三維測(cè)力傳感器和應(yīng)用三維測(cè)力傳感器的手術(shù)微器械指尖的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人微創(chuàng)外科手術(shù)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種三維測(cè)力傳感器和應(yīng)用 三維測(cè)力傳感器的手術(shù)微器械指尖。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)器人輔助微創(chuàng)外科手術(shù)是指醫(yī)生借助于各種視覺圖像的引導(dǎo)，操縱手術(shù)機(jī)器 人，將手術(shù)微器械沿著事先規(guī)劃好的手術(shù)路徑，經(jīng)過小切口送入病人體內(nèi)進(jìn)行觀察或治療， 從而最大程度地減小手術(shù)創(chuàng)傷、減輕痛苦、縮短術(shù)后恢復(fù)時(shí)間等。微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的運(yùn) 用解決了傳統(tǒng)的手術(shù)過程中存在醫(yī)生工作強(qiáng)度大、易疲勞、手術(shù)精度低、安全性差等缺點(diǎn)， 更提高了手術(shù)的質(zhì)量，能夠克服傳統(tǒng)微創(chuàng)傷手術(shù)的缺陷，可以拓寬微創(chuàng)手術(shù)的范圍，也可以 進(jìn)行手術(shù)仿真，還可以利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程手術(shù)等。
[0003] 對(duì)于當(dāng)前大部分微創(chuàng)手術(shù)機(jī)器人系統(tǒng)而言，無論是已經(jīng)商業(yè)化，還是處在臨床或 實(shí)驗(yàn)室階段，其構(gòu)型與控制等關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)達(dá)到比較成熟水平，利用機(jī)器人輔助能夠順利 實(shí)現(xiàn)微創(chuàng)手術(shù)，然而，這些手術(shù)機(jī)器人普遍存在的問題是缺少完備的力覺檢測(cè)功能，從而使 得手術(shù)過程較為繁瑣，手術(shù)的準(zhǔn)備時(shí)間也較長(zhǎng)等，即智能化和自動(dòng)化水平較低。手術(shù)機(jī)器人 微器械與人體組織器官之間的力覺交互信息在微創(chuàng)外科手術(shù)過程中具有極其重要的作用， 它能夠幫助醫(yī)生在手術(shù)過程中時(shí)刻感知組織器官的硬度，評(píng)估醫(yī)生操作的力度，通過組織 器官與手術(shù)微器械指尖雙方之間的力覺交互可以使得醫(yī)生施加適當(dāng)?shù)牟僮髁Γ渲邪ㄅc 組織的多維觸碰力和微器械指尖的夾持力，從而大幅度提高手術(shù)操作的效率、成功率以及 手術(shù)后的效果。因此深入研究微創(chuàng)外科手術(shù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)，提高手術(shù)微器械的智能化是十 分必要的課題。
[0004] 目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于微器械力傳感器的研究成果主要集中在將測(cè)力元件或傳感器安 裝在微器械的導(dǎo)桿或腕部上，例如專利號(hào)為US20100313679的專利書提出的帶有模塊化力 傳感器的手術(shù)微器械的示意圖，其測(cè)力元件粘貼在手術(shù)微器械的導(dǎo)管壁上，又如專利號(hào)為 CN201120130575.7的專利書提出的手術(shù)微器械三維力傳感器的示意圖，其傳感器安裝在微 器械指尖與腕部之間的連接件內(nèi)，雖然可實(shí)現(xiàn)測(cè)力功能，但這就使得測(cè)力傳感器與微器械 指尖距離較大，信號(hào)受外界干擾較嚴(yán)重，測(cè)量誤差大，不能真實(shí)的反應(yīng)微器械指尖末端真實(shí) 的測(cè)力情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了集成度高，測(cè)量精度高而提供一種三維測(cè)力傳感器和應(yīng)用三 維測(cè)力傳感器的手術(shù)微器械指尖。
