组内温度补偿功能的一组应变片，4个应 变片组成全桥电路，测量一维力，提高测量精度，同时该应变计尺寸约为长1.5_，宽0.4_， 可在弹性体梁上进行粘贴，灵敏度系数较高为K=140,在E型梁的表面粘贴三组应变片共计 12个，同一组应变片的粘贴位置相同，且呈现上下表面对称粘贴，大大提高测量精度，两个 微器械指尖的传感器弹性体结构相同，延装配轴线呈对称，实现互相补偿功能，降低外界干 扰影响。
[0022]桥式电路的搭建：
[0023]考虑到本实用新型结构尺寸精细，测量分辨率较高，同时避免外界干扰，因此选择 等臂全桥电路进行搭建，测量同一方向外力的4个应变片构成一个全桥电路，应变片Ri与R3 极性相同，1?2与1?4极性相同，且仏与糾及性相反，组内可进行温度补偿，同时抗外界干扰强， 本实用新型的三维力传感器弹性体E型梁结构空间垂直，实现几何解耦，维间力耦合小，各 全桥电路实现各自外力的测量，电路干扰小，且空间利用率较高。如附图5所示，搭建的其中 一个等臂全桥电路可由下述公式进行说明：
[0026] 实验开始时，电阻Rl = R2 = R3 = R4 = R，电桥处于平衡状态RlR3 = R2R4,当电桥各桥臂 应变片电阻都发生变化时，输出电压即为各桥臂电阻变化量的函数，即 A R3, Δ R4)，对上式进行全微分得：
[0028]
代数上式得：
，其中K表示灵敏度，ε表示应 变梁粘贴的应变片发生的应变值，通过以上公式即可实现微器械指尖三维外力的测量。 [0029]本实用新型设计出了新型三维测力传感器弹性体，且将其集成在微创外科手术微 器械指尖上，更适合于手术微器械的实际应用。
[0030] 本实用新型的目的在于提供一种应用于机器人辅助微创外科手术的集成三维测 力传感器的手术微器械指尖，使手术微器械在拥有夹持功能的基础上实现三维测力功能， 该机构具有设计巧妙，集成度高，测量精度高等优点。
[0031] 本实用新型的目的通过以下技术方案实现：
[0032] 本实用新型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，如图1所示。
[0033] 三维力传感器结构如图2所示，该三维测力传感器结构由两个结构相同的Ε型梁垂 直构成，两个Ε性梁由中间梁连接，如图3所示，Ε型梁截面为1_正方形，包括四个等截面梁， 即梁一 L1、梁二L2、梁三L3和梁四L4,如图4所示，梁1包括上表面2-1、下表面2-2、外侧面2-9 和内侧面2-10,梁2包括上表面2-3、下表面2-4、内侧面2-11和外侧面2-12,其中面2-1与面 2-3为同一竖直面，面2-2与面2-4在同一竖直面，面2-9、2-10、2-11及2-12为互相平行的侧 面;梁3包括上表面2-5和下表面2-6，梁4包括上表面2-7和下表面2-8，其中面2-5与面2-7在 同一水平面，面2-6与面2-8在同一水平面。本设计采用应变片粘贴在Ε型梁表面方式，通过 梁在外力作用下发生拉伸与压缩变形进而实现测量外力功能，面2-1、面2-2、面2-3与面2-4 各粘贴一个应变片为一组构成一个电桥，测量y轴方向外力，面2-5、面2-6、面2-7与面2-8各 粘贴一个应变片为一组构成一个电桥，测量X轴方向外力，面2-9、面2-10、面2-11与面2-12 各粘贴一个应变片为一组构成一个电桥，测量z轴方向外力，为了保证测量更加接近真实情 况，微器械的两个指尖采用相同构型，延中心轴呈对称分布结构，即粘贴在两个微器械指尖 上的两组应变片实际测量相同一个方向的外力，从而保证两个微器械指尖实现互相补偿作 用。
[0034]上述所述的三维力传感器部分包括两个E型梁，其中由梁1与梁2构成的E型梁与微 器械指尖夹持部分1相连，由梁3与梁4构成的E型梁与微器械指尖转动关节部分3相连。
