光纤光栅三维力觉探针及制造方法与流程

本发明属于光纤光栅传感器技术领域，尤其涉及一种光纤光栅三维力觉探针及制造方法。

背景技术：

随着手术机器人的发展，机器人手术的精准性得到了外科医生的广泛认可，但与人工手术相比，机器人手术时医疗器械和人体之间的力作用情况难以实时准确的反馈给控制人员，这无疑会增加手术的盲目性和风险性。因此,具备力觉测量能力的医疗器械(如手术探针、手术钳)对于机器人手术非常重要。

传统的可力觉测量的医疗器械基于电阻应变计、mems等传感技术来设计，但这些传感技术都存在体积大、引线数量多、信号稳定性差以及不易于消毒处理等缺陷，因此，随着微型易集成、抗电磁干扰能力强及波长信号不受信号光源功率波动影响等优势的光纤光栅传感技术的出现，进而产生了基于光纤光栅传感技术的可力觉测量的医疗器械，例如，光纤光栅探针。

现有的光纤光栅探针可进行三维的力觉检测和呈现探针的三维弯曲形状，然而，光纤光栅均是通过粘合剂固定在特制的留有凹槽等空间的探针的外表面，由于探针经常需要通过酒精浸泡、消毒柜高温、紫外照射等方式消毒，这些消毒过程中，粘合剂与酒精接触、受高温烘烤及受紫外光照射时，其材料性能易发生变化，带来诸如粘接失效、力传递率降低等问题，不利于长期精准的力觉测量。可见，现有的光纤光栅探针由于其光纤光栅均是通过粘合剂固定在探针的外表面，因此造成不利于长期精准的力觉测量的问题。易言之，现有的光纤光栅探针的光纤光栅设置不合理，不利于光纤光栅探针长期精准的力觉测量。

综上所述，现有的光纤光栅探针存在不利于进行长期精准的力觉测量的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种光纤光栅三维力觉探针及制造方法，旨在解决现有的光纤光栅探针存在的不利于进行长期精准的力觉测量的技术问题。

为实现上述目的，一方面，在第一种可实现方案中，本发明提供一种光纤光栅三维力觉探针，包括：

手柄，其内部包括偏心通孔、空腔及顶针，所述偏心通孔的光纤引入端和光纤引出端分别与所述空腔的输出端面和所述手柄的输出端面贯通，所述顶针位于所述空腔内部并与所述空腔的输出端面贯通,所述顶针包括探针主体连接面，所述空腔和所述顶针共轴；

第一光纤光栅，固定在所述顶针的内部，所述第一光纤光栅的轴线的方向与所述顶针的轴线的方向一致；

第二光纤光栅，悬空在所述空腔内，用于为所述第一光纤光栅提供温度补偿；

探针主体，包括：顶针连接端面和四个光纤光栅设置位，所述顶针连接端面与所述手柄连接，所述顶针连接端面匹配插入所述空腔并与所述探针主体连接面固定，所述四个光纤光栅设置位在靠近所述顶针连接端面的内壁处以预设间隔角度环绕所述探针主体的轴线布置；

第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅及第六光纤光栅，分别固定在所述四个光纤光栅设置位内，且所述第三光纤光栅的轴线的方向、所述第四光纤光栅的轴线的方向、所述第五光纤光栅的轴线的方向及所述第六光纤光栅的轴线的方向均与所述探针主体的轴线的方向一致；

其中，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅、所述第三光纤光栅、所述第四光纤光栅、所述第五光纤光栅及所述第六光纤光栅依次串接；所述第六光纤光栅的光纤通过所述偏心通孔引出所述手柄的输出端面。

结合第一种可实现方案，在第二种可实现方案中，所述第一光纤光栅、所述第二光纤光栅、所述第三光纤光栅、所述第四光纤光栅、所述第五光纤光栅及所述第六光纤光栅均采用二氧化硅材质制备而成。

