多动能触觉传感器及测量方法与流程

本发明涉及一种多功能触觉传感器及测量方法，特别涉及用于生物组织硬度测量以及介入手术器械末端及侧壁接触力测量的传感器及测量方法。

背景技术：

近年来，由于不健康的饮食生活习惯、较大的生活及工作压力、人口老龄化等原因，高血压、血脂异常、冠心病等心血管疾病患者越发越多，由心血管疾病引发的致残率和死亡率逐年上升。微创介入手术以出血少、创伤小、痛苦轻和术后恢复快等优点，在当前的心脑血管疾病的诊断和治疗中得到日益广泛的应用。

介入手术器械的操作对医生有严格的要求，稍有不慎就会对组织及血管造成伤害，存在安全隐患，影响手术效率。此外，当人体组织发生病变后，其硬度会发生变化，尽管目前利用影像手段可以得到组织的状态，但无法像触诊那样获取其硬度信息，判断组织是否发生病变。因此介入手术器械应当具备组织硬度测量、器械末端及侧壁接触力测量的功能。

目前，国内外已经研制出具备接触力检测或硬度检测功能的触觉传感器，在接触力检测方面的研究已较为成熟，能够应用于多种要求严苛的场合。相比而言，在硬度检测方面的研究则稍显不足。sadaoomata等人在sensorsandactuatorsa112(2004)278–285中公开了一种触觉传感器，利用压电陶瓷在接触不同硬度的物体时共振频率会发生改变这一原理，将两片圆形压电陶瓷片贴合，通过检测传感器接触不同硬度的物体时压电陶瓷的共振频率改变量得到物体硬度信息。该传感器结构简单，能够区分不同硬度的物体，但压电陶瓷共振频率太大，在测量生物组织硬度时，质量效应对测量结果的影响大于硬度效应，因此该传感器不适用于生物组织的硬度测量。针对以上问题，mortezaheydariaraghi等人在transactionsonmechatronics18(3):973-980中公开了一种适用于生物组织硬度测量的触觉传感器。引入弹簧阻尼模块，结合压电陶瓷降低整个机械系统的共振频率，通过测量整个机械系统接触物体时的共振频率改变量得到物体硬度信息，避免了压电陶瓷共振频率过高带来的问题，能够很好地应用于生物组织，但其结构复杂，不利于小型化，无法适用于介入手术中。

综合触觉传感器研究现状，尽管目前的触觉传感器已经具备接触力测量或硬度测量的功能，但大部分触觉传感器结构复杂，难以小型化，同时难以兼备生物组织硬度测量、器械末端及侧壁接触力测量的功能，无法适用于介入手术等要求严格的场合，限制了介入手术等先进技术的发展。针对上述情况，本发明提供一种多功能触觉传感器及测量方法。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种多功能触觉传感器及测量方法，该触觉传感器结构简单，易于小型化，兼备硬度测量、器械末端及侧壁接触力测量的功能，同时适用于生物组织的硬度测量，能够为介入手术提供全面的力觉信息与组织硬度信息，进一步保证介入手术的安全，提高手术效率。

一种多功能触觉传感器，其特征在于：

由右向左依次包括硬度检测单元前端盖、硬度检测单元、硬度检测单元后端盖、顶端压敏电阻片、连接头；

其中硬度检测单元前端盖与硬度检测后端盖将硬度检测单元包络并相互粘合，三者组成用以测量所接触物体硬度的硬度传感器；

硬度检测单元由金属结构板、压电陶瓷片和探头组成；金属结构板由正方形金属薄板切割而成，可分为a、b、c、d、e共5个宽度及厚度一致的长方条；其中a、b、c这3个长方条长度一致，d、e这2个长方条长度一致；a、b、c长方条长度是d、e长方条长度的的2倍；以a长方条为基准，在其长边末端与b长方条垂直连接，在b长方条长边末端与c长方条垂直连接，在c长方条长边末端与d长方条垂直连接，在d长方条长边末端与e长方条垂直连接，e长方条长边末端位于原正方形中心，整个结构最外侧尺寸与原正方形薄板边长一致；压电陶瓷片粘贴于a长方条上位于其左侧与硬度检测单元后端盖接触，探头左端粘贴于e长方条右侧，探头右端穿出硬度检测单元前端盖；探头穿出硬度检测单元前端盖的距离用以限制探针的位移以及金属结构板的变形量，进一步限制硬度检测单元与被测物体的接触力；

