[发明专利]用于微创外科手术机器人的三维力传感器

说明书

技术领域

本发明属于微创外科手术机器人技术领域，具体涉及一种用于微创外科手术机器人的三维力传感器。

背景技术

借助于外科手术机器人系统提供的力觉临场感，可以使医生真实地感觉到机械手与患者的动态相互作用，帮助医生完成复杂精密的作业，力信息的缺失将导致医疗事故的发生。

在微创外科手术机器人上实现力反馈功能的基本方法是：在执行手术操作机械手上安装传感器采集多维力信号，处理后传送至医生操作手的控制器，控制各轴电机输出相应的扭矩，使医生能够真实地感受到手术过程中不断变化着的力信息。力传感器是力反馈系统的重要组成部分，用于微创外科手术机器人的力传感器需要具备以下条件：①能够满足医疗环境的特殊要求：工作环境潮湿、多次消毒处理等；②输出信号能够真实、稳定、可靠地反映相应方向的力信息；③安装传感器后要尽可能小地改变机械手的外形和强度，绝不能妨碍手术操作。受到上述设计要求的限制，目前市场上所售的微型多维力传感器均不能用于微创外科手术机器人系统，因此必须针对机械手的结构设计。

一种典型的四自由度微创外科手术机械手如图１所示，机械手通过快换接口安装在手术机器人的机械臂末端，机械手包括了三个旋转和一个末端工具开合共四个自由度。机械手中部是外径10 mm，长约500 mm的空心金属圆杆，杆内有六根起传动作用的细钢丝。当机械手安装在微创外科手术机器人的机械臂上以后，还可以在机械臂的带动下完成空间三个自由度的平动。

发明内容

本发明目的是解决外科医生在使用微创外科手术机器人时的力觉临场感缺失问题，提供一种用于微创外科手术机器人的三维力传感器。

本发明提供的用于微创外科手术机器人的三维力传感器，是由八片应变片构成的传感器阵列，该传感器阵列安装布置在靠近机械手末端的空心金属圆杆外周，并分成圆杆径向力测量和圆杆轴向力测量两个区域；径向力测量为X和Y两个方向的力Fx和Fy的测量，在位于径向力测量区域的空心金属圆杆外周切削加工出四个两两相对且成正交布置的用于安装应变片的矩形平面，在四个矩形平面的靠近机械手连接端一侧的空心金属圆杆上均加工出一个与空心金属圆杆内部贯通的引线孔，四个矩形平面上安装的应变片对面组成两个半桥，每个半桥输出三根信号线，三根信号线成一束由热缩管热缩包裹后从引线孔进入空心金属圆杆内，并由机械手的连接端引出；轴向力测量为Z方向的力Fz的测量，在位于轴向力测量区域的空心金属圆杆外周的相对位置安装有两对应变片，四个应变片对称布局组成一个泊松桥，其中一对应变片沿与空心金属圆杆轴向垂直粘贴，另一对应变片沿与空心金属圆杆中心轴向成5度夹角粘贴，在应变片的靠近机械手连接端一侧的空心金属圆杆上各开有一个与空心金属圆杆内部贯通的引线孔，所述泊松桥输出四根信号线，每二根信号线成一束由热缩管热缩包裹后从引线孔进入空心金属圆杆内，由机械手的连接端引出。

所述的空心金属圆杆径向力和轴向力测量的两个区域上安装的应变片外周覆盖用于电磁屏蔽的金属箔。金属箔外使用热缩管热缩包裹。

本发明的优点和积极效果：

本发明结构简单，灵敏度高，易于加工且成本较低。

附图说明

图1是微创外科手术机器人中的机械手示意图；

图2是机械手中部的空心金属圆杆及八片应变片构成的传感器阵列安装示意图；

图3是将图2绕圆杆轴线旋转180度的视图；

图4是图2中X向和Y向力测量区域的A-A向剖视图；

图5是图2中Z向力测量区域的B-B向剖视图。

具体实施方式

实施例1：

本发明拟测量在这三个平动自由度方向上机械手末端工具所受的力。手术开始时，机械手经固定在腹腔壁上的鞘管插入患者腹腔，为了测量机械手末端工具与患者内脏组织的接触力，将力传感器阵列布置在空心金属圆杆表面上靠近开合工具的位置（目的是为了避免机械手和鞘管之间的摩擦力对传感器的影响）。再考虑到传感器的输入电源线及输出信号线都要从空心金属圆杆中穿过，对空心金属圆杆进行一些切削加工以满足布置传感器阵列和引线的需要。

1、本发明提供的用于微创外科手术机器人的三维力传感器，是由八片应变片构成的传感器阵列，八片应变片的布局方式如图2和图3所示，图3是将图2绕圆杆轴线旋转180度的视图，该传感器阵列安装布置在靠近如图1所示的机械手末端的空心金属圆杆外周，八片应变片构成的传感器阵列分别测量X、Y和Z三个方向的力Fx、Fy和Fz，并分成圆杆径向力测量和圆杆轴向力测量两个区域（XYZ坐标系如图1所示，三个坐标轴相互垂直并交于一点）。