[发明专利]一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器

权利要求书

1.一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器，其特征在于，包括：六维微型力/力矩测量单元、光纤解调仪、温度补偿算法、标定算法。

2.根据权利要求1所述的六维微型力/力矩测量单元，其特征在于，包括：触摸球头、下安装座、弹性体、传感器支撑杆、传感器保护壳、检测FBG(布拉格光栅光纤)、光纤保护套和温度传感器。

3.根据权利要求2所述的弹性体，其特征在于，由三片弹性体V形分片组成，每个弹性体V性分片由两个上马蹄形铰链、两个个下马蹄形铰链以及两根C型连杆构成，形成侧壁并通过螺钉固定于触摸球头与下安装座之间，形成中空结构；所述检测FBG从下安装座经下马蹄形铰链粘贴并固定到C型连杆内壁上。

4.根据权利要求2所述的检测FBG，其特征在于，检测FBG共有六条，分布于每一根C型连杆的内侧壁上。

5.根据权利要求2所述的温度传感器，其特征在于，包括一根细钢管和一根FBG，细钢管内穿入FBG，并安装在下安装座上，用于测量温度的变化。

6.根据权利要求3所述的C型连杆，其特征在于，内侧均加工有半圆形FBG固定槽。

7.根据权利要求1所述的六维微型力/力矩测量单元，其特征在于，所述弹性体V行分片沿弹性体轴线等角度分布，并与光纤解调仪连接。

8.根据权利要求1所述的光纤解调仪，其特征在于，用于测量六维微型力/力矩测量单元形变时检测FBG中光信号的波长变化。

9.根据权利要求1所述的温度补偿算法，其特征在于，用于消除温度变化对于弹性体应变产生的影响，根据细钢管中的FBG波长的变化量，计算温度变化量：

其中，ΔT为温度变化量，c_T为温度补偿系数，Δλ为光纤波长变化量，λ₀为初始波长。

10.根据权利要求1所述的标定算法，其特征在于，依据Λ＝CF经过矩阵变化得到C＝F[(ΛΛ^T)^-1Λ]^T并通过最小二乘法来求得标定矩阵C，其中F为外部载荷矩阵，Λ为六根检测FBG经过温度补偿后的波长变化矩阵。

11.根据权利要求1～7所述的一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器，其特征在于，当一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩测量单元承受外作用力/力矩时，弹性体发生变形，检测FBG产生拉伸或压缩，使光栅反射波长发生变化；根据反射波长的变化得到外作用力/力矩的大小和方向。

12.根据权利要求1所述的一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器，其特征在于，采用标定矩阵获得外作用力/力矩，包括以下步骤：

当一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器在受到不同大小、方向上的力/力矩时，同时采集六根检测FBG波长的变化值，六根检测FBG波长的变化值记录到波长变化矩阵中；

将传感器承受的外作用力/力矩的大小和方向记录到外加负载矩阵中，将外加负载矩阵与波长变化矩阵的广义逆相乘，并通过最小二乘法获得六维微型力/力矩传感器的标定矩阵；

在一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器承受外部作用力/力矩时，根据检测FBG波长的变化值与标定矩阵的逆之间的关系(F＝C^-1Λ)检测所受力/力矩的值。