基于图像反馈的六维力传感器、夹持探头及夹持器械制造技术

本公开提供一种基于图像反馈的六维力传感器、夹持探头及夹持器械，包括：接触端；弹性变形体，在接触端受到作用力时，该弹性变形体发生变形；标记块，包括N个特征点，当弹性变形体变形导致接触端偏移和/或偏转时，标记块随接触端移动和/或转动，N≥4；基座，与弹性变形体贴合设置，用于支撑弹性变形体；图像信息识别模块，用于实时捕捉标记块的图像信息并进行处理；以及接触力建模模块，利用处理后的图像信息得出接触端与人体组织的接触力。本公开提供的基于图像反馈的六维力传感器、夹持探头及夹持器械采用基于图像反馈的检测方法，使医生能够有效的了解手术器械末端与患者人体组织之间的夹持力，提高了手术的效率和安全性。

Six dimensional force sensor, clamping probe and clamping device based on image feedback

The present disclosure provides a six-dimensional force sensor, a clamping probe and a clamping apparatus based on image feedback, including: a contact end; an elastic deformable body that deforms when the contact end is subjected to force; and a marker block, including N characteristic points, when the elastic deformable body deforms and causes the contact end to deflect and/or deflect, a marker. The block moves and/or rotates with the contact end, N (> 4); the pedestal is fitted with the elastic deformable body to support the elastic deformable body; the image information recognition module is used to capture and process the image information of the marker block in real time; and the contact force modeling module is used to obtain the contact end and human tissue by the processed image information. Contact force. The six-axis force sensor, clamping probe and clamping device provided by the disclosure adopt the detection method based on image feedback, so that doctors can effectively understand the clamping force between the end of the surgical instrument and the patient's human body tissue, thereby improving the efficiency and safety of the operation.

