CN117338434A - 一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器 - Google Patents

一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器 Download PDF

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何广平
赵成浩
张成杰
孙文栋
刘健龙
袁俊杰
张萌颖
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    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • A61B34/30—Surgical robots
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
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Abstract

本发明属于手术机器人领域，公开了一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其设置在手术机器人的操作臂与驱动件之间，包括与驱动件固接的固定底座，固定底座远离驱动件之间设置固接有弹性体支撑梁；弹性体支撑梁上设置有用于安装操作臂的安装段；弹性体支撑梁上设置有测量组件，测量组件组成惠斯通电桥回路；弹性体支撑梁上开设有若干应变孔；测量组件包括若干第一应变片和若干第二应变片，第一应变片分别位于安装段的两侧，第二应变片分别位于安装段的两侧。本发明结构简单，使用方便，既解决了手术机器人结构尺寸小不便安装传感器的难题，同时又克服了传统的接触力经过多级传动被大大削弱的缺陷。

Description

一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器
技术领域
本发明属于手术机器人领域，尤其涉及一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器。
背景技术
传统的开放式手术具有切口大、出血多、术后刀口愈合时间长以及患者住院时间长，同时手术时长时间保持一定姿势，体力消耗大，手术风险高的风险；经皮内镜介入手术机器人作为一种高难度、高精细的手术设备，需要在末端搭载多种灵巧操作器械来完成一系列的缝合、夹持、剥离等手术操作。
但是目前国内外关于手术机器人操作臂末端状态的反馈基本还是基于外部透镜或介入内镜的视觉反馈，而当机械臂进入人体内，容易受到血液或人体组织的干扰，使得操作人员不能及时准确判断操作臂是否与人体环境发生接触。尤其是面向脊柱手术时，往往需要进行组织切除、烧灼等操作，因此烧灼后进行夹持剥离时需要反馈当前的操作力，另外人体脊柱内神经系统发达，必须确保操作臂不会和人体环境发生较大力的接触。同时，主流的多孔刚性达芬奇手术机器人Endowrist不具备力感知功能，仅依靠视觉进行操作，而且微创介入内镜手术机器人的操作臂末端执行工具尺寸比较小，无法安装合适的传感器用于反馈，且在介入时受血液或人体组织的干扰，皮肤传感器也无法很好的展示其性能，另外因尺寸限制MEMS传感器的制作成本和难度都较高。
因此，本申请设计了一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器来解决上述的技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器。
为实现上述目的，本发明提供了一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其设置在手术机器人的操作臂与驱动件之间，包括与所述驱动件固接的固定底座，所述固定底座远离所述驱动件之间设置固接有弹性体支撑梁；
所述弹性体支撑梁上设置有用于安装所述操作臂的安装段；所述弹性体支撑梁上设置有测量组件，所述测量组件组成惠斯通电桥回路；
所述弹性体支撑梁上开设有若干应变孔；
所述测量组件包括若干第一应变片和若干第二应变片，所述第一应变片分别位于所述安装段的两侧，所述第二应变片分别位于所述安装段的两侧。
优选的，所述固定底座设置为半圆形，所述弹性体支撑梁的两端分别与所述固定底座远离所述驱动件的一侧的直径端固接。
优选的，所述固定底座上等间距贯穿开设有若干安装孔。
