一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器及其使用方法与流程

1.本发明涉及腹腔微创手术领域，特别是一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器及其使用方法。

背景技术：

2.在腹腔镜微创手术过程中，医生根据内窥镜视觉反馈，操作主手机械臂，控制系统获取主手位置信息，通过计算控制从手机械臂跟随运动，医生凭视觉反馈和经验来感知估计从手机械臂的器械末端与组织接触力，现有临床应用的手术机器人普遍缺少力反馈。目前，力反馈控制在微创手术机器人的研究中备受关注，能够实时感知手术过程中的接触力对手术的安全、完成时间有重要意义。
3.在微创手术机器人中力反馈控制的作用：对异常组织的判断，如肿瘤、动脉钙化等异常组织会表现出与正常组织不同的力觉感受，力反馈可以帮助医生对病情的进一步确认；给医生力觉临场感，防止手术过程中操作力过大，对患者二次伤害，严重的情况下甚至会威胁到患者的生命。
4.微创手术机器人的力反馈控制的流程为：首先通过从手末端手术器械的多维力传感器获取力信息；控制系统通过计算后对主手电机进行力矩控制，使医生获得力觉临场感。
5.在力反馈控制的前提是通过多维力传感器准确获取组织交互力，而手术环境对传感器有以下限制：
①
满足手术环境中消毒处理、温度变化等限制；
②
具有足够的刚度，以保证手术过程中的安全性；
③
足够的灵敏度以保证测量精度。

技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器及其使用方法，该传感器可以在医生操作微创手术机器人过程中，实时精确检测组织与器械接触力，减少误操作对病患带来的伤害，提升手术安全性，是微创手术机器人的力反馈控制的重要组成部分。
7.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
8.一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器，包括应变弹性体和光纤光栅传感器；所述应变弹性体为一体式结构且采用弹性材料制成，应变弹性体包括上圆盘、下圆盘和三条螺旋梁，螺旋梁的顶端与上圆盘的底端连接，螺旋梁的底端与下圆盘的顶端连接，三条螺旋梁在上圆盘和下圆盘的圆周上分别间隔120度分布；光纤光栅传感器包括依次连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅；第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅分别设置于螺旋梁的斜面上，第四光纤光栅设置于下圆盘表面。
9.作为本发明的进一步优选，第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅分别沿螺旋梁斜面的上表面中心线设置。
10.作为本发明的进一步优选，还包括光纤光栅解调仪，第一光纤光栅的首端和第四光纤光栅的尾端均与光纤光栅解调仪连接。
11.作为本发明的进一步优选，第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅与螺旋梁的连接为固定连接，连接方式为胶水封装。
12.作为本发明的进一步优选，第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅均为布拉格光栅光纤。
13.作为本发明的进一步优选，三维力传感器的外径为8mm。
14.一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器的使用方法，
15.步骤一、通过第四光纤光栅的中心波长与检测波长获得第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅因温度变化而产生的波长变化量；
16.步骤二、分别获取第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅的检测波长，并根据中心波长和检测波长得到第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅的波长变化量；
17.步骤三、根据第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅的波长变化量和第四光纤光栅的波长变化量，得到消除温度应变后的仅由外力应变引起的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅波长变化量；
18.步骤四、由步骤三得到的基于外力应变产生的波长变化量，通过光纤光栅传感器应变与波长的关系公式，得到光纤光栅传感器所在弹性结构的应变量；
19.步骤五、根据最小二乘法获得的解耦和有外力产生的应变量，最终得到各维度检测力的大小。
20.作为本发明的进一步优选，光纤光栅传感器的反射波长变化量受轴向应变和温度变化影响，关系式为：
[0021][0022]