[0006] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種三維測(cè)力傳感器，包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的E型等截 面梁，且兩個(gè)E型等截面梁以中間梁為公共梁呈空間垂直設(shè)置，兩個(gè)E型等截面梁的其余四 個(gè)梁分別是梁一至梁四，梁一和梁二的上表面、下表面、外側(cè)面和內(nèi)側(cè)面上以及梁三和梁四 的上表面和下表面上分別貼有應(yīng)變片，梁一上表面、梁一下表面、梁二上表面和梁二下表面 上的應(yīng)變片構(gòu)成測(cè)量X方向外力的等臂全橋電路，梁三上表面、梁三下表面、梁四上表面和 梁四下表面上的應(yīng)變片構(gòu)成測(cè)量Y方向外力的等臂全橋電路，梁一外側(cè)面、梁一內(nèi)側(cè)面、梁 二外側(cè)面和梁二內(nèi)側(cè)面上的應(yīng)變片構(gòu)成測(cè)量Z方向外力的等臂全橋電路。
[0007] 一種應(yīng)用所述的三維測(cè)力傳感器的手術(shù)微器械指尖，包括三維測(cè)力傳感器、微器 械指尖夾持部分和微器械指尖轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)部分，三維測(cè)力傳感器的梁一、梁二的端部與微器 械指尖夾持部分連接，三維測(cè)力傳感器的梁三、梁四的端部與微器械指尖轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)部分連 接。
[0008] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：1.本發(fā)明彈性體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小滿足需 求，靈敏度高，應(yīng)變敏感區(qū)處于單一表面，分辨率高，線性度好，維間耦合小，具有足夠的剛 度，可靠性高，測(cè)量范圍大。2.本發(fā)明整體體積小，設(shè)計(jì)巧妙，合理利用空間，安裝方便。3.本 發(fā)明微器械指尖夾持部分與三維測(cè)力傳感器部分為一體，集成度高，避免了零件連接產(chǎn)生 的摩擦等的影響。4.本發(fā)明應(yīng)變片粘貼方便，可構(gòu)成多組電橋，提高測(cè)量精度，應(yīng)變片引線 方便連接，容易布線。
【附圖說明】
[0009] 圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[00?0]圖2是本發(fā)明的三維坐標(biāo)示意圖；
[0011] 圖3是本發(fā)明的三維測(cè)力傳感器的示意圖；
[0012] 圖4是本發(fā)明的三維測(cè)力傳感器的具體結(jié)構(gòu)示意圖一；
[0013] 圖5是本發(fā)明的三維測(cè)力傳感器的具體結(jié)構(gòu)示意圖二；
[0014]圖6是本發(fā)明的應(yīng)變片所組成的等臂全橋電路原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0016] 結(jié)合附圖1，本發(fā)明是一種集成三維測(cè)力傳感器的手術(shù)微器械指尖，其組成包括： 微器械指尖夾持部分1，三維測(cè)力傳感器部分2,微器械指尖轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)部分3,微器械指尖夾 持部分主要實(shí)現(xiàn)夾持功能以及施加外力，三維力傳感器檢測(cè)手指鉗末端所受的三維外力， 轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)指尖的開合運(yùn)動(dòng)。
[0017] 結(jié)合附圖2、附圖3,本發(fā)明由兩個(gè)E型等截面梁垂直交匯構(gòu)成，兩E型的中間梁為公 共梁，連接兩個(gè)E型結(jié)構(gòu)，除中間公共梁之外，三維力傳感器彈性體由4個(gè)等截面梁構(gòu)成，即 梁一 L1、梁二L2、梁三L3與梁四L4,梁1和梁2的一端與微器械指尖夾持部分相連接，另一端 懸空，同樣，梁3和梁4的一端與指尖轉(zhuǎn)動(dòng)環(huán)節(jié)相連，另一端懸空，中間公共梁尺寸進(jìn)行特殊 設(shè)計(jì)，從而保證梁的剛度。
