三维测力传感器和应用三维测力传感器的手术微器械指尖的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及机器人微创外科手术技术领域，尤其涉及一种三维测力传感器和 应用三维测力传感器的手术微器械指尖。
【背景技术】
[0002] 机器人辅助微创外科手术是指医生借助于各种视觉图像的引导，操纵手术机器 人，将手术微器械沿着事先规划好的手术路径，经过小切口送入病人体内进行观察或治疗， 从而最大程度地减小手术创伤、减轻痛苦、缩短术后恢复时间等。微创外科手术机器人的运 用解决了传统的手术过程中存在医生工作强度大、易疲劳、手术精度低、安全性差等缺点， 更提高了手术的质量，能够克服传统微创伤手术的缺陷，可以拓宽微创手术的范围，也可以 进行手术仿真，还可以利用网络技术进行远程手术等。
[0003] 对于当前大部分微创手术机器人系统而言，无论是已经商业化，还是处在临床或 实验室阶段，其构型与控制等关键技术已经达到比较成熟水平，利用机器人辅助能够顺利 实现微创手术，然而，这些手术机器人普遍存在的问题是缺少完备的力觉检测功能，从而使 得手术过程较为繁琐，手术的准备时间也较长等，即智能化和自动化水平较低。手术机器人 微器械与人体组织器官之间的力觉交互信息在微创外科手术过程中具有极其重要的作用， 它能够帮助医生在手术过程中时刻感知组织器官的硬度，评估医生操作的力度，通过组织 器官与手术微器械指尖双方之间的力觉交互可以使得医生施加适当的操作力，其中包括与 组织的多维触碰力和微器械指尖的夹持力，从而大幅度提高手术操作的效率、成功率以及 手术后的效果。因此深入研究微创外科手术机器人的结构，提高手术微器械的智能化是十 分必要的课题。
[0004] 目前国内外关于微器械力传感器的研究成果主要集中在将测力元件或传感器安 装在微器械的导杆或腕部上，例如专利号为US20100313679的专利书提出的带有模块化力 传感器的手术微器械的示意图，其测力元件粘贴在手术微器械的导管壁上，又如专利号为 CN201120130575.7的专利书提出的手术微器械三维力传感器的示意图，其传感器安装在微 器械指尖与腕部之间的连接件内，虽然可实现测力功能，但这就使得测力传感器与微器械 指尖距离较大，信号受外界干扰较严重，测量误差大，不能真实的反应微器械指尖末端真实 的测力情况。
【发明内容】
[0005] 本实用新型的目的是为了集成度高，测量精度高而提供一种三维测力传感器和应 用三维测力传感器的手术微器械指尖。
[0006] 本实用新型的目的是这样实现的：一种三维测力传感器，包括两个结构相同的E型 等截面梁，且两个E型等截面梁以中间梁为公共梁呈空间垂直设置，两个E型等截面梁的其 余四个梁分别是梁一至梁四，梁一和梁二的上表面、下表面、外侧面和内侧面上以及梁三和 梁四的上表面和下表面上分别贴有应变片，梁一上表面、梁一下表面、梁二上表面和梁二下 表面上的应变片构成测量X方向外力的等臂全桥电路，梁三上表面、梁三下表面、梁四上表 面和梁四下表面上的应变片构成测量Y方向外力的等臂全桥电路，梁一外侧面、梁一内侧 面、梁二外侧面和梁二内侧面上的应变片构成测量Z方向外力的等臂全桥电路。
[0007] 一种应用所述的三维测力传感器的手术微器械指尖，包括三维测力传感器、微器 械指尖夹持部分和微器械指尖转动关节部分，三维测力传感器的梁一、梁二的端部与微器 械指尖夹持部分连接，三维测力传感器的梁三、梁四的端部与微器械指尖转动关节部分连 接。
[0008] 与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1.本实用新型弹性体结构简单，尺寸 小满足需求，灵敏度高，应变敏感区处于单一表面，分辨率高，线性度好，维间耦合小，具有 足够的刚度，可靠性高，测量范围大。2.本实用新型整体体积小，设计巧妙，合理利用空间， 安装方便。3.本实用新型微器械指尖夹持部分与三维测力传感器部分为一体，集成度高，避 免了零件连接产生的摩擦等的影响。4.本实用新型应变片粘贴方便，可构成多组电桥，提高 测量精度，应变片引线方便连接，容易布线。
