[发明专利]一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器

摘要

本发明提出了一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器，主要由九条光纤布拉格光栅分别粘贴在空心玻璃纤维圆杆上经八条轴向切槽切割后形成的四条窄梁和四条宽梁上构成，并分别负责空心玻璃纤维圆杆2末端执行器所受径向力Fx和Fy、轴向力Fz和扭矩Mz的测量。为增加力感知的灵敏度，对空心玻璃纤维杆进行了镂空切割；为了减小各维力之间的耦合，对切割后剩余的四条窄梁的一端根部进行倾斜切削使四条窄梁形成悬臂梁，降低了多维力之间的耦合。此外，针对光纤光栅易受温度影响的情况，在空心玻璃纤维圆杆外壁同时布置了温度补偿光栅。本发明精度高，不受电磁干扰影响，成本较低。

主权项

1.一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人四维力传感器，其特征在于：所述的四维力传感器由九条光纤布拉格光栅粘贴在空心玻璃纤维圆杆(2)上经切割和切削后形成的窄梁或宽梁上构成，负责空心玻璃纤维圆杆(2)末端执行器所受径向力、轴向力和力矩的测量，其中径向力测量为X轴和Y轴两个方向的力Fx和Fy的测量，轴向力测量为Z轴方向的力Fz的测量，力矩测量为Z方向的扭矩Mz的测量；所述空心玻璃纤维圆杆(2)靠近末端执行工具的位置由八条轴向切槽(61、62、63、64、65、66、67、68)切割出四条轴向的窄梁，顺次称为第一至第四窄梁(71、73、75、77)，四个窄梁间隔90度成正交分布，分别用来粘贴径向力测量的光纤布拉格光栅，在相邻两个窄梁之间的空心玻璃纤维圆杆(2)的杆体部分称为宽梁，同样有四个，顺次称为第一至第四宽梁(72、74、76、78)，分别用来粘贴测量Z方向的力Fz和扭矩Mz的光纤布拉格光栅；九条光纤布拉格光栅分别粘贴于空心玻璃纤维圆杆(2)外周，具体的第一FBG(11)沿轴向布置在第一窄梁(71)上，第二FBG(12)沿轴向布置在相对一侧的第三窄梁(75)上，第三FBG(21)沿轴向布置在第二窄梁(73)上，第四FBG(22)沿轴向布置在第四窄梁(77)上，第五FBG(31)和第六FBG(32)沿轴向分别布置在相对一侧的两个宽梁(72和76，或74和78)上，第七FBG(41)和第八FBG(42)沿与杆轴向成45°分别布置在另外两个宽梁(74和78，或72和76)上，第九FBG(5)沿与杆轴向成90°布置在未经切割和切削处的空心玻璃纤维圆杆(2)的杆体上。