较高的传感能力，同时其结构形状也提高了一些特殊操作空间的手术器械或仪器操作的灵活性，为操作者提供更开阔的视野。多维力和力矩传感器也可布置多根光纤布拉格光栅传感器。力和力矩传感器基底11中间设有通道13，通道13可以设为单腔也可设为多腔，通道13尾端设有力和力矩传感器固定端12，力和力矩传感器固定端12周向固定作用的十字结构；力和力矩传感器基底11外表面上设有第一光纤布拉格光栅传感器装配槽111、第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112、第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113以及第四光纤布拉格光栅传感器装配槽114，光纤布拉格光栅传感器装配槽组根据需求各路径延伸至传感器主体尾端；力和力矩传感器基底11主体采用具有优越弹性、抗腐蚀性、生物相容性等特性的聚合物、镍钛合金等材料，具有一定的承载力，可满足力和力矩传感器基底11受力变形后，光纤布拉格光栅传感器组随之形变进行数据采集。第一光纤布拉格光栅传感器装配槽111安装第一光纤布拉格光栅传感器14，第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112安装第二光纤布拉格光栅传感器15，第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113安装第三光纤布拉格光栅传感器16，第四光纤布拉格光栅传感器装配槽114安装第四光纤布拉格光栅传感器17。
第一光纤布拉格光栅传感器14、第二光纤布拉格光栅传感器15、第三光纤布拉格光栅传感器16以及第四光纤布拉格光栅传感器17沿力和力矩传感器基底11延伸方向按预设波长间隔分别刻蚀大于等于一个光纤布拉格光栅。第一光纤布拉格光栅传感器14、第二光纤布拉格光栅传感器15、第三光纤布拉格光栅传感器16以及第四光纤布拉格光栅传感器17的前端在初始部分沿力和力矩传感器基底11周向均布，有利于光纤布拉格光栅传感器组的温度补偿；第一光纤布拉格光栅传感器14、第二光纤布拉格光栅传感器15、第三光纤布拉格光栅传感器16以及第四光纤布拉格光栅传感器17基于沿轴线方向和螺旋方向混合布置在力和力矩传感器基底11上，从而实现对轴向力和扭矩引起的变形具有较高的灵敏度，实现对包含多维力和力矩传感器的力和力矩的有效解调；力和力矩传感器1两侧布置第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112和第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113，第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112和第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113关于力和力矩传感器1半剖面线对称，力和力矩传感器1沿半剖面两侧布置第一光纤布拉格光栅传感器装配槽111和第四光纤布拉格光栅传感器装配槽114。光纤布拉格光栅传感器装配槽组从力和力矩传感器基底11一端延伸至力和力矩传感器基底11另一端，第二光纤布拉格光栅传感器装配槽112和第三光纤布拉格光栅传感器装配槽113允许对称盘绕在力和力矩传感器基底11上。
如图2至图7所示，传感器转接杆2的转接杆主杆体21轴向设有4个转接杆装配槽以实现光纤布拉格光栅传感器组的安装导引，其转接杆装配槽可根据实际需求对应预设不同数量，转接杆主杆体21周向均布阵列凹槽结构以方便手持操作，尾端设有转接杆安装法兰22可与各类机械臂相连接实现机器人自动化操控器械，传感器转接杆2前端的转接杆传感器安装孔23用于安装力和力矩传感器1，同时设有转接杆工作通道24可用于手术器械的驱动管路、给药针的药物管路或各类仪器的传输线路引出，转接杆工作通道24可设为单腔道或多腔道。