[0035]本实用新型涉及一种机器人辅助微创外科手术用的医疗器械，其中手术微器械指 尖主要由微器械指尖夹持部分、三维测力传感器部分、微器械指尖转动关节部分组成，三部 分为统一整体，三维测力传感器处于中间与其余两部分相连，达到较高的集成度。三维测力 传感器由两个相同等截面E型梁呈空间垂直构成，除中间公共梁外，与微器械指尖夹持部分 相连的两个梁，水平的四个面上粘贴四个应变片组成一个全桥电路测量X轴向外力，竖直四 个侧面上的应变片组成另外一个全桥电路测量z轴向外力；与微器械指尖转动关节相连的 两个梁的竖直四个表面粘贴的应变片组成一个全桥电路测量y轴向外力，本实用新型集成 度高，结构简单，空间利用率高，维间耦合小，更适合外科手术的应用。
[0036]手术微器械指尖包括微器械指尖夹持部分1，三维测力传感器2,微器械指尖转动 关节3,三维测力传感器处于微器械指尖夹持部分与转动关节之间，且三个组成部分为统一 的整体结构，指尖夹持部分实现夹持功能，转动关节实现微器械指尖单自由度开合运动。 [0037] 三维测力传感器由两个结构相同的E型等截面梁呈空间垂直构成，E型的中间梁为 公共梁，每个E型梁由两个相同等截面梁与微器械指尖夹持部分或手指钳转动关节相连，梁 一 L1和梁二L2与手指钳夹持部分相连，梁三L3和梁四L4与微器械指尖转动关节相连。
[0038] 梁一 L1包括上表面2-1与下表面2-2、外侧面2-9与内侧面2-10;梁二L2包括上表面 2-3与下表面2-4、内侧面2-11与外侧面2-12;梁三L3包括上表面2-5与下表面2-6;梁四L4包 括上表面2-7与下表面2-8,面2-1、面2-2、面2-3与面2-4上的应变片组成一个全桥电路测量 X轴方向外力;面2-5、面2-6、面2-7与面2-8上的应变片组成另外一个全桥电路测量y轴方向 外力;面2-9、面2-10、面2-11与面2-12上的应变片组成一个全桥电路测量z轴方向外力，同 一组内应变片在梁表面的粘贴位置相同，
[0039]传感器测量电路采用等臂全桥电路，电路中相对的应变片的极性相同，相邻的应 变片的极性不同。
【主权项】
1. 一种三维测力传感器，其特征在于: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。2. -种应用权利要求1所述的三维测力传感器的手术微器械指尖，其特征在于: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。
【专利摘要】本实用新型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，包括微器械指尖夹持部分、三维测力传感器部分、微器械指尖转动关节部分，三维测力传感器处于中间与其余两部分相连，达到较高的集成度。三维测力传感器由两个相同等截面E型梁呈空间垂直构成，除中间公共梁外，与微器械指尖夹持部分相连的两个梁，水平的四个面上粘贴四个应变片组成一个全桥电路测量x轴向外力，竖直四个侧面上的应变片组成另外一个全桥电路测量z轴向外力；与微器械指尖转动关节相连的两个梁的竖直四个表面粘贴的应变片组成一个全桥电路测量y轴向外力，本实用新型集成度高，结构简单，空间利用率高，维间耦合小，更适合外科手术的应用。
【IPC分类】A61B34/30, G01L1/22
【公开号】CN205209669
【申请号】CN201520858722
【发明人】于凌涛, 闫昱晟, 王正雨, 王文杰, 杨景, 任思旭, 于晓砚, 谷庆, 邵兆稳, 安琪
【申请人】哈尔滨工程大学
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2015年10月30日