【技术实现步骤摘要】
基于图像反馈的六维力传感器、夹持探头及夹持器械
本公开涉及微创手术夹持器械
，尤其涉及一种基于图像反馈的六维力传感器、夹持探头及夹持器械。
技术介绍
微创手术是指医生利用细长的手术工具通过人体表面的微小切口探入到体内进行操作的手术。与传统的开放式手术操作相比，微创外科手术为患者带来巨大的好处，包括极大减小创伤面积，减少术中出血量，降低手术风险和并发症，减轻术后痛苦，减小手术创伤疤痕，缩短住院治疗时间等。在微创外科手术过程中，医生借助细长的微创手术器械实施手术操作任务，手术器械的一端由医生手持操作，另一端通过人体表面的微小切口探入到体内进行手术操作，因此，手术器械是唯一与人体病变组织相接触的部分，也是直接执行手术动作的唯一工具。然而，在实现本公开的过程中，本公开专利技术人发现，虽然微创手术给病人带来了明显的好处，但对医生的手术水平提出了更高的要求。外科医生对病灶组织和手术工具末端的触觉传感缺失，降低了医生手部操作的灵活性，使手术操作不具备手眼协调性，为手术操作带来很多不利因素，例如：潜在的安全性问题、延长手术操作时间、使医生严重依赖视觉反馈等，极大影响了微创手术的顺利进行。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题基于上述技术问题，本公开提供一种基于图像反馈的六维力传感器、夹持探头及夹持器械，以缓解现有技术中的夹持器械在使用过程中，外科医生对病灶组织和手术工具末端的触觉传感缺失，降低了医生手部操作的灵活性，使手术操作不具备手眼协调性，为手术操作带来很多不利因素的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供一种基于图像反馈的六维力传感器，包括：接触端，其与人体组织直接接触；弹性变形体，与所述接触端贴合设置，在所述接触端受到作用力时，该弹性变形体发生变形；标记块，包括N个特征点，设置在所述弹性变形体内，与所述接触端固定设置，当所述弹性变形体变形导致接触端偏移和/或偏转时，所述标记块随所述接触端移动和/或转动，N≥4；基座，与所述弹性变形体贴合设置，用于支撑所述弹性变形体；图像信息识别模块，用于实时捕捉所述标记块的图像信息并进行处理；以及接触力建模模块，利用处理后的图像信息得出所述接触端与人体组织的接触力。在本公开的一些实施例中，其中：所述图像信息识别模块包括：光纤内窥镜，用于实时捕捉所述标记块的图像信息；图像信息处理单元，接收所述光纤内窥镜捕捉的图像信息，利用所述图像信息得到所述标记块的所述特征点的图像坐标信息；所述接触力建模模块接收所述图像信息处理单元得到的所述图像坐标信息，并执行如下操作：根据所述特征点的所述图像坐标信息，结合所述标记块的几何形状，计算所述特征点的空间三维坐标；根据所述特征点的三维坐标，计算所述接触端的移动量和转动量；根据所述接触端的移动量和转动量，得到所述弹性变形体的形变状态；根据所述弹性变形体的形变状态，利用所述弹性变形体的刚度模型，求出所述接触端与人体组织的接触力的大小和方向。在本公开的一些实施例中，所述弹性变形体包含：透明硅胶，所述光纤内窥镜抵设在所述弹性变形体上；所述标记块为四面体，所述特征点为四面体的顶点。根据本公开的另一个方面，还提供一种基于图像反馈的六维力传感夹持探头，包括：本公开提供的基于图像反馈的六维力传感器；其中，所述基座包括：探头基座，以及由所述探头基座的端部向外延伸形成的托台，所述弹性变形体设置在所述托台上；以及活动钳片，与所述探头基座铰接连接；其中，所述接触端与所述活动钳片相对设置，所述光纤内窥镜设置在所述探头基座的内部，所述活动钳片沿其与所述探头基座的铰接轴转动，实现与所述接触端的开合运动，与所述接触端协同夹持人体组织。根据本公开的再一个方面，还提供一种基于图像反馈的六维力传感夹持器械，包括：操作手柄单元，用于施加作用力；力传导单元，与所述操作手柄单元连接，用于传导所述作用力；本公开提供的基于图像反馈的六维力传感夹持探头，与所述力传导单元连接，利用所述作用力实现所述活动钳片与所述接触端的开合运动，协同夹持人体组织；以及外壳，分别与所述操作手柄单元和所述探头基座固定连接，罩设在所述力传导单元外侧，用于辅助实现力传导。在本公开的一些实施例中，其中：所述力传导单元包括：拉杆，其一端与所述操作手柄单元连接，另一端与所述活动钳片连接；其中，所述外壳罩设在所述拉杆外侧，当所述操作手柄单元带动所述拉杆沿所述外壳运动时，所述拉杆带动所述活动钳片相对所述接触端开启或闭合。在本公开的一些实施例中，其中：所述探头基座包括：拉杆槽，设置在所述探头基座内，用于当所述拉杆伸入所述探头基座时，引导所述拉杆的运行轨迹；限位槽，沿所述拉杆槽的延伸方向，对称设置在所述拉杆槽的两侧，用于引导所述活动钳片的运动轨迹，以限制所述活动钳片开合运动的开口范围；所述力传导单元还包括：两根活动钳片连杆，相对于所述活动钳片的对称面镜像设置，其一端与所述活动钳片铰接连接，另一端与所述拉杆铰接连接；其中，所述活动钳片连杆和所述拉杆通过销铰接连接，所述销嵌合于所述限位槽内，当所述拉杆沿所述拉杆槽运动时，所述拉杆带动所述活动钳片连杆的一端沿所述限位槽运动，所述活动钳片连杆的另一端带动所述活动钳片沿其与所述探头基座的铰接轴转动。在本公开的一些实施例中，其中：所述探头基座还包括：滑动槽，沿所述限位槽的延伸方向设置，用于约束所述活动钳片和所述活动钳片连杆的运动轨迹；所述活动钳片连杆上设置有：凸起，对称设置在两根所述活动钳片连杆与所述拉杆的铰接点上，用于使所述活动钳片连杆的一端嵌合于所述滑动槽内。在本公开的一些实施例中，所述操作手柄单元包括：固定端，与所述外壳固定连接，包括：手柄连接件，与所述外壳固定连接，其上设置有用于所述拉杆通过的拉杆通道；以及固定手柄，与所述手柄连接件固定连接，用于提供施力基础；以及活动端，与所述固定端铰接连接，且与所述拉杆连接，包括：活动手柄，与所述手柄连接件铰接连接，用于与所述固定手柄配合实现抓握；以及活动手柄连杆，一端与所述活动手柄铰接连接，另一端与拉杆连接件铰接连接；其中，所述拉杆的一端从所述拉杆通道伸出，并与所述拉杆连接件固定连接，所述活动手柄、所述活动手柄连杆以及所述拉杆连接件构成摇杆滑块机构，所述活动手柄为主动摇杆，所述活动手柄连杆为从动连杆，所述拉杆连接件为滑块，所述拉杆连接件带动所述拉杆在所述拉杆通道内作直线运动。在本公开的一些实施例中，其中：所述固定端还包括：导向件，设置在所述固定手柄上，用于为所述拉杆导向并提供辅助支撑，该导向件上设置有导向孔，对应所述拉杆通道设置，用于伸入所述拉杆；其中，所述探头基座、所述外壳以及所述手柄连接件内部均对应设置有光纤内窥镜通道。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开提供的基于图像反馈的六维力传感器、夹持探头及夹持器械具有以下有益效果其中之一或其中一部分：(1)采用基于图像反馈的检测方法，使医生能够有效的了解手术器械末端与患者人体组织之间的夹持力，提高了手术的效率和安全性；(2)标记块的尺寸可以设计的很小，几乎不会增加手术器械构型，且不会增加医生的操作难度；(3)通过设计特殊的标记块形状并建立合理的刚度模型，提供的力传感方案能够检测器械末端六维方向受力，且该传感器可以获得较高的检测精度；(4)采用透明硅胶制作弹性变形体能够便于光纤内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于图像反馈的六维力传感器，包括：接触端，其与人体组织直接接触；弹性变形体，与所述接触端贴合设置，在所述接触端受到作用力时，该弹性变形体发生变形；标记块，包括N个特征点，设置在所述弹性变形体内，与所述接触端固定设置，当所述弹性变形体变形导致接触端偏移和/或偏转时，所述标记块随所述接触端移动和/或转动，N≥4；基座，与所述弹性变形体贴合设置，用于支撑所述弹性变形体；图像信息识别模块，用于实时捕捉所述标记块的图像信息并进行处理；以及接触力建模模块，利用处理后的图像信息得出所述接触端与人体组织的接触力。