如图13和图14所示，被动钳夹持部分61的两瓣抓手之间保持预设一定的夹持间隙，具有一定的形状记忆特性，可以预先夹持植入电极等送至目标位置，通过辅助镊子等夹紧被动钳驱动部分62使得被动钳夹持部分61张开一定角度后从而释放植入电极等植入物；力和力矩传感器1前后两端分别与被动钳安装端63和转接杆传感器安装孔23装配，光纤布拉格光栅传感器组通过传感器转接杆2的尾端与光纤光栅传感器解调仪3连接，可实现手持相关手术操作，也可以通过转接杆安装法兰22与机械臂连接，从而实现机器人控制手术操作，在手术操作过程中获得操作器械的力和力矩反馈数据。
如图15至图17所示，驱动闭合钳夹持部分71具有一定的形状记忆特性，驱动闭合钳夹持部分71的两侧驱动闭合钳夹持部分固定组件711保持预设一定的角度位置且与驱动闭合钳夹持部分驱动组件712为一体结构，驱动闭合钳夹持部分驱动组件712一端与驱动闭合钳夹持部分固定组件711为一体结构，驱动组件712另一端连接驱动闭合钳驱动组件安装孔713，驱动闭合钳驱动组件安装孔713可安装第一固定驱动丝，通过所连接的驱动装置4实现同轴方向拉伸，驱动闭合钳夹持部分驱动组件712移动后可带动对称两侧的驱动闭合钳夹持部分固定组件711向内侧轴线位置靠拢从而实现钳子的闭合以实现夹持操作。力和力矩传感器1前后两端分别与驱动闭合钳安装端72和转接杆传感器安装孔23装配，光纤布拉格光栅传感器组通过传感器转接杆2的尾端与光纤光栅传感器解调仪3连接；驱动闭合钳7的第一驱动管路穿过通道13和转接杆工作通道24与驱动装置4连接，可实现手持相关手术操作，也可以通过转接杆安装法兰22与机械臂连接，从而实现机器人控制手术操作，在手术操作过程中获得操作器械的力和力矩反馈数据。
如图18至图20所示，驱动开口钳夹持部分81具有一定的形状记忆特性，驱动开口钳夹持部分81的驱动开口钳夹持部分固定组件812与驱动开口钳夹持部分驱动组件811为一体结构，两侧对称驱动开口钳夹持部分驱动组件811保持预设一定的角度位置，其尾端连接驱动开口钳驱动组件安装孔813，驱动开口钳驱动组件安装孔813可安装第二固定驱动丝，通过所连接的驱动装置4实现同轴方向拉伸，两侧对称驱动开口钳夹持部分驱动组件811向轴线相反方向张开变形，同时驱动开口钳夹持部分固定组件812前侧部分也随之有张开变形，最终实现驱动开口钳的张开，实现夹持操作。力和力矩传感器1前后两端分别与驱动开口钳安装端82和转接杆传感器安装孔23装配，光纤布拉格光栅传感器组通过传感器转接杆2的尾端与光纤光栅传感器解调仪3连接；驱动开口钳8的第二驱动管路穿过通道13和转接杆工作通道24与驱动装置4连接，可实现手持相关手术操作，也可以通过转接杆安装法兰22与机械臂连接，从而实现机器人控制手术操作，在手术操作过程中获得操作器械的力和力矩反馈数据。
如图21所示，给药针针管部分91根据需求设有一定的长度和内外径尺寸，实现手术药物通过给药针通道流通至目标位置；力和力矩传感器1前后两端分别与给药针安装端92和转接杆传感器安装孔23装配，光纤布拉格光栅传感器组通过传感器转接杆2的尾端与光纤光栅传感器解调仪3连接；给药针9的给药针通道穿过通道13和转接杆工作通道24与给药装置5连接，可实现手持相关手术操作，也可以通过转接杆安装法兰22与机械臂连接，从而实现机器人控制手术操作，在手术操作过程中获得操作器械的力和力矩反馈数据。
实施例3
如图1、图8至图12所示，本实施例包括：力和力矩传感器基底11、力和力矩传感器固定端12、通道13、力和力矩传感器安装端18以及光纤布拉格光栅传感器组；力和力矩传感器1一端设置力和力矩传感器固定端12，力和力矩传感器固定端12连接力和力矩传感器基底11，力和力矩传感器1另一端设置为力和力矩传感器安装端18，力和力矩传感器1内部设置通道13，通道13布置在力和力矩传感器基底11和力和力矩传感器固定端12内部；力和力矩传感器基底11上设置光纤布拉格光栅传感器装配槽组，光纤布拉格光栅传感器装配槽组内安装光纤布拉格光栅传感器组；力和力矩传感器基底11沿半剖面所在平面内设置大于等于一个拐角，拐角两端设置直线段，相邻两个直线段所在轴线形成夹角。