[0018] 結(jié)合圖4和圖5,三維力傳感器彈性體，當(dāng)延附圖2中坐標(biāo)系X軸負(fù)向施加一定外力 時(shí)，梁1與梁2變形較小，梁3與梁4變形較大，即面2-6與面2-8發(fā)生拉伸變形，面2-5與面2-7 發(fā)生壓縮變形，該四個(gè)面上的四個(gè)應(yīng)變片組成一個(gè)全橋電路進(jìn)而測(cè)出X軸方向的外力；當(dāng)y 軸正向施加外力時(shí)，梁3與梁4變形較小，梁1與梁2變形較大，此時(shí)面2-1與面2-3發(fā)生拉伸變 形，面2-2與面2-4發(fā)生壓縮變形，該四個(gè)面上的四個(gè)應(yīng)變片組成一個(gè)全橋電路進(jìn)而測(cè)出y軸 方向的外力，此時(shí)面2-9、面2-10、面2-11與面2-12變形相同，且同時(shí)延z軸向y軸方向發(fā)生彎 曲變形；當(dāng)Z軸正向施加外力是，梁1與梁2變形較大，此時(shí)面2-9、面2-10、面2-11與面2-12同 時(shí)發(fā)生拉伸變形，應(yīng)變片組成的全橋電路負(fù)責(zé)測(cè)量z軸方向的外力。
[0019] 結(jié)合附圖6,為本發(fā)明傳感器選用的等臂橋式電路原理圖，由于測(cè)量不同方向外力 所搭建電橋的應(yīng)變片組是相同規(guī)格的，因此現(xiàn)以測(cè)y向外力為例進(jìn)行闡述，應(yīng)變片辦粘貼在 面2-1正中心處、應(yīng)變片辦粘貼在面2-2上、應(yīng)變片R 3粘貼在面2-3上以及應(yīng)變片R4粘貼在面 2-4上用來測(cè)量y向外力，粘貼的一組應(yīng)變片構(gòu)成一個(gè)電橋測(cè)量一個(gè)方向的外力，同理，測(cè)量 X向外力和z向外力的應(yīng)變片組也是這樣粘貼的，具體粘貼規(guī)則如下文所述，電橋中的應(yīng)變 片阻值分別為1?1、1?2、1?3、1?4，八1? 1、八1?2、八1?3、八1?4分別為對(duì)應(yīng)應(yīng)變片電阻的變化值，電橋中應(yīng) 變片Ri兩端節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)C與節(jié)點(diǎn)A，應(yīng)變片R2兩端節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)A與節(jié)點(diǎn)D，應(yīng)變片R3兩端節(jié)點(diǎn)為 節(jié)點(diǎn)D與節(jié)點(diǎn)B，應(yīng)變片R4兩端節(jié)點(diǎn)為節(jié)點(diǎn)B與節(jié)點(diǎn)C，其中應(yīng)變片R1與R2串聯(lián)，應(yīng)變片R 3與R4 串聯(lián)，串聯(lián)的兩條支路并聯(lián)在節(jié)點(diǎn)C與節(jié)點(diǎn)D之間，而節(jié)點(diǎn)C、D兩端電壓U〇為電橋的輸入供電 電壓，節(jié)點(diǎn)A、B兩端電壓U sc為電橋的輸出測(cè)量電壓，三個(gè)電橋采用并聯(lián)方式進(jìn)行電路的搭 建，即每個(gè)電橋的輸入電壓值U〇相同，而輸出測(cè)量電壓U sc不同，具體公式推導(dǎo)如下文所述。
[0020] 材料的選擇：
[0021] 由于該手術(shù)微器械指尖集成三維測(cè)力傳感器，考慮加工強(qiáng)度，同時(shí)保證指尖的剛 度，材料選擇硬鋁合金2A12(LY12)，材料屬性:彈性模量E = 72MGa，泊松比μ = 0.33，密度P = 2780kg/m3，E型梁的截面為1mm正方形，長(zhǎng)度為5mm，彈性體長(zhǎng)度為6mm，寬度和厚度均為4mm; 傳感器應(yīng)變片選用Micro Instruments公司生產(chǎn)的SS-060-033-500PU-S4,娃型半導(dǎo)體應(yīng)變 計(jì)，S4型為4個(gè)電阻值接近溫度系數(shù)相同的可實(shí)現(xiàn)組內(nèi)溫度補(bǔ)償功能