【附图说明】
[0009] 图1是本实用新型的立体结构不意图；
[00?0]图2是本实用新型的二维坐标不意图；
[0011] 图3是本实用新型的三维测力传感器的示意图；
[0012] 图4是本实用新型的三维测力传感器的具体结构示意图一；
[0013]图5是本实用新型的三维测力传感器的具体结构示意图二；
[0014]图6是本实用新型的应变片所组成的等臂全桥电路原理图。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合附图与【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细描述。
[0016] 结合附图1，本实用新型是一种集成三维测力传感器的手术微器械指尖，其组成包 括:微器械指尖夹持部分1，三维测力传感器部分2，微器械指尖转动关节部分3，微器械指尖 夹持部分主要实现夹持功能以及施加外力，三维力传感器检测手指钳末端所受的三维外 力，转动关节实现指尖的开合运动。
[0017] 结合附图2、附图3,本实用新型由两个E型等截面梁垂直交汇构成，两E型的中间梁 为公共梁，连接两个E型结构，除中间公共梁之外，三维力传感器弹性体由4个等截面梁构 成，即梁一L1、梁二L2、梁三L3与梁四L4,梁1和梁2的一端与微器械指尖夹持部分相连接，另 一端悬空，同样，梁3和梁4的一端与指尖转动环节相连，另一端悬空，中间公共梁尺寸进行 特殊设计，从而保证梁的刚度。
[0018] 结合图4和图5,三维力传感器弹性体，当延附图2中坐标系X轴负向施加一定外力 时，梁1与梁2变形较小，梁3与梁4变形较大，即面2-6与面2-8发生拉伸变形，面2-5与面2-7 发生压缩变形，该四个面上的四个应变片组成一个全桥电路进而测出X轴方向的外力；当y 轴正向施加外力时，梁3与梁4变形较小，梁1与梁2变形较大，此时面2-1与面2-3发生拉伸变 形，面2-2与面2-4发生压缩变形，该四个面上的四个应变片组成一个全桥电路进而测出y轴 方向的外力，此时面2-9、面2-10、面2-11与面2-12变形相同，且同时延z轴向y轴方向发生弯 曲变形；当Z轴正向施加外力是，梁1与梁2变形较大，此时面2-9、面2-10、面2-11与面2-12同 时发生拉伸变形，应变片组成的全桥电路负责测量z轴方向的外力。
[0019] 结合附图6,为本实用新型传感器选用的等臂桥式电路原理图，由于测量不同方向 外力所搭建电桥的应变片组是相同规格的，因此现以测y向外力为例进行阐述，应变片办粘 贴在面2-1正中心处、应变片办粘贴在面2-2上、应变片R 3粘贴在面2-3上以及应变片R4粘贴 在面2-4上用来测量y向外力，粘贴的一组应变片构成一个电桥测量一个方向的外力，同理， 测量X向外力和z向外力的应变片组也是这样粘贴的，具体粘贴规则如下文所述，电桥中的 应变片阻值分别为1?1、1?2、1?3、1?4，八1? 1、八1?2、八1?3、八1?4分别为对应应变片电阻的变化值，电桥 中应变片Ri两端节点为节点C与节点A，应变片R2两端节点为节点A与节点D，应变片R3两端节 点为节点D与节点B，应变片R4两端节点为节点B与节点C，其中应变片R1与R2串联，应变片R 3 与R4串联，串联的两条支路并联在节点C与节点D之间，而节点C、D两端电压U〇为电桥的输入 供电电压，节点A、B两端电压U sc为电桥的输出测量电压，三个电桥采用并联方式进行电路的 搭建，即每个电桥的输入电压值Uo相同，而输出测量电压Use不同，具体公式推导如下文所 述。
[0020] 材料的选择：
[0021]由于该手术微器械指尖集成三维测力传感器，考虑加工强度，同时保证指尖的刚 度，材料选择硬铝合金2A12(LY12)，材料属性:弹性模量E = 72MGa，泊松比μ = 0.33，密度P = 2780kg/m3，E型梁的截面为1mm正方形，长度为5mm，弹性体长度为6mm，宽度和厚度均为4mm; 传感器应变片选用Micro Instruments公司生产的SS-060-033-500PU-S4,娃型半导体应变 计，S4型为4个电阻值接近温度系数相同的可实现