优选的，所述弹性体支撑梁包括对称固接在所述固定底座上的竖梁，两所述竖梁之间固接有横梁，所述安装段固接在所述横梁上。
优选的，所述应变孔包括若干第一孔洞和第二孔洞，若干所述第一孔洞关于所述安装段对称开设在所述横梁上，所述第二孔洞开设在所述竖梁上，且若干所述第二孔洞关于所述安装段对称布置。
优选的，若干所述第一应变片固接在所述横梁与所述固定底座端面平行的两侧面，且若干所述第一应变片关于所述安装段对称布置，位于所述安装段同一侧的第一应变片位于所述第一孔洞两侧。
优选的，若干所述第二应变片分别布置在竖梁上，两所述竖梁上的若干所述第二应变片关于所述安装段布置；位于同一所述竖梁上的若干所述第二应变片位于所述第二孔洞的两侧。
优选的，若干所述第一应变片桥式连接，若干所述第二应变片桥式连接。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：本发明公开了一种用于介入式脊柱内镜手术机器人操作臂的二维力感知传感器，其设计为一体化结构，弹性体支撑梁通过固定底座安装到驱动件上，弹性体支撑梁上的支撑组件包括第一应变片和第二应变片组成惠斯通电桥，可以同时测量操作臂在进给和旋转操作时与人体组织发生接触时的感知力，弥补了现有介入式内镜手术机器人医生仅依靠视觉反馈进行操作的缺陷，医生可以根据传感器提供的信息，更加精准地进行手术操作，减少因误操作引起的风险，增加了手术时的安全性，提高了医生的工作效率；同时利用该传感器，医生可以更加专注于手术的核心步骤，减少了不必要的操作时间，从而为广大患者带来更好的治疗效果。
本发明结构简单，使用方便，既解决了手术机器人结构尺寸小不便安装传感器的难题，同时又克服了传统的接触力经过多级传动被大大削弱的缺陷。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明用于介入式脊柱内镜手术机器人操作臂就结构示意图；
图2为本发明二维力感知传感器结构示意图；
图3为本发明二维力感知传感器受力示意图；
图4为本发明测量组件电路示意图；
图5为本发明工作流程图；
图中：1、操作臂；2、二维力感知传感器；3、流线型导线过渡装置；4、驱动件；21、固定底座；22、安装孔；23、弹性体支撑梁；24、安装段；25、竖梁；26、横梁；27、第一孔洞；28、第二孔洞；29、第一应变片；210、第二应变片。
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。
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。
参照图1-图5所示，本实施例提供一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其设置在手术机器人的操作臂1与驱动件4之间，包括与驱动件4固接的固定底座21，固定底座21远离驱动件4之间设置固接有弹性体支撑梁23；
弹性体支撑梁23上设置有用于安装操作臂1的安装段24；弹性体支撑梁23上设置有测量组件，测量组件组成惠斯通电桥回路；
弹性体支撑梁23上开设有若干应变孔；
测量组件包括若干第一应变片29和若干第二应变片210，第一应变片29分别位于安装段24的两侧，第二应变片210分别位于安装段24的两侧。
本发明公开了一种用于介入式脊柱内镜手术机器人操作臂1的二维力感知传感器2，其设计为一体化结构，弹性体支撑梁23通过固定底座21安装到驱动件4上，弹性体支撑梁23上的支撑组件包括第一应变片29和第二应变片210组成惠斯通电桥，可以同时测量操作臂1在进给和旋转操作时与人体组织发生接触时的感知力，弥补了现有介入式内镜手术机器人医生仅依靠视觉反馈进行操作的缺陷，医生可以根据传感器提供的信息，更加精准地进行手术操作，减少因误操作引起的风险，增加了手术时的安全性，提高了医生的工作效率；同时利用该传感器，医生可以更加专注于手术的核心步骤，减少了不必要的操作时间，从而为广大患者带来更好的治疗效果。
进一步的，二维力感知传感器2安装在操作臂1的根部，既解决了因操作末端结构尺寸小不便安装传感器的难题，同时又克服了传统的将传感器安装在驱动装置附近，所受接触力经过多级传动被大大削弱的缺陷。
进一步的，驱动件4括包括进给机构及旋转机构两种动力模式，分别用于操作臂1的进退和旋转运动，主要由驱动电机和直线往复机构组成；二维力感知传感器2用于测量机器人在执行所述两种运动时与人体环境发生接触时的拉压力和扭矩。