结合第一种可实现方案，在第三种可实现方案中，所述四个光纤光栅设置位由内向外紧靠所述探针主体的外壁布置。

结合第一种可实现方案，在第四种可实现方案中，所述顶针连接端面为平面，所述探针主体连接面为平面，所述顶针连接端面与所述探针主体连接面粘合固定。

结合第一种可实现方案，在第五种可实现方案中，所述预设间隔角度为90°。

结合第一种可实现方案，在第六种可实现方案中，所述探针主体的形状为圆柱体，所述手柄的形状为圆柱体。

另一方面，在第七种可实现方案中，提供一种光纤光栅三维力觉探针的制造方法，该制造方法包括如下步骤：

制造可生成探针主体的探针主体生成模具，所述探针主体生成模具包括探针主体生成槽；

在所述探针主体生成槽内布置四个光纤光栅设置位并对应设置光纤光栅，即先在所述内壁的靠近所述顶针连接端面的位置处设置四个光纤光栅设置位，且使所述四个光纤光栅设置位以预设间隔角度环绕所述探针主体的轴线布置，后在所述四个光纤光栅设置位依次串接布置第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅及第六光纤光栅，且使所述第三光纤光栅的轴线的方向、所述第四光纤光栅的轴线的方向、所述第五光纤光栅的轴线的方向及所述第六光纤光栅的轴线的方向均与所述探针主体的轴线的方向一致，并将所述第三光纤光栅的光纤和所述第六光纤光栅的光纤分别引出所述探针主体生成槽的槽口；

向布置光纤光栅后的所述探针主体生成模具内浇注预设温度的玻璃溶液，冷却凝固后取出；

制造可生成手柄的手柄生成模具，即加工产生手柄生成槽，并沿所述手柄生成槽的轴线设置可生成空腔的空腔生成柱，并于所述空腔生成柱的柱面的偏心位置设置可生成偏心通孔的偏心通孔生成柱，并沿所述空腔生成柱的轴线开凿出可生成所述顶针的顶针生成孔；

在所述手柄生成模具内布置光纤光栅，即靠近所述顶针生成孔的内壁设置第一光纤光栅，并将所述第一光纤光栅的光纤引出所述手柄生成槽的槽口；

向所述手柄生成模具浇注预设温度的玻璃溶液，冷却凝固生成包括所述空腔、所述顶针及所述偏心通孔的凝固体后取出；

在所述空腔中悬空设置第二光纤光栅，即将所述第二光纤光栅的第一端的光纤与所述第三光纤光栅的光纤串接，并将所述第二光纤光栅的第二端的光纤与所述第一光纤光栅的光纤串接；

在所述顶针的端面涂强力粘合剂，将所述探针主体匹配插入所述空腔直至和所述顶针的端面接触粘合固定，并将所述第六光纤光栅的光纤通过所述偏心通孔引出所述手柄的输出端面。

结合第七种可实现方案，在第八种可实现方案中，所述预设间隔角度为90°。

结合第八种可实现方案，在第九种可实现方案中，所述探针主体的形状与所述手柄的形状均制造成圆柱体。

通过上述可实现方案获得的光纤光栅三维力觉探针，光纤光栅位置设置合理，探针对力觉的测量的灵敏度和精度均极大提高。其中，多个光纤光栅融入分布在探针主体和手柄中，与探针主体和手柄成一体结构，可有效避免探针消毒过程中，因材料性能发生变化造成的粘接失效、力传递率降低等问题。另外，多个光纤光栅分布形成三个不同的测量单元对探针的三个不同的维面的力觉进行测量，各个测量单元中的光纤光栅的波长漂移量抵消形成差值输出，有效提高探针对力觉的测量的灵敏度和精度。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的光纤光栅三维力觉探针的结构示意图；

图2是图1中的探针主体和手柄的结构示意图；

图3是图1中的探针主体、手柄及光纤光栅的结构示意图；

图4是图1中的探针主体中的光纤光栅的轴测结构图；

图5是图1中的手柄中的光纤光栅的轴测结构图；

图6是本发明实施例二提供的光纤光栅三维力觉探针的制造方法的步骤流程示意图；

图7是图6中用于生成图1中的探针主体的布置光纤光栅后的探针主体生成模具的结构示意图；

图8是图6中用于生成图1中的手柄的手柄生成模具的结构示意图；

图9是图8中的手柄生成模具布置光纤光栅后的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了解决现有的光纤光栅探针存在的不利于进行长期精准的力觉测量的技术问题，一方面，本发明实施例一提供了一种光纤光栅三维力觉探针，参见图1-5，详述如下：

一种光纤光栅三维力觉探针。该融入式光纤光栅探针融入具备微小传感体积的光纤光栅，可用于测量任意三个不同维面的力觉，测量过程中不仅抗电磁干扰能力强，而且波长信号不受信号光源功率波动影响。