光纤布拉格光栅传感器装配槽组包括大于等于一个光纤布拉格光栅传感器装配槽。光纤布拉格光栅传感器装配槽组从力和力矩传感器基底11一端延伸至力和力矩传感器基底11另一端，光纤布拉格光栅传感器装配槽允许盘绕在力和力矩传感器基底11上。光纤布拉格光栅传感器组包括大于等于一个光纤布拉格光栅传感器，光纤布拉格光栅传感器安装在光纤布拉格光栅传感器装配槽中并与光纤布拉格光栅传感器装配槽一一对应。光纤布拉格光栅传感器沿力和力矩传感器基底11延伸方向间隔刻蚀大于等于一个光纤布拉格光栅，大于等于一根光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个光纤布拉格光栅轴线与所在直线段轴线平行，大于等于一根光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个光纤布拉格光栅轴线与所在直线段轴线形成夹角。通道13包括单腔或多腔，力和力矩传感器固定端12周向设置十字结构。光纤布拉格光栅传感器的根数可以按需求选择，只要能够包括用于传感的所有光纤布拉格光栅即可。举例：如果只有一根光纤布拉格光栅传感器，且该光纤布拉格光栅传感器包括所有光纤布拉格光栅点，那么也可以实现感知。
如图2至图7所示，一种机械手采用多维力和力矩传感器，包括：传感器转接杆2、光纤光栅传感器解调仪3、驱动装置4、给药装置5以及操作工具；力和力矩传感器1一端连接传感器转接杆2，力和力矩传感器1另一端安装操作工具，传感器转接杆2允许连接光纤光栅传感器解调仪3、驱动装置4和给药装置5。传感器转接杆2包括：转接杆主杆体21、转接杆安装法兰22、转接杆传感器安装孔23以及转接杆工作通道24，转接杆主杆体21一端设置转接杆安装法兰22，转接杆主杆体21另一端设置转接杆传感器安装孔23；转接杆传感器安装孔23安装力和力矩传感器1，传感器转接杆2内部设置转接杆工作通道24，转接杆工作通道24包括单腔或多腔，转接杆工作通道24连通通道13，转接杆主杆体21沿轴向设置大于等于一个转接杆装配槽，转接杆装配槽与光纤布拉格光栅传感器装配槽组对应连接，转接杆主杆体21沿周向阵列均布凹槽结构。
如图13至图21所示，操作工具包括：被动钳6、驱动闭合钳7、驱动开口钳8以及给药针9；力和力矩传感器1允许安装被动钳6、驱动闭合钳7、驱动开口钳8或给药针9，被动钳6包括：被动钳夹持部分61、被动钳驱动部分62以及被动钳安装端63，被动钳驱动部分62一端连接被动钳夹持部分61，被动钳驱动部分62另一端连接被动钳安装端63，被动钳安装端63安装在力和力矩传感器安装端18上，驱动闭合钳7包括：驱动闭合钳夹持部分71和驱动闭合钳安装端72，驱动闭合钳夹持部分71连接驱动闭合钳安装端72，驱动闭合钳安装端72安装在力和力矩传感器安装端18上，驱动闭合钳夹持部分71包括：驱动闭合钳夹持部分固定组件711、驱动闭合钳夹持部分驱动组件712以及驱动闭合钳驱动组件安装孔713，驱动闭合钳夹持部分固定组件711连接驱动闭合钳夹持部分驱动组件712一端并通过驱动闭合钳夹持部分驱动组件712拉动闭合，驱动闭合钳夹持部分驱动组件712另一端连接驱动闭合钳驱动组件安装孔713，驱动闭合钳驱动组件安装孔713安装第一固定驱动丝，第一固定驱动丝连接驱动装置4，驱动开口钳8包括：驱动开口钳夹持部分81和驱动开口钳安装端82，驱动开口钳夹持部分81连接驱动开口钳安装端82，驱动开口钳安装端82安装在力和力矩传感器安装端18上；驱动开口钳夹持部分81包括：驱动开口钳夹持部分驱动组件811、驱动开口钳夹持部分固定组件812以及驱动开口钳驱动组件安装孔813，驱动开口钳夹持部分固定组件812连接驱动开口钳夹持部分驱动组件811一端并通过驱动开口钳夹持部分驱动组件811拉动张开，驱动开口钳夹持部分驱动组件811另一端连接驱动开口钳驱动组件安装孔813，驱动开口钳驱动组件安装孔813安装第二固定驱动丝，第二固定驱动丝连接驱动装置4；给药针9包括：给药针针管部分91和给药针安装端92，给药针针管部分91连接给药针安装端92，给药针安装端92安装在力和力矩传感器安装端18上，给药针9内部设置给药针通道，给药针通道连通通道13并通过通道13和转接杆工作通道24连通给药装置5。