进一步的，本实施例的驱动件4的根部安装有流线型导线过渡装置3，为操作臂1弯曲关节驱动线的导向过渡装置，内部有流线型穿线导向通道，用于连接操作臂1；二维力感知传感器2安装在流线型导线过渡装置3与驱动件4之间。
进一步的，操作臂1包括与二维力传感器之间的刚性管，其尖端搭载操作工具，刚性管与操作工具之间为操作臂1灵巧关节，用于完成操作臂1的灵巧弯曲。
进一步的，刚性管优选壁厚0.25mm薄壁圆管。
进一步的，刚性管的根部与二维力感知传感器2的安装段24进行连接；本实施例中，安装段24直径为6mm，管壁厚0.25mm，受结构尺寸限制，不便用传统的机械连接结构进行装配，此处优选过盈配合。
进一步优化方案，固定底座21设置为半圆形，弹性体支撑梁23的两端分别与固定底座21远离驱动件4的一侧的直径端固接；固定底座21上等间距贯穿开设有若干安装孔22。二维力感知传感器2整体为一半圆结构，固定底座21通过若干贯穿设置的安装孔22与流线型导线过渡装置3进行连接。
进一步的，本实施例上的安装孔22设置有三个，相邻的安装孔22之间的间隔角度为40°。
进一步优化方案，弹性体支撑梁23包括对称固接在固定底座21上的竖梁25，两竖梁25之间固接有横梁26，安装段24固接在横梁26上。两个固接在固定底座21上的竖梁25和固接在两个竖梁25之间的横梁26构成一个左右对称的“口”字梁结构，当横梁26受到拉压力时，横梁26为受力结构，因此选择该横梁26测量拉压力，两侧竖梁25用于测量旋转扭矩。
进一步优化方案，应变孔包括若干第一孔洞27和第二孔洞28，若干第一孔洞27关于安装段24对称开设在横梁26上，第二孔洞28开设在竖梁25上，且若干第二孔洞28关于安装段24对称布置。横梁26两侧作为承力部位连接两侧竖梁25，因此该区域不能开孔洞，同时为了增大应变区域，并使得应变大小均匀，横梁26上的第一孔洞27由两个椭圆形状交织形成，该形状最大应变区域分布在大椭圆部位，上下部位应变大小接近，左右应变相等；竖梁25结构尺寸较所述横梁26结构尺寸稍大，因此根据竖梁25的结构形式和受力特点，在其两侧各开一跑道型的第二孔洞28。
进一步优化方案，若干第一应变片29固接在横梁26与固定底座21端面平行的两侧面，且若干第一应变片29关于安装段24对称布置，位于安装段24同一侧的第一应变片29位于第一孔洞27两侧；若干第二应变片210分别布置在竖梁25上，两竖梁25上的若干第二应变片210关于安装段24布置；位于同一竖梁25上的若干第二应变片210位于第二孔洞28的两侧；若干第一应变片29桥式连接，若干第二应变片210桥式连接。本实施例中，第一应变片29的数量为四片，分别粘贴在横梁26上的第一孔洞27的上下两侧，第二应变片210的数量也是四片，分别粘贴在第二孔洞28的两侧，且第一应变片29和第二应变片210位于不同的侧面。
进一步的，参照附图3可知，第一应变片29按照附图的顺序标记为R1、R2、R3和R4，且桥式连接；当弹性体支撑梁23受到其中一维力的时候，另外一维力的4个电阻式应变片应变方向全部相同，因此其惠斯通电桥不会形成差动效应，以此实现传感器的维间相互解耦；同时根据附图3可知，操作臂1进退时受到拉压力F1和F2，此时上面横梁26呈悬臂受力状态。当受到拉力F1时横梁26孔洞上侧薄壁呈微压缩状态，下侧薄壁呈微拉伸状态，即应变片R1和R3受到压缩阻值减小，电阻式应变片R2和R4受到拉伸阻值增大，根据惠斯通电桥的和差特性，即相邻两电阻反相变化，所产生的输出电压的变化将相互叠加，将R1、R2、R3、R4组成惠斯通全桥电路，其组桥形式如图4(a)所示，此电桥任一应变片与相邻两第一应变片29均为反相变化。
进一步的，参照附图3，第二应变片210编号为R5、R6、R7和R8，当介入式脊柱手术机器人执行旋转运动，操作臂1与人体环境发生接触时，接触力传导至二维力感知传感器2，此时二维力感知传感器2受到扭矩T作用，以顺时针方向扭矩T为例进行分析，此时根据受力状态和结构特点，该扭矩T可以等效为一力偶矩，该力偶矩为横梁26和两侧竖梁25交叉部位的两个等大反向的力FT1和FT2产生，即T＝M(FT1,FT2)＝Fd，其中d为横梁26的长度；根据等效受力可以清晰的看出图3所示左侧竖梁25在力FT1作用下后面薄壁呈微压缩状态，前面薄壁呈微拉伸状态；同理右侧竖梁25在力FT2作用下前面薄壁呈微压缩状态，后面薄壁呈微拉伸状态，即电阻式应变片R5和R8受到压缩阻值减小，电阻式应变片R6和R7受到拉伸阻值增大；根据惠斯通电桥的和差特性，将R5、R6、R7、R8组成惠斯通全桥电路，其组桥形式如图4(b)所示，此电桥任一电阻式应变片与相邻两桥臂电阻应变片均为反相变化。