参见图1-5该融入式光纤光栅探针包括手柄2、第一光纤光栅fbg1、第二光纤光栅fbg2、探针主体1、第三光纤光栅fbg3、第四光纤光栅fbg4、第五光纤光栅fbg5及第六光纤光栅fbg6。

参见图2，手柄2的内部包括偏心通孔23、空腔21及顶针22，且偏心通孔23的光纤引入端和光纤引出端分别与空腔21的输出端面210和手柄2的输出端面24贯通，顶针位于空腔21内部并与空腔21的输出端面210贯通，且空腔21和顶针22共轴。

需要说明的是，需要说明的是，手柄2可以是实心圆柱体，其内部分布的空腔21、顶针22及偏心通孔23可以通过特定结构的制造手柄主体2的模具制造出来，该模具的结构后续介绍。

参见图1，第一光纤光栅fbg1固定在顶针22的内部，且第一光纤光栅fbg1的轴线的方向与顶针22的轴线的方向一致。

另外，第二光纤光栅fbg2悬空在空腔21内，用于为第一光纤光栅fbg1提供温度补偿。

需要说明的是，第一光纤光栅fbg1的轴线的方向与顶针22的轴线的方向一致并非绝对一致，允许误差存在。

还需要说明的是，第一光纤光栅fbg1和第二光纤光栅fbg2处于一个平面内，可以形成测量该平面的探针的受力力觉的一个测量单元。为方便说明，可将该平面称为第一维面，并将该测量单元称为第一测量单元。

参见图1和图2，探针主体1包括顶针连接端面10。顶针连接端面10匹配插入空腔21并与顶针22的端面固定，且探针主体1的靠近顶针连接端面10的内壁包括四个光纤光栅设置位，且四个光纤光栅设置位以预设间隔角度环绕探针主体1的轴线布置。

另外，四个光纤光栅设置位由内向外紧靠探针主体的外壁布置；顶针的内壁贴近顶针的外壁。

另外，探针主体1还包括尖端11。尖端11可以为圆锥体，圆锥体的顶端用于在生命体内探测。

需要说明的是，探针主体1可以为实心体，例如，可以为实心圆柱体。

另外，探针主体1的顶针连接端面10与顶针22的探针主体连接面均可以为平面。顶针连接端面10和探针主体连接面均为平面可以实现接触的紧密，固定二者时可以在二者的表面涂满强力粘合剂，当二者紧密接触后，用力使二者固定在一起。

还需要说明的是，预设间隔角度可以为任意角度，可优选90°。使用探针测量力觉时，探针可能受到来自各个方向的力，将预设间隔角度设置为任意角度，可测量任一方向平面的受力力觉。

还需要说明的是，设置四个光纤光栅设置位在靠近顶针连接端面10的内壁处可以将四个光纤光栅固定在该四个光纤光栅设置位上。其中，设置时需要将光纤光栅尽可能贴近探针主体1的外壁，这样，不仅可以保护光纤光栅，也不会降低光纤光栅测量的灵敏度。

另外，四个光纤光栅可以通过融入的方式固定在探针主体1的四个光纤光栅设置位上。融入的方式具体可以如下：

首先，在一个可以生成探针主体1的开槽模具的内壁的四个光纤光栅设置位贴紧布置四个光纤光栅；

然后，向开槽模具内倒入玻璃溶液。

冷却凝固后，便可以实现以融入的方式固定四个光纤光栅在探针主体1的内壁的目的。

参见图4，第三光纤光栅fbg3、第四光纤光栅fbg4、第五光纤光栅fbg5及第六光纤光栅fbg6，分别固定在四个光纤光栅设置位内，且第三光纤光栅fbg3的轴线的方向、第四光纤光栅fbg4的轴线的方向、第五光纤光栅fbg5的轴线的方向及第六光纤光栅fbg6的轴线的方向均与探针主体1的轴线的方向一致。

需要说明的是，第三光纤光栅fbg3和第五光纤光栅fbg5处于一个平面内，可以形成测量该平面的探针的受力力觉的一个测量单元。为方便说明，可将该平面称为第二维面，并将该测量单元称为第二测量单元。

另外，第四光纤光栅fbg4和第六光纤光栅fbg6处于一个平面内，可以形成测量该平面的探针的受力力觉的一个测量单元。为方便说明，可将该平面称为第三维面，并将该测量单元称为第三测量单元。