光纤布拉格光栅传感器组通过传感器转接杆2连接光纤光栅传感器解调仪3；驱动闭合钳7设置第一驱动管路，第一驱动管路通过通道13和转接杆工作通道24连接驱动装置4；驱动开口钳8设置第二驱动管路，第二驱动管路通过通道13和转接杆工作通道24连接驱动装置4。
实施例4
如图22所示，一种光纤布拉格光栅传感器装配槽组的布置方式。
力和力矩传感器基底11一侧光纤布拉格光栅传感器装配槽设置朝上侧弯曲盘旋处，力和力矩传感器基底11另一侧光纤布拉格光栅传感器装配槽设置朝下侧弯曲盘旋处且为对面侧光纤布拉格光栅传感器装配槽弯曲盘旋处绕轴线旋转180度后形成，两处弯曲盘旋处沿水平方向相交。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (3)
1.一种机械手，其特征在于，包括：多维力和力矩传感器，所述多维力和力矩传感器，包括：力和力矩传感器基底(11)、力和力矩传感器固定端(12)、通道(13)、力和力矩传感器安装端(18)以及光纤布拉格光栅传感器组；
力和力矩传感器(1)一端设置所述力和力矩传感器固定端(12)，所述力和力矩传感器固定端(12)连接所述力和力矩传感器基底(11)，所述力和力矩传感器(1)另一端设置为所述力和力矩传感器安装端(18)；
所述力和力矩传感器(1)内部设置所述通道(13)，所述通道(13)布置在所述力和力矩传感器基底(11)和所述力和力矩传感器固定端(12)内部；
所述力和力矩传感器基底(11)上设置光纤布拉格光栅传感器装配槽组，所述光纤布拉格光栅传感器装配槽组内安装所述光纤布拉格光栅传感器组；
所述力和力矩传感器基底(11)沿半剖面所在平面内设置大于等于一个拐角，所述拐角两端设置直线段，相邻两个所述直线段所在轴线形成夹角；
所述光纤布拉格光栅传感器装配槽组包括大于等于一个光纤布拉格光栅传感器装配槽；
所述光纤布拉格光栅传感器装配槽组从所述力和力矩传感器基底(11)一端延伸至所述力和力矩传感器基底(11)另一端；
所述光纤布拉格光栅传感器装配槽允许盘绕在所述力和力矩传感器基底(11)上；
所述光纤布拉格光栅传感器组包括大于等于一个光纤布拉格光栅传感器；
所述光纤布拉格光栅传感器安装在所述光纤布拉格光栅传感器装配槽中并与所述光纤布拉格光栅传感器装配槽一一对应；
所述光纤布拉格光栅传感器沿所述力和力矩传感器基底(11)延伸方向间隔刻蚀大于等于一个光纤布拉格光栅；
大于等于一根所述光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个所述光纤布拉格光栅轴线与所在所述直线段轴线平行；
大于等于一根所述光纤布拉格光栅传感器截面设置有大于等于一个所述光纤布拉格光栅轴线与所在所述直线段轴线形成夹角；
所述通道(13)包括单腔或多腔，所述力和力矩传感器固定端(12)周向设置十字结构；
机械手还包括：传感器转接杆(2)、光纤光栅传感器解调仪(3)、驱动装置(4)、给药装置(5)以及操作工具；
所述力和力矩传感器(1)一端连接所述传感器转接杆(2)，所述力和力矩传感器(1)另一端安装所述操作工具；
所述传感器转接杆(2)允许连接所述光纤光栅传感器解调仪(3)、所述驱动装置(4)和所述给药装置(5)；
所述操作工具包括：被动钳(6)、驱动闭合钳(7)、驱动开口钳(8)以及给药针(9)；
所述力和力矩传感器(1)允许安装所述被动钳(6)、所述驱动闭合钳(7)、所述驱动开口钳(8)或所述给药针(9)；
所述被动钳(6)包括：被动钳夹持部分(61)、被动钳驱动部分(62)以及被动钳安装端(63)；