式中，λ为光纤光栅的初始中心波长，δλ为波长偏移量，pe为光纤的有效弹光系数，α为光纤光栅所用材料的热膨胀系数，η为光纤热光系数，δt是温度变化量，ε是轴向应变。
[0023]
作为本发明的进一步优选，螺旋梁上三处弹性应变与远程载荷的三维力之间的关系表示为：
[0024]
f＝mε
[0025]
其中，ε＝[ε1ε2ε3]
t
为最终得到第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅所在位置的应变，f＝[f
x f
y fz]
t
为检测的三维力，m∈r3×3为待求解的标定矩阵；
[0026]
通过最小二乘法对m矩阵进行求解，通过测得n组应变ε与施加的力f，可以得到：
[0027][0028]
其中，i＝1,2,
…
,n；
[0029]
求解得：
[0030]
m＝fε
t
(εε
t
)-1
。
[0031]
本发明具有如下有益效果：
[0032]
受背景技术中的要求限制，同时商业化的多维传感器具有固定尺寸和结构，因此本发明设计是基于光纤光栅力传感器，当外界有力或力矩载荷施加时，弹性体产生的应变、
位移等形变信息，光纤光栅布置在弹性体上，应变、位移等形变信息作用于光纤光栅上，使光纤光栅中心波长产生漂移，通过检测该波长的漂移信息来获取所受的外界力或力矩载荷信息。光纤光栅传感器相比电阻、电容等传统传感器，具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温，且能在复杂环境中工作等优点。
[0033]
具体的，与传统三维力传感器相比，本发明基于光纤光栅设计的三维力传感器的有益效果为：
[0034]
第一：本发明采用光纤光栅传感器，以波长变化量为传感器输出，相比传统电阻应变式三维力传感器，具有良好的电磁兼容性和耐腐蚀性，能工作在消毒处理、温度变化的手术环境中；
[0035]
第二：三维力传感器采用的螺旋弹性体结构在小体积和足够安全的刚度约束下，具有较好的灵敏度。
[0036]
第三：本发明仅用到3个光纤光栅力传感器，节省成本；
[0037]
第四：体积小，三维力传感器的外径仅为8mm，较好的适配微创手术器械。
[0038]
第五：通过第四光纤光栅代替温度传感器进行温度补偿。
附图说明
[0039]
图1是本发明一种用于腹腔微创手术的三维力传感器的系统示意图。
[0040]
图2是本发明一种用于腹腔微创手术的三维力传感器的弹性体结构示意图。
[0041]
图3是本发明一种用于腹腔微创手术的三维力传感器的光纤光栅布置示意图。
[0042]
其中有：1.三维力传感器；2.光纤光栅解调仪；3.计算机；101.上圆盘；102.螺旋梁、103.下圆盘；104.用于力检测的光纤光栅；105.用于温度补偿的光纤光栅。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0044]
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
[0045]
本发明的目的是提供一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器，该传感器可以在医生操作微创手术机器人过程中，实时精确检测组织与器械接触力，减少误操作对病患带来的伤害，提升手术安全性，是微创手术机器人的力反馈控制的重要组成部分。
[0046]
如附图1所示，为用于腹腔微创手术的三维力传感器的系统示意图，其中包括三维力传感器1，光纤光栅解调仪2，计算机3。三维力传感器1的光栅光纤与光纤光栅解调仪2进行光信号传输，光纤光栅解调仪2与计算机3进行数字信号传输。
[0047]
所述三维力传感器1包括应变弹性体和光纤光栅传感器。
[0048]
如附图2所示，为用于腹腔微创手术的三维力传感器的弹性体结构示意本发明的力传感器，弹性应变体有上圆盘101、下圆盘103和三根螺旋梁102组成，为一体结构且采用弹性材料304钢制成，其弹性模量e＝2.04*10
11
n/m2，泊松比μ＝0.285。材料有很好的耐腐蚀
性、生物兼容性、抗冲击性、抗疲劳性、较高的强度、较低的杨氏模量、较低的迟滞性，并且易于加工。上圆盘101和下圆盘103与手术器械管壁刚性连接，三根螺旋梁102在圆盘圆周上间隔120度分布，向上连接上圆盘101，向下连接下圆盘103，螺旋梁102的螺旋角度、厚度、宽度由结构优化后确定。
[0049]
如附图3所示，为用于腹腔微创手术的三维力传感器的光纤光栅布置示意图。
[0050]
本发明所使用的光纤均为布拉格光栅光纤。包括用于力检测的光纤光栅104与用于温度补偿的光纤光栅105。第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅为用于力检测的光纤光栅104，第四光纤光栅为用于温度补偿的光纤光栅105。第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅分别布置在三个螺旋梁102的斜面上表面的中心线处，用来检测远端三维力，由于相互之间存在耦合效应，这也是多维力传感器都存在的问题，通过后续标定解耦进行解决。
[0051]