还需要说明的是，第三光纤光栅fbg3的轴线的方向、第四光纤光栅fbg4的轴线的方向、第五光纤光栅fbg5的轴线的方向及第六光纤光栅fbg6的轴线的方向均与探针主体1的轴线的方向一致并非绝对一致，可以允许误差存在。

参见图1，第一光纤光栅fbg1、第二光纤光栅fbg2、第三光纤光栅fbg3、第四光纤光栅fbg4、第五光纤光栅fbg5及第六光纤光栅fbg6依次串接，第六光纤光栅fbg6的光纤通过偏心通孔23引出手柄2的输出端面24。

需要说明的是，光纤光栅包括光栅和位于光栅两端的光纤两个部分，实践中，可以通过光纤光栅两端的光纤将光纤光栅串接使用。

为了更好理解本发明，参见图1，优选预设间隔角度为90°的实施例来建立空间三维坐标，辅助介绍光纤光栅三维力觉探针的工作原理。

第一光纤光栅fbg1和第二光纤光栅fbg2位于xoy平面，形成第一测量单元测量xoy平面的力觉fz。

第三光纤光栅fbg3和第五光纤光栅fbg5位于xoz平面，形成第二测量单元测量xoz平面的力觉fx。

第四光纤光栅fbg4和第六光纤光栅fbg6位于yoz平面，形成第三测量单元测量yoz平面的力觉fy。

第六光纤光栅fbg6的光纤通过偏心通孔引出，以输出xoz平面的力觉fx、yoz平面的力觉fy及xoy平面的力觉fz。

工作原理如下：

为了方便说明，将第一光纤光栅fbg1的波长漂移量定义为δλ1，第二光纤光栅fbg2的波长漂移量定义为δλ2，第一光纤光栅fbg1和第二光纤光栅fbg2的波长漂移量的差值信号定义为δλ12，第五光纤光栅fbg5与第六光纤光栅fbg6的温度灵敏度系数的比值定义为k，其中，k为可以是整数，也可以是分数。

另外，再将第三光纤光栅fbg3的波长漂移量定义为δλ3，第五光纤光栅fbg5的波长漂移量定义为δλ5，第三光纤光栅fbg3和第五光纤光栅fbg5的波长漂移量的差值信号定义为δλ35。

另外，再将第四光纤光栅fbg4的波长漂移量定义为δλ4，第六光纤光栅fbg6的波长漂移量定义为δλ6，第四光纤光栅fbg4和第六光纤光栅fbg6的波长漂移量的差值信号定义为δλ46。

具体地，通过温度测试得出第一光纤光栅fbg1与第二光纤光栅fbg2的温度灵敏度系数的比值k后，将第一光纤光栅fbg1的波长漂移量与k倍的第二光纤光栅fbg2的波长漂移量相减获得的差值信号输出测量xoy平面的力觉fz。其中，算法公式如下：

δλ12＝δλ1-k*δλ2。

另外，第三光纤光栅fbg3和第五光纤光栅fbg5的波长漂移量的差值信号δλ35＝δλ3-δλ5，将该波长漂移量的差值信号输出测量xoz平面的力觉fx。

由于探针主体1在受x方向的力的作用时，有弯曲趋势，探针主体1的弯曲应变导致分别处于探针主体1变形的前后两侧的第三光纤光栅fbg3与第五光纤光栅fbg5产生大小相等但方向相反的波长偏移量。

差值信号输出不但提高了测量灵敏度，而且，由环境温度变化带来的波长同向、等值漂移经差值后可以消除。

另外，第四光纤光栅fbg4和第六光纤光栅fbg6的波长漂移量的差值信号δλ46＝δλ4-δλ6，将该波长漂移量的差值信号输出测量yoz平面的力觉fy。

第四光纤光栅fbg4和第六光纤光栅fbg6测量原理同第三光纤光栅fbg3和第五光纤光栅fbg5，在此不作累述。

另一方面，本发明实施例二提供了一种制造上述光纤光栅三维力觉探针的制造方法，参见图1-9，详述如下：

参见图6，一种光纤光栅三维力觉探针的制造方法，该制造方法包括步骤s1、步骤s2、步骤s3、步骤s4、步骤s5、步骤s6、步骤s7及步骤s8。

步骤s1：制造可生成探针主体的探针主体生成模具，探针主体生成模具包括探针主体生成槽。

参见图7并结合图2，需要说明的是，探针主体生成模具3可以为实心体，可优选为实心圆柱体。可以通过机械加工或铸造的方法，在实心圆柱体的内部开凿出探针主体生成槽30。其中，探针主体生成槽的槽口301位置将用于对应形成探针主体的顶针连接端面10。