所述被动钳驱动部分(62)一端连接所述被动钳夹持部分(61)，所述被动钳驱动部分(62)另一端连接所述被动钳安装端(63)，所述被动钳安装端(63)安装在所述力和力矩传感器安装端(18)上；
所述驱动闭合钳(7)包括：驱动闭合钳夹持部分(71)和驱动闭合钳安装端(72)；
所述驱动闭合钳夹持部分(71)连接所述驱动闭合钳安装端(72)，所述驱动闭合钳安装端(72)安装在所述力和力矩传感器安装端(18)上；
所述驱动闭合钳夹持部分(71)包括：驱动闭合钳夹持部分固定组件(711)、驱动闭合钳夹持部分驱动组件(712)以及驱动闭合钳驱动组件安装孔(713)；
所述驱动闭合钳夹持部分固定组件(711)连接所述驱动闭合钳夹持部分驱动组件(712)一端并通过所述驱动闭合钳夹持部分驱动组件(712)拉动闭合，所述驱动闭合钳夹持部分驱动组件(712)另一端连接所述驱动闭合钳驱动组件安装孔(713)，所述驱动闭合钳驱动组件安装孔(713)安装第一固定驱动丝，所述第一固定驱动丝连接所述驱动装置(4)；
所述驱动开口钳(8)包括：驱动开口钳夹持部分(81)和驱动开口钳安装端(82)；
所述驱动开口钳夹持部分(81)连接所述驱动开口钳安装端(82)，所述驱动开口钳安装端(82)安装在所述力和力矩传感器安装端(18)上；
所述驱动开口钳夹持部分(81)包括：驱动开口钳夹持部分驱动组件(811)、驱动开口钳夹持部分固定组件(812)以及驱动开口钳驱动组件安装孔(813)；
所述驱动开口钳夹持部分固定组件(812)连接所述驱动开口钳夹持部分驱动组件(811)一端并通过所述驱动开口钳夹持部分驱动组件(811)拉动张开，所述驱动开口钳夹持部分驱动组件(811)另一端连接所述驱动开口钳驱动组件安装孔(813)，所述驱动开口钳驱动组件安装孔(813)安装第二固定驱动丝，所述第二固定驱动丝连接所述驱动装置(4)；
所述给药针(9)包括：给药针针管部分(91)和给药针安装端(92)；
所述给药针针管部分(91)连接所述给药针安装端(92)，所述给药针安装端(92)安装在所述力和力矩传感器安装端(18)上，所述给药针(9)内部设置给药针通道，所述给药针通道连通所述通道(13)并通过所述通道(13)和所述转接杆工作通道(24)连通所述给药装置(5)。
2.根据权利要求1所述机械手，其特征在于，所述传感器转接杆(2)包括：转接杆主杆体(21)、转接杆安装法兰(22)、转接杆传感器安装孔(23)以及转接杆工作通道(24)；
所述转接杆主杆体(21)一端设置所述转接杆安装法兰(22)，所述转接杆主杆体(21)另一端设置所述转接杆传感器安装孔(23)；
所述转接杆传感器安装孔(23)安装所述力和力矩传感器(1)；
所述传感器转接杆(2)内部设置所述转接杆工作通道(24)，所述转接杆工作通道(24)包括单腔或多腔，所述转接杆工作通道(24)连通所述通道(13)；
所述转接杆主杆体(21)沿轴向设置大于等于一个转接杆装配槽，所述转接杆装配槽与所述光纤布拉格光栅传感器装配槽组对应连接；
所述转接杆主杆体(21)沿周向阵列均布凹槽结构。
3.根据权利要求1所述机械手，其特征在于：所述光纤布拉格光栅传感器组通过所述传感器转接杆(2)连接所述光纤光栅传感器解调仪(3)；
所述驱动闭合钳(7)设置第一驱动管路，所述第一驱动管路通过所述通道(13)和所述转接杆工作通道(24)连接所述驱动装置(4)；
所述驱动开口钳(8)设置第二驱动管路，所述第二驱动管路通过所述通道(13)和所述转接杆工作通道(24)连接所述驱动装置(4)。
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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 | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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