一种用于微创外科手术机器人的三维力传感器。该传感器是由八片应变片构成的传感器阵列，该传感器阵列安装布置在靠近机械手末端的空心金属圆杆外周，并分成圆杆径向力测量和圆杆轴向力测量两个区域；在位于径向力测量区域加工出四个成正交布置的用于安装应变片的矩形平面，四个应变片对面组成两个半桥，每个半桥输出三根信号线，信号线从引线孔进入空心金属圆杆内，并由机械手的连接端引出；在位于轴向力测量区域的相对位置安装有两对应变片，四个应变片对称布局组成一个泊松桥，泊松桥输出四根信号线，信号线从引线孔进入圆杆内，由机械手的连接端引出。应变片外周覆盖用于电磁屏蔽的金属箔。本发明专利技术结构简单，灵敏度高，易于加工且成本较低。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微创外科手术机器人
，具体涉及一种用于微创外科手术机器人的三维力传感器。
技术介绍
借助于外科手术机器人系统提供的力觉临场感，可以使医生真实地感觉到机械手与患者的动态相互作用，帮助医生完成复杂精密的作业，力信息的缺失将导致医疗事故的发生。在微创外科手术机器人上实现力反馈功能的基本方法是在执行手术操作机械手上安装传感器采集多维力信号，处理后传送至医生操作手的控制器，控制各轴电机输出相应的扭矩，使医生能够真实地感受到手术过程中不断变化着的力信息。力传感器是力反馈系统的重要组成部分，用于微创外科手术机器人的力传感器需要具备以下条件①能够满足医疗环境的特殊要求工作环境潮湿、多次消毒处理等；②输出信号能够真实、稳定、可靠地反映相应方向的力信息；③安装传感器后要尽可能小地改变机械手的外形和强度，绝不能妨碍手术操作。受到上述设计要求的限制，目前市场上所售的微型多维力传感器均不能用于微创外科手术机器人系统，因此必须针对机械手的结构设计。一种典型的四自由度微创外科手术机械手如图1所示，机械手通过快换接口安装在手术机器人的机械臂末端，机械手包括了三个旋转和一个末端工具开合共四个自由度。 机械手中部是外径10 mm，长约500 mm的空心金属圆杆，杆内有六根起传动作用的细钢丝。 当机械手安装在微创外科手术机器人的机械臂上以后，还可以在机械臂的带动下完成空间三个自由度的平动。
技术实现思路
本专利技术目的是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，提供一种用于微创外科手术机器人的三维力传感器。本专利技术提供的用于微创外科手术机器人的三维力传感器，是由八片应变片构成的传感器阵列，该传感器阵列安装布置在靠近机械手末端的空心金属圆杆外周，并分成圆杆径向力测量和圆杆轴向力测量两个区域；径向力测量为X和Y两个方向的力I7X和Fy的测量，在位于径向力测量区域的空心金属圆杆外周切削加工出四个两两相对且成正交布置的用于安装应变片的矩形平面，在四个矩形平面的靠近机械手连接端一侧的空心金属圆杆上均加工出一个与空心金属圆杆内部贯通的引线孔，四个矩形平面上安装的应变片对面组成两个半桥，每个半桥输出三根信号线，三根信号线成一束由热缩管热缩包裹后从引线孔进入空心金属圆杆内，并由机械手的连接端引出；轴向力测量为Z方向的力内的测量，在位于轴向力测量区域的空心金属圆杆外周的相对位置安装有两对应变片，四个应变片对称布局组成一个泊松桥，其中一对应变片沿与空心金属圆杆轴向垂直粘贴，另一对应变片沿与空心金属圆杆中心轴向成5度夹角粘贴，在应变片的靠近机械手连接端一侧的空心金属圆杆上各开有一个与空心金属圆杆内部贯通的引线孔，所述泊松桥输出四根信号线，每二根信号线成一束由热缩管热缩包裹后从弓丨线孔进入空心金属圆杆内，由机械手的连接端引出。所述的空心金属圆杆径向力和轴向力测量的两个区域上安装的应变片外周覆盖用于电磁屏蔽的金属箔。金属箔外使用热缩管热缩包裹。本专利技术的优点和积极效果本专利技术结构简单，灵敏度高，易于加工且成本较低。附图说明图1是微创外科手术机器人中的机械手示意图2是机械手中部的空心金属圆杆及八片应变片构成的传感器阵列安装示意图； 图3是将图2绕圆杆轴线旋转180度的视图； 图4是图2中X向和Y向力测量区域的A-A向剖视图； 图5是图2中Z向力测量区域的B-B向剖视图。具体实施例方式实施例1:本专利技术拟测量在这三个平动自由度方向上机械手末端工具所受的力。手术开始时，机械手经固定在腹腔壁上的鞘管插入患者腹腔，为了测量机械手末端工具与患者内脏组织的接触力，将力传感器阵列布置在空心金属圆杆表面上靠近开合工具的位置(目的是为了避免机械手和鞘管之间的摩擦力对传感器的影响)。再考虑到传感器的输入电源线及输出信号线都要从空心金属圆杆中穿过，对空心金属圆杆进行一些切削加工以满足布置传感器阵列和引线的需要。