步骤s2：在探针主体生成槽内布置四个光纤光栅设置位并对应设置光纤光栅。即先在内壁的靠近顶针连接端面的位置处设置四个光纤光栅设置位，且使四个光纤光栅设置位以预设间隔角度环绕探针主体的轴线布置，后在四个光纤光栅设置位依次串接布置第三光纤光栅、第四光纤光栅、第五光纤光栅及第六光纤光栅，且使第三光纤光栅的轴线的方向、第四光纤光栅的轴线的方向、第五光纤光栅的轴线的方向及第六光纤光栅的轴线的方向均与探针主体的轴线的方向一致，并将第三光纤光栅的光纤和第六光纤光栅的光纤分别引出探针主体生成槽的槽口；

参见图7并结合图4，需要说明的是，光纤光栅包括光栅和位于光栅两端的光纤两个部分，实践中，可以通过光纤光栅两端的光纤将光纤光栅串接使用。

另外，第三光纤光栅fbg3、第四光纤光栅fbg4、第五光纤光栅fbg5及第六光纤光栅fbg6在靠近探针主体生成槽30的上端的内壁处设置，目的是让第三光纤光栅fbg3、第四光纤光栅fbg4、第五光纤光栅fbg5及第六光纤光栅fbg6在后续倒入玻璃溶液冷却凝固时，紧贴凝固体的外壁的内部固定。

需要说明的是，靠近探针主体生成槽30的上端的内壁处即靠近探针主体生成槽30的槽口301下方的内壁处。

需要说明的是，预设间隔角度可以为任意角度，可优选90°。

步骤s3：向布置光纤光栅后的探针主体生成模具内浇注预设温度的玻璃溶液，冷却凝固后取出。

需要说明的是，玻璃溶液的预设温度可以根据光纤光栅和探针主体生成槽30的材质选择。

步骤s4：制造可生成手柄的手柄生成模具，即加工产生手柄生成槽，并沿手柄生成槽的轴线设置可生成空腔的空腔生成柱，并于空腔生成柱的柱面的偏心位置设置可生成偏心通孔的偏心通孔生成柱，并沿空腔生成柱的轴线开凿出可生成顶针的顶针生成孔。

参见图8和图9，并结合图2，需要说明的是，手柄生成槽40可对应生成手柄2，空腔生成柱42可对应生成空腔21，偏心通孔生成柱43可对应生成偏心通孔23，顶针生成孔41可对应生成顶针22。

步骤s5：靠近顶针生成孔的内壁设置第一光纤光栅，并将第一光纤光栅的光纤引出手柄生成槽的槽口。

参见图9，靠近顶针生成孔41的内壁布置第一光纤光栅fbg1，目的在于确保第一光纤光栅fbg1在后续倒入玻璃溶液冷却凝固时，紧贴凝固体的外壁的内部固定。

步骤s6：向手柄生成模具浇注预设温度的玻璃溶液，冷却凝固生成包括空腔、顶针及偏心通孔的凝固体后取出。

步骤s7：在空腔中悬空设置第二光纤光栅，将第二光纤光栅的第一端的光纤与第三光纤光栅的光纤串接，并将第二光纤光栅的第二端的光纤与第一光纤光栅的光纤串接。

步骤s8：在顶针的端面涂强力粘合剂，将探针主体匹配插入空腔直至探针主体的顶针连接端面和顶针的端面接触粘合固定，并将第六光纤光栅的光纤通过偏心通孔引出手柄的输出端面。

在本发明实施例中，提供了一种光纤光栅三维力觉探针，该光纤光栅三维力觉探针的光纤光栅位置设置合理，探针对力觉的测量的灵敏度和精度均极大提高。其中，多个光纤光栅融入分布在探针主体1和手柄2中，与探针主体1和手柄2成一体结构，可有效避免探针消毒过程中，因材料性能发生变化造成的粘接失效、力传递率降低等问题。另外，多个光纤光栅分布形成不同的测量单元对探针的第一维面、第二维面及第三维面的力觉进行测量，各个测量单元中的光纤光栅的波长漂移量形成差值输出，有效提高探针对力觉的测量的灵敏度和精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。