上述连接头由连接柱以及位于连接柱左端的连接盘组成；其中顶端压敏电阻片粘贴于硬度检测单元后端盖左侧与连接柱右侧之间，用以测量传感器末端的接触力；

上述连接柱外侧还套有橡胶管，橡胶管左端与连接盘相连，右端与硬度检测单元后端盖左侧相连；橡胶管外壁均匀布置若干用以测量侧壁接触力的侧壁压敏电阻片。

上述的一种多功能触觉传感器的测量方法，其特征在于：

传感器通过连接头安装于运动器械中，传感器的末端及侧壁在器械运动过程中将会与物体发生接触，产生作用力，引起顶端压敏电阻片与侧壁压敏电阻片阻值发生变化，硬度检测单元阻抗发生变化；

由计算机通过数据采集卡对顶端压敏电阻片与侧壁压敏电阻片发送直流电压信号，对硬度检测单元中的压电陶瓷片发送扫频电压信号；

由电流传感器采集顶端压敏电阻片、侧壁压敏电阻片以及压电陶瓷片的反馈电流信号，经由放大、滤波等信号处理电路完成初步信号处理后传送至数据采集卡；

由数据采集卡对初步处理后的信号进行采集，并送至计算机中完成进一步处理，得到顶端压敏电阻片、侧壁压敏电阻片对应的电阻值，硬度检测单元对应的共振频率改变量δf；

在实际测量之前，分别对顶端压敏电阻片、侧壁压敏电阻片及硬度检测单元进行标定，得到顶端压敏电阻片、侧壁压敏电阻片关于电阻值与作用力大小的标定曲线，得到硬度检测单元关于频率变化量δf与弹性模量e的标定曲线；

在实际测量时，将计算机处理后得到的电阻值、频率改变量δf等信息与之前标定的曲线进行比对，即可得到作用力信息与硬度信息，实现硬度测量、器械末端与侧壁接触力测量的功能。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和效果：

1.现有触觉传感器虽然能够实现硬度测量或接触力测量，但难以将硬度测量、器械末端与侧壁接触力测量的功能集成到一体，并且其结构较为复杂，难以小型化，无法满足一些对尺寸要求较为严格的场合。本发明的一种多功能传感器能够很好地兼备硬度测量、器械末端与侧壁接触力测量的功能，同时传感器结构简单，易于实现小型化，可根据实际需要按比例缩放结构尺寸，能够适应多种应用场合，尤其适用于介入手术。

2.由于不同硬度的物体具备不同的阻抗，硬度检测单元接触物体时会引起本身的阻抗发生变化，进而导致其固有频率发生变化，根据频率变化量δf得到被测物体的硬度大小，利用这一原理实现硬度测量。当信号频率较低时，频率变化量δf的主要影响因素为被测物体的硬度，而当信号频率较高时，其主要影响因素为被测物体的质量，因此需要降低硬度检测单元的固有频率。压电陶瓷本身的共振频率通常达到上百khz，该频率不适用于生物组织的硬度测量。本发明提出的触觉传感器硬度检测单元通过引入金属结构板，并将金属结构板中外侧自由端固定，形成类似悬臂梁的固定结构，使整个硬度检测单元的共振频率降低至约1khz，测量整个硬度检测单元的共振频率改变量δf进而得到被测物体的硬度大小，减小了高频振动下被测物体质量带来的影响，改善了测量效果，使其能够很好地应用于生物组织的硬度测量。

3.在进行硬度测量时，硬度检测单元与组织接触力的变化会影响到硬度测量结果，为了保证测量结果的准确性，需要排除接触力变化因素对测量结果的影响。本发明提出的触觉传感器中探针超出硬度检测单元前端盖的刚性表面形成较短的超出段，在传感器与组织接触时，该超出段首先接触组织，随着接触力的增加，硬度检测单元前端盖开始与组织接触，超出段缩回硬度检测单元前端盖中，同时使得金属结构板发生变形，该变形所产生的力即为硬度检测单元与组织的接触力。当超出段完全缩回到硬度检测单元前端盖中后，无论传感器末端与组织的接触力如何增大，都不会影响金属结构板的变形量，即不会影响硬度检测单元与组织的接触力大小。探针超出硬度检测单元前端盖的距离一定，保证了硬度检测单元与物体的接触力一定，排除了接触力大小对硬度检测结果的影响。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明的一种多功能触觉传感器整体结构示意图；

图2是本发明的一种多功能触觉传感器立体分解图；

图3是本发明的触觉传感器中硬度检测单元立体图；

图4是本发明的触觉传感器中硬度检测单元的约束示意图；

图5是本发明的硬度检测系统原理框图；

图6是本发明的整体原理框图；

图中标号名称：1.硬度检测单元前端盖，2.硬度检测单元，3.硬度检测单元后端盖，4.顶端压敏电阻片，5.橡胶管，6.侧壁压敏电阻片，7.连接头，8.硬度检测单元中的压电陶瓷片，9.硬度检测单元中的金属结构板，10.硬度检测单元中的探头。