进一步的，第一应变片29和第二应变片210选用压阻式应变片，优选敏感栅尺寸2.0mmx2.1mm，基底尺寸4.8mmx3.4mm,阻值为350欧姆的应变片。
进一步的，横梁26和竖梁25上用于粘贴第一应变片29和第二应变片210的区域壁厚均为0.5mm，横梁26和竖梁25宽度均为4mm。
使用方法；
参照附图5，当脊柱手术机器人执行旋转或进给操作时，当操作臂1与人体环境发生接触，接触力将会传导给二维力感知传感器2，导致弹性体支撑梁23产生应变，进而引起粘贴在其表面的第一应变片29和第二应变片210，组成的惠斯通电桥阻值发生变化，电桥输出微弱电压信号，这个信号经过信号调理电路的滤波和放大处理后，会输出一个更为稳定且数值变化更明显的模拟电压信号，该模拟电压经数据采集卡采集处理后，传导至PC操作界面。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“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发明，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发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其设置在手术机器人的操作臂(1)与驱动件(4)之间，其特征在于：包括与所述驱动件(4)固接的固定底座(21)，所述固定底座(21)远离所述驱动件(4)之间设置固接有弹性体支撑梁(23)；
所述弹性体支撑梁(23)上设置有用于安装所述操作臂(1)的安装段(24)；所述弹性体支撑梁(23)上设置有测量组件，所述测量组件组成惠斯通电桥回路；
所述弹性体支撑梁(23)上开设有若干应变孔；
所述测量组件包括若干第一应变片(29)和若干第二应变片(210)，所述第一应变片(29)分别位于所述安装段(24)的两侧，所述第二应变片(210)分别位于所述安装段(24)的两侧。
2.根据权利要求1所述的经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其特征在于：所述固定底座(21)设置为半圆形，所述弹性体支撑梁(23)的两端分别与所述固定底座(21)远离所述驱动件(4)的一侧的直径端固接。
3.根据权利要求2所述的经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其特征在于：所述固定底座(21)上等间距贯穿开设有若干安装孔(22)。
4.根据权利要求1所述的经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其特征在于：所述弹性体支撑梁(23)包括对称固接在所述固定底座(21)上的竖梁(25)，两所述竖梁(25)之间固接有横梁(26)，所述安装段(24)固接在所述横梁(26)上。
5.根据权利要求4所述的经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其特征在于：所述应变孔包括若干第一孔洞(27)和第二孔洞(28)，若干所述第一孔洞(27)关于所述安装段(24)对称开设在所述横梁(26)上，所述第二孔洞(28)开设在所述竖梁(25)上，且若干所述第二孔洞(28)关于所述安装段(24)对称布置。
6.根据权利要求5所述的经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其特征在于：若干所述第一应变片(29)固接在所述横梁(26)与所述固定底座(21)端面平行的两侧面，且若干所述第一应变片(29)关于所述安装段(24)对称布置，位于所述安装段(24)同一侧的第一应变片(29)位于所述第一孔洞(27)两侧。
7.根据权利要求6所述的经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其特征在于：若干所述第二应变片(210)分别布置在竖梁(25)上，两所述竖梁(25)上的若干所述第二应变片(210)关于所述安装段(24)布置；位于同一所述竖梁(25)上的若干所述第二应变片(210)位于所述第二孔洞(28)的两侧。
8.根据权利要求6所述的经皮脊柱手术机器人二维力感知传感器，其特征在于：若干所述第一应变片(29)桥式连接，若干所述第二应变片(210)桥式连接。
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