第四光纤光栅布置在下圆盘103表面，不受施加载荷的影响而产生应变，其中心波长偏移量不受载荷力的影响，仅受温度变化影响，用来对第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅进行温度补偿。
[0052]
第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅通过光纤依次连接。第一光纤光栅的首端和第四光纤光栅的尾端与外部解调设备相连，第一光纤光栅的尾端和第二光纤光栅的首端相连，第二光纤光栅尾端与第三光纤光栅首端相连，第三光纤光栅尾端与第四光纤光栅的首端相连。
[0053]
本发明的体积小，三维力传感器1的外径仅为8mm，较好的适配微创手术器械。
[0054]
光纤光栅的原理是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯上刻写的周期性折射率调制栅格，以激光作为检测和传输信号。单根光纤上刻写多个不同中心波长光栅，形成分布式测量。
[0055]
光纤光栅解调仪2与光纤光栅传感器连接，用于向光纤光栅传感器发射激光，接收光纤光栅传感器返回特定波长的激光，将激光信号转换为数字电信号，并解调出各个光栅点所对应的波长。
[0056]
本发明的三维力传感器1检测过程为：
[0057]
螺旋梁102上的第一光纤、第二光纤、第三光纤分别与三个螺旋梁102固定连接，优选采用胶水封装，光纤的刚度相比于螺旋梁102的刚度可以忽略不计，当螺旋梁102产生应变时，光纤可产生相同的应变，光纤内光栅的应变与光栅坐在位置处螺旋梁102的应变相同。
[0058]
三维力传感器1固定在手术器械靠近驱动端，器械末端与组织接触产生交互力，由于三维力传感器1的上圆盘101与器械管壁刚性连接，传递至螺旋梁102，在一定的比例极限范围内应力与应变成线性比例关系产生弹性应变，使得螺旋梁102上的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅波长发生偏移。
[0059]
当宽带光在光纤光栅中传播时，满足特定条件的波长将会被反射回来，反射光满足布拉格反射条件：
[0060]
λb＝2n
ef
λ
[0061]
光纤光栅传感器的反射波长变化量受轴向应变和温度变化影响，关系式为：
[0062][0063]
式中，λ为光纤光栅的初始中心波长，δλ为波长偏移量，pe为光纤的有效弹光系数，α为光纤光栅所用材料的热膨胀系数，η为光纤热光系数，δt是温度变化量，ε是轴向应变。
[0064]
第四光纤光栅仅受温度变化影响，第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅同时受到温度和载荷产生的应变的影响。
[0065][0066][0067]
因此通过光纤的4个光栅的波长偏移量可以得到螺旋梁102上第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅所在位置仅由载荷引起的应变。
[0068][0069]
螺旋梁102上三处弹性应变与远程载荷的三维力之间的关系表示为：
[0070]
f＝mε
[0071]
其中，ε＝[ε
1 ε
2 ε3]
t
为最终得到第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅所在位置的应变，f＝[f
x f
y fz]
t
为检测的三维力，m∈r3×3为待求解的标定矩阵。
[0072]
通过最小二乘法对m矩阵进行求解，通过测得n组应变ε与施加的力f，可以得到：
[0073][0074]
其中，i＝1,2,
…
,n。
[0075]
求解得：
[0076]
m＝fε
t
(εε
t
)-1
[0077]
基于光纤光栅的应变与标定矩阵可以得到检测三维力，与施加载荷计算可以得到平均误差，以检验方法的可行性与标定矩阵的准确性。
[0078]
本三维力传感器1利用光纤光栅波长漂移量作为传感器的输出信号，通过第四光纤光栅实现温度补偿，从而解决了手术中温度变化问题；与传统的电压作为输出信号的电阻式三维力传感器1相比，具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、耐高温，且能在复杂环境中工作等优点，可满足手术器械结构小，需反复消毒等特殊要求。
[0079]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器，其特征在于：包括应变弹性体和光纤光栅传感器；所述应变弹性体为一体式结构且采用弹性材料制成，应变弹性体包括上圆盘(101)、下圆盘(103)和三条螺旋梁(102)，螺旋梁(102)的顶端与上圆盘(101)的底端连接，螺旋梁(102)的底端与下圆盘(103)的顶端连接，三条螺旋梁(102)在上圆盘(101)和下圆盘(103)的圆周上分别间隔120度分布；光纤光栅传感器包括依次连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅；第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅分别设置于螺旋梁(102)的斜面上，第四光纤光栅设置于下圆盘(103)表面。