具体实施方式

下面结合附图1、2、3、4、5、6对本发明进行具体解释和说明。

参阅如图1、2所示，本发明提出了一种多功能触觉传感器。该触觉传感器包括硬度检测单元前端盖1、硬度检测单元2、硬度检测单元后端盖3、顶端压敏电阻片4、橡胶管5、侧壁压敏电阻片6以及连接头7。硬度检测单元2包括压电陶瓷片8、金属结构板9、探头10，如图3所示。硬度检测单元前端盖1中心处设有小孔与探头10配合，与后端盖3相互粘合并将硬度检测单元2包络其中，组成硬度传感器，用以测量传感器末端接触物体的硬度。

顶端压敏电阻片4一端面与硬度检测单元后端盖3相粘合，另一端面与连接头7相粘合，用以测量末端的接触力，三片侧壁压敏电阻片6周向均布于橡胶管5外壁，用以测量侧壁的接触力。橡胶管5一端面与硬度检测单元后端盖3相粘合，另一端面与连接头7相粘合，橡胶管5内孔直径略大于顶端压敏电阻片4直径以将其包络。连接头7用以连接该触觉传感器与介入手术器械。硬度检测单元后端盖3、橡胶管5与连接头7设有小孔或圆柱形通道用以布置信号线。

顶端压敏电阻片4与三片侧壁压敏电阻片6均用于测量接触力的大小，当压敏电阻与物体接触并产生作用力时，其电阻值会随着作用力大小而变化，作用力越大，电阻值越小，利用这一原理实现接触力测量。通过测量其电阻值的大小即可得到接触力的大小信息，而根据压敏电阻片在传感器中布置的位置，即可得到作用力相对于传感器的方向信息。

由于不同硬度的物体具备不同的阻抗，硬度检测单元接触物体时会引起本身的阻抗发生变化，进而导致其固有频率发生改变，根据频率变化δf得到被测物体的硬度大小，利用这一原理实现硬度测量。当信号频率较低时，频率变化量δf的主要影响因素为被测物体的硬度，而当信号频率较高时，其主要影响因素为被测物体的质量，因此需要降低硬度检测单元的固有频率。压电陶瓷本身的共振频率通常达到上百khz，该频率不适用于生物组织的硬度测量，而本发明提出的触觉传感器硬度检测单元中，引入具备特殊结构的金属结构板9并将其外侧伸出端固定，如图4所示，这种类似于悬臂梁的约束方式能够将整个硬度检测单元的机械共振频率降低至约1khz，相比于压电陶瓷的共振频率有了明显降低。通过测量整个硬度检测单元的共振频率改变量δf进而得到被测物体的硬度大小，减小了高频振动下被测物体质量带来的影响，改善了测量效果，使其能够很好地应用于生物组织的硬度测量。

硬度检测系统原理如图5所示，在压电陶瓷片8上下引出两个电极，工作时压电陶瓷即作为激励源又作为传感单元。其测量过程为：将图3中硬度检测单元的固定面以类似悬臂梁的方式固定于触觉传感器中，触觉传感器与组织接触。利用计算机程序通过数据采集卡在压电陶瓷片8上加载正弦电压信号。保持幅值不变，使信号频率以足够小的间隔逐渐增加(扫频)，压电陶瓷片8上产生正弦变形，从而激励金属结构板9振动。由于逆压电效应，金属结构板9的振动使得压电陶瓷片8上产生微弱压电电流，通过电流传感器将电流信号进行采集，并经由信号处理电路送至数据采集卡，找到电流最大值对应的频率即为硬度检测单元接触物体时的共振频率，进而由频率变化量δf得到被测物体的硬度信息。

整个触觉传感器系统原理如图6所示，由计算机通过数据采集卡对顶端压敏电阻片4与侧壁压敏电阻片6发送直流电压信号，对硬度检测单元发送扫频电压信号，反馈信号经由信号处理电路后由数据采集卡进行采集并送至计算机中完成进一步处理。在实际测量之前，分别对传感器硬度检测单元与压敏电阻片进行标定，测量多个已知硬度的样本所对应的频率变化量δf、多个已知大小的作用力所对应的压敏电阻片电阻值，得到频率变化量δf与弹性模量e的标定曲线、电阻值与作用力大小的标定曲线。在实际测量时，将计算机处理后的信息与之前标定的曲线进行比对，即可得到硬度信息与作用力信息，实现硬度测量、器械末端与侧壁接触力测量的功能。

最终本文提出的一种多功能触觉传感器及其测量方法，兼备硬度测量、器械末端及侧壁接触力测量的功能，结构简单利于小型化，适用于多种应用场合。同时在进行硬度测量时不受接触力大小与被测物体质量的影响，并且适用于生物组织的硬度测量。该触觉传感器能够为介入手术等领域提供必要的硬度检测与接触力检测功能，并为生物组织病情诊断提供关键信息，有助于推动介入手术等领域的进一步发展。