【技术特征摘要】
1.一种基于图像反馈的六维力传感器，包括：接触端，其与人体组织直接接触；弹性变形体，与所述接触端贴合设置，在所述接触端受到作用力时，该弹性变形体发生变形；标记块，包括N个特征点，设置在所述弹性变形体内，与所述接触端固定设置，当所述弹性变形体变形导致接触端偏移和/或偏转时，所述标记块随所述接触端移动和/或转动，N≥4；基座，与所述弹性变形体贴合设置，用于支撑所述弹性变形体；图像信息识别模块，用于实时捕捉所述标记块的图像信息并进行处理；以及接触力建模模块，利用处理后的图像信息得出所述接触端与人体组织的接触力。2.根据权利要求1所述的六维力传感器，其中：所述图像信息识别模块包括：光纤内窥镜，用于实时捕捉所述标记块的图像信息；图像信息处理单元，接收所述光纤内窥镜捕捉的图像信息，利用所述图像信息得到所述标记块的所述特征点的图像坐标信息；所述接触力建模模块接收所述图像信息处理单元得到的所述图像坐标信息，并执行如下操作：根据所述特征点的所述图像坐标信息，结合所述标记块的几何形状，计算所述特征点的空间三维坐标；根据所述特征点的三维坐标，计算所述接触端的移动量和转动量；根据所述接触端的移动量和转动量，得到所述弹性变形体的形变状态；根据所述弹性变形体的形变状态，利用所述弹性变形体的刚度模型，求出所述接触端与人体组织的接触力的大小和方向。3.根据权利要求2所述的六维力传感器，所述弹性变形体包含：透明硅胶，所述光纤内窥镜抵设在所述弹性变形体上；所述标记块为四面体，所述特征点为四面体的顶点。4.一种基于图像反馈的六维力传感夹持探头，包括：如上述权利要求2至3中任一项所述的基于图像反馈的六维力传感器；其中，所述基座包括：探头基座，以及由所述探头基座的端部向外延伸形成的托台，所述弹性变形体设置在所述托台上；以及活动钳片，与所述探头基座铰接连接；其中，所述接触端与所述活动钳片相对设置，所述光纤内窥镜设置在所述探头基座的内部，所述活动钳片沿其与所述探头基座的铰接轴转动，实现与所述接触端的开合运动，与所述接触端协同夹持人体组织。5.一种基于图像反馈的六维力传感夹持器械，包括：操作手柄单元，用于施加作用力；力传导单元，与所述操作手柄单元连接，用于传导所述作用力；如上述权利要求4所述的基于图像反馈的六维力传感夹持探头，与所述力传导单元连接，利用所述作用力实现所述活动钳片与所述接触端的开合运动，协同夹持人体组织；以及外壳，分别与所述操作手柄单元和所述探头基座固定连接，罩设在所述力传导单元外侧，用于辅助实现力传导。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：李进华，李旭莹，王树新，刘宏斌，张国凯，白军焕，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12