[发明专利]一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器

说明书

本发明提供了一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器，包括：六维微型力/力矩测量单元、FBG(布拉格光栅)光纤、标定算法、温度补偿算法和八通道光纤解调仪。通过一个弹性的六维力/力矩检测单元，当其受到力和力矩时，六根C型连杆产生形变，内部光栅被压缩或拉伸，光通过光栅时反射波长发生变化，通过标定算法得到所受力/力矩的大小和方向，并通过另一根光纤实现温度补偿。

技术领域

本发明涉及一种传感器技术领域，具体涉及一种基于FBG(布拉格光栅光纤)的六维微型力/力矩传感器能够用于腔镜手术中技术操作的力检测，属于力传感器领域。

背景技术

近年来，随着现代医学的发展，腔镜手术创伤小、疼痛感轻、术后恢复快且创口美观等特点受到了越来越多的关注，在医疗外科领域占据了重要的地位。在腔镜手术发展的过程中，随着腔镜手术机器人的问世，给腔镜手术带来了更多的可能性。腔镜手术机器人手术相较于普通腔镜手术所具有更灵活、缓解医生疲劳、消除医生手部抖动以及远程手术的特点，但是丧失了医生对于组织间的力觉感受。

发明内容

针对上述的不足，本发明提供了一种放置于手术机器人手术器械钳头与腕部之间的六维微型力/力矩传感器。

本发明的目的在于发明一种能够实现六维微型力/力矩的传感的设备。本发明基于多根FBG光纤，将光纤前部的光栅配合一个具有六根连杆的弹性体用于六维微型力/力矩的检测，并用力感标定算法来校准FBG传感器。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器，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。

所述六维微型力/力矩测量单元，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。

所述弹性体由三片弹性体V形分片组成、每个弹性体V形分片由四个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；所述光纤从下安装座经下部马蹄形铰链穿入并固定到C型连杆内壁上。

所述检测FBG共有六条，分布于每一根C型连杆的内侧壁上。

所述温度传感器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。

所述C型连杆内侧均有光纤固定槽。

光纤解调仪，用于将一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩测量单元形变时光纤产生的光信号转换为波长。

标定算法，用于根据多条光纤的波长得到各光纤的波长偏移量，并根据波长偏移量得到一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩测量单元各光纤光栅结点作用力的大小和方向。

温度补偿算法，用于消除温度的变化对于弹性体应变产生的影响。

一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器，包括以下步骤：

当一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩测量单元受力/力矩时，弹性体发生变形，内部光纤拉伸或压缩，使光栅反射波长发生变化；根据反射波长的变化得到作用力的大小和方向；

一种用于腔镜手术的六维微型力/力矩传感器，包括以下步骤：

1)根据毛细管中的光纤波长的变化量，计算温度：

其中，ΔT为温度变化量，c_T通过施加各种温度并计算线性系数来确定的，Δλ为光纤波长变化量，λ₀为中心波长；