2.根据权利要求1所述的一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器，其特征在于：第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅分别沿螺旋梁(102)斜面的上表面中心线设置。3.根据权利要求1所述的一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器，其特征在于：还包括光纤光栅解调仪(2)，第一光纤光栅的首端和第四光纤光栅的尾端均与光纤光栅解调仪(2)连接。4.根据权利要求2所述的一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器，其特征在于：第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅与螺旋梁(102)的连接为固定连接，连接方式为胶水封装。5.根据权利要求1所述的一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器，其特征在于：第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅均为布拉格光栅光纤。6.根据权利要求1所述的一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器，其特征在于：三维力传感器(1)的外径为8mm。7.一种基于权利要求1-6任一项所述的一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器的使用方法，其特征在于：步骤一、通过第四光纤光栅的中心波长与检测波长获得第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅因温度变化而产生的波长变化量；步骤二、分别获取第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅的检测波长，并根据中心波长和检测波长得到第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅的波长变化量；步骤三、根据第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅的波长变化量和第四光纤光栅的波长变化量，得到消除温度应变后的仅由外力应变引起的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅波长变化量；步骤四、由步骤三得到的基于外力应变产生的波长变化量，通过光纤光栅传感器应变与波长的关系公式，得到光纤光栅传感器所在弹性结构的应变量；步骤五、根据最小二乘法获得的解耦和有外力产生的应变量，最终得到各维度检测力的大小。8.根据权利要求7所述的一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器的使用方法，其特征在于：光纤光栅传感器的反射波长变化量受轴向应变和温度变化影响，关系式为：式中，λ为光纤光栅的初始中心波长，δλ为波长偏移量，p
e
为光纤的有效弹光系数，α为光纤光栅所用材料的热膨胀系数，η为光纤热光系数，δt是温度变化量，ε是轴向应变。
9.根据权利要求7所述的一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器的使用方法，其特征在于：螺旋梁(102)上三处弹性应变与远程载荷的三维力之间的关系表示为：f＝mε其中，ε＝[ε
1 ε
2 ε3]
t
为最终得到第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅所在位置的应变，f＝[f
x f
y f
z
]
t
为检测的三维力，m∈r3×3为待求解的标定矩阵；通过最小二乘法对m矩阵进行求解，通过测得n组应变ε与施加的力f，可以得到：其中，i＝1,2,
…
,n；求解得：m＝fε
t
(εε
t
)-1
。

技术总结

本发明公开了一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器及其使用方法，包括应变弹性体和光纤光栅传感器；所述应变弹性体为一体式结构且采用弹性材料制成，应变弹性体包括上圆盘、下圆盘和三条螺旋梁，螺旋梁的顶端与上圆盘的底端连接，螺旋梁的底端与下圆盘的顶端连接，三条螺旋梁在上圆盘和下圆盘的圆周上分别间隔120度分布；光纤光栅传感器包括依次连接的第一光纤光栅、第二光纤光栅、第三光纤光栅和第四光纤光栅；第一光纤光栅、第二光纤光栅和第三光纤光栅分别设置于螺旋梁的斜面上，第四光纤光栅设置于下圆盘表面。该传感器可以在医生操作微创手术机器人过程中，实时精确检测组织与器械接触力，减少误操作对病患带来的伤害，提升手术安全性。提升手术安全性。提升手术安全性。