1、本专利技术提供的用于微创外科手术机器人的三维力传感器，是由八片应变片构成的传感器阵列，八片应变片的布局方式如图2和图3所示，图3是将图2绕圆杆轴线旋转 180度的视图，该传感器阵列安装布置在靠近如图1所示的机械手末端的空心金属圆杆外周，八片应变片构成的传感器阵列分别测量X、Y和Z三个方向的力Fx、Fy和Fz，并分成圆杆径向力测量和圆杆轴向力测量两个区域(XYZ坐标系如图1所示，三个坐标轴相互垂直并交于一点)。本专利技术使用的机械手的具体结构可参见名称为《一种微创外科丝传动、四自由度手术工具》的200910306053. 5号专利/申请文件。2、径向力测量为X和Y两个方向的力h和Fy的测量，在位于径向力测量区域(如图2和图3中A-A截面处)的空心金属圆杆外周切削加工出四个两两相对且成正交布置的用于安装应变片的矩形平面标号9至12 (见图4)，在四个矩形平面的靠近机械手连接端一侧的空心金属圆杆上均加工出一个与空心金属圆杆内部贯通的引线孔标号13至16 (见图 4)，四个矩形平面上安装的应变片对面组成两个半桥，即图2和图3中的应变片1和3组成一个半桥，应变片2和4组成一个半桥，每个半桥输出三根信号线，三根信号线成一束由热缩管热缩包裹后从弓丨线孔进入空心金属圆杆内，并由机械手的连接端引出。粘贴应变片的外径为IOmm的空心金属圆杆，图中A-A截面处粘贴应变片的矩形区域(如图4中9，10，11和12所示)的尺寸为3.3X10mm。应变片贴在A-A截面处四个矩形区域的中部靠近引线孔的位置，四个应变片对面组成两个半桥。每个半桥输出三根信号线， 这三根信号线成一束由内径1.5mm的热缩管热缩包裹后从A-A截面左面的引线孔内进入圆杆内，由圆杆的左面引出，引出后导线的长度不小于200mm (仍然由热缩管包裹)。3、轴向力测量为Z方向的力！^的测量，在位于轴向力测量区域(如图2和图3中 B-B截面处，安装应变片的圆柱形区域的尺寸为 9. 2X 15mm，如图5中17所示)的空心金属圆杆外周的相对位置安装有两对应变片，如图2和图3中的应变片5、6、7和8所示，在应变片的靠近机械手连接端一侧的空心金属圆杆上各开有一个与空心金属圆杆内部贯通的引线孔18和19，应变片贴在B-B截面处圆柱形区域上靠近引线孔的位置，四个应变片对称布局组成一个泊松桥，其中一对应变片沿与空心金属圆杆轴向垂直粘贴，如图2和图3中的应变片5和7所示，另一对应变片沿与空心金属圆杆中心轴向成5度夹角粘贴，如图2和图 3中应变片6和8所示。所述泊松桥输出四根信号线，每二根信号线成一束由内径1. 5mm的热缩管热缩包裹后从B-B截面左面的引线孔进入空心金属圆杆内，由圆杆的左面引出，引出后导线的长度不小于200mm (仍然由热缩管包裹)。4、图2中A-A截面和B-B截面处粘贴应变片后覆盖用于电磁屏蔽的金属箔，金属箔与弹性细杆连接。A-A截面和B-B截面上粘贴应变片区域的最外层用内径12mm的热缩管热缩包裹。所有的缝隙，使用的和未使用的引线孔都用热熔胶密封。5、图2中A-A截面的矩形区域在用热缩管包裹后在右面留出长度不小于2mm的平面(该矩形区域的长度大于应变片的长度)，用于安装传感器时校正粘贴应变片的位置。权利要求1.一种用于微创外科手术机器人的三维力传感器，其特征在于所述的三维力传感器是由八片应变片构成的传感器阵列，该本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种用于微创外科手术机器人的三维力传感器，其特征在于所述的三维力传感器是由八片应变片构成的传感器阵列，该传感器阵列安装布置在靠近机械手末端的空心金属圆杆外周，并分成圆杆径向力测量和圆杆轴向力测量两个区域；径向力测量为Ｘ和Ｙ两个方向的力Ｆｘ和Ｆｙ的测量，在位于径向力测量区域的空心金属圆杆外周切削加工出四个两两相对且成正交布置的用于安装应变片的矩形平面，在四个矩形平面的靠近机械手连接端一侧的空心金属圆杆上均加工出一个与空心金属圆杆内部贯通的引线孔，四个矩形平面上安装的应变片对面组成两个半桥，每个半桥输出三根信号线，三根信号线成一束由热缩管热缩包裹后从引线孔进入空心金属圆杆内，并由机械手的连接端引出；轴向力测量为Ｚ方向的力Ｆｚ的测量，在位于轴向力测量区域的空心金属圆杆外周的相对位置安装有两对应变片，四个应变片对称布局组成一个泊松桥，其中一对应变片沿与空心金属圆杆轴向垂直粘贴，另一对应变片沿与空心金属圆杆中心轴向成５度夹角粘贴，在应变片的靠近机械手连接端一侧的空心金属圆杆上各开有一个与空心金属圆杆内部贯通的引线孔，所述泊松桥输出四根信号线，每二根信号线成一束由热缩管热缩包裹后从引线孔进入空心金属圆杆内，由机械手的连接端引出。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：代煜，张建勋，王树新，李进华，何超，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：发明
国别省市：12
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