[发明专利]一种三维力传感器及测量方法

说明书

本发明涉及一种三维力传感器及测量方法，包括底座、中心柱、应变弹性体、贴片温度传感器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅，将第一光纤光栅、第二光纤光栅分别设置在相垂直的两个水平梁上，第三光纤光栅设置在中心柱的侧面上，中心柱的底面垂直固定在底座的中心，中心柱与内圆环之间间隙配合，三个光纤光栅分别测量三个方向上的力，实现了外科医生在使用微创外科手术机器人时的力觉感知。并且在中心柱的顶面上设置贴片温度传感器，测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度，从而可以准确得知第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅只在应变下的中心波长漂移量，提高了三维方向上力的测量的准确性。

技术领域

本发明涉及多维力传感技术领域，特别是涉及一种三维力传感器及测量方法。

背景技术

微创手术中手术机器人在外科医生的操作下对病患病人进行手术。医生在操作主手运动的时候，控制系统可以采集主手的位置信息并将该位置信息传递给从手系统，从而驱动从手完成相应的手术操作。视觉反馈系统则为医生提供手术过程中的图像信息。而现有临床应用的机器人手术器械均无交互力测量功能，操作者在手术过程中无法感知交互力，力信息的缺失很容易导致医疗事故的发生。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维力传感器及测量方法，以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。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三维力传感器，所述力传感器包括：底座、中心柱、应变弹性体、贴片温度传感器、第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅；

应变弹性体包括外圆环、内圆环和平面应变梁；所述平面应变梁包括四个水平梁，四个水平梁呈十字型结构布置；四个水平梁的一端均与所述外圆环的内壁连接，四个水平梁的另一端均与所述内圆环的外壁连接；所述外圆环通过螺纹连接的方式安装在机器人的关节部位上；

所述中心柱的底面垂直固定在所述底座的中心，所述中心柱的顶面从所述内圆环的中部穿过，且所述中心柱与所述内圆环之间间隙配合；

所述贴片温度传感器设置在所述中心柱的顶面上；所述贴片温度传感器用于测量所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅所在的环境温度；

所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅分别设置在平面应变梁的相垂直的两个水平梁上，所述第三光纤光栅设置在所述中心柱的侧面上；所述第一光纤光栅用于测量第一维方向上的力，所述第二光纤光栅用于测量第二维方向上的力，所述第三光纤光栅用于测量第三维方向上的力。

进一步地，所述外圆环、所述内圆环和所述平面应变梁为一体结构且采用弹性材料制成，所述中心柱的材料也为弹性材料。

进一步地，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅分别粘贴于相垂直的两个水平梁的上表面且靠近内圆环。

进一步地，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅和所述第三光纤光栅通过光纤依次连接。

进一步地，所述力传感器还包括：上端盖；

所述上端盖卡紧在所述外圆环的内壁中；

所述上端盖开设一通孔，所述光纤的首端和尾端均穿过所述通孔与外部解调设备相连。

进一步地，所述力传感器还包括：外壳；

所述外壳固定在所述外圆环与所述底座之间。

进一步地，所述底座上开设螺纹孔，所述底座通过所述螺纹孔安装在机器人的关节部位上。

一种三维力传感器测量方法，应用于前述的三维力传感器，所述方法包括：

通过三维力传感器的贴片温度传感器测量第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅所在的环境温度；