CN202105024U - 手术微器械三维力传感器 - Google Patents

Abstract

手术微器械三维力传感器。多维力传感器需要数目众多的应变计构成电桥测量，而商业化销售的应变计都具有固定的结构形式和尺寸，这样就进一步限制了传感器的微型化和集成化。一种手术微器械三维力传感器，其组成包括 : 传感器（ 1 ），所述的传感器具有一组弹性梁支撑架，所述的一组弹性梁支撑架内装有弹性体，所述的弹性梁支撑架前端连接分离钳架（ 2 ），所述的弹性梁支撑架后端连接腕部末端 (3) ，所述的弹性体连接带有全桥电路的应变片（ 4 ），所述的传感器通过发射接收信号连接电器接口盒（ 5 ）。本实用新型用作医疗器械。

Description

手术微器械三维力传感器

技术领域：

本实用新型涉及一种医学器械领域，具体涉及一种手术微器械三维力传感器。

背景技术：

腹腔镜手术是微创手术的一种，相对于开腹手术，腹腔镜手术具有创伤小、失血少、痛楚轻、恢复快等优点。腹腔镜手术器械是完成腹腔镜手术的关键器械，在常规腹腔镜手术中，医生直接用手操作微器械进行手术，医生极容易产生疲劳，从而影响手术的质量；同时常规腹腔镜手术微器械是对传统开放性手术器械的简单模仿，自由度少、灵活性低，器械内摩擦力大，导致力学信息衰减及医生疲劳，操作存在杠杆效应等缺点，不便于手术的顺利开展。

在机器人腹腔镜手术中，由于缺乏手术中必要的力反馈，使得缝合打结成为机器人手术中的一个难点，医生需要较长时间学习才能较好的完成缝合打结动作，常常发生由于用力过大引起的拉断缝合线，损失病人组织和由于用力过小出现的打结不牢固的现象。

缺乏力反馈的问题可以通过在微器械上集成传感器来解决，在以往的一些研究中，力传感器始终在放置在病人体外，以避免需要通过鞘管进入人体而带来的尺寸限制，然而鞘管与微器械之间的作用力将会给测量带来很大的不准确性。最佳的解决方案就是将传感器集成在器械前端，在手术操作中，力传感器通过套管进如病人体内，以避免微器械与套管间的相互作用，但是这样会带来很大的技术难题。

微器械力传感器的核心和技术难点是传感器尺寸限制以及弹性体的设计。国内外关于微器械力传感器的研究成果主要集中在将力传感器安装在细杆与腕部之间。但是将传感器放置在细杆与腕部之间将不能较为真实的反应微器械末端执行器的受力情况。特别是由于复杂的腕部结构以及传感器尺寸的限制，使得力传感器成为力反馈型微器械最大的难点。          

 多维力传感器需要数目众多的应变计构成电桥测量，而商业化销售的应变计都具有固定的结构形式和尺寸，这样就进一步限制了传感器的微型化和集成化。

发明内容：

本实用新型的目的是提供一种几何形状简单的弹性体，使其在能够测量三维力的前提下，同时方便应变计的粘贴和组桥；将应变计的粘贴位置尽量处于一个或几个平面，同时减少应变计的连接引线。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种手术微器械三维力传感器，其组成包括:传感器，所述的传感器具有一组弹性梁支撑架，所述的一组弹性梁支撑架内装有弹性体，所述的弹性梁支撑架前端连接分离钳架，所述的弹性梁支撑架后端连接腕部末端，所述的弹性体连接带有全桥电路的应变片，所述的传感器通过发射接收信号连接电器接口盒。

所述的手术微器械三维力传感器，所述的一组弹性梁支撑架包括前弹性梁支撑架，所述的前弹性梁支撑架连接前弹性体，所述的前弹性体连接中弹性梁支撑架，所述的中弹性梁支撑架连接后弹性体，所述的后弹性体连接后弹性梁支撑架。

所述的手术微器械三维力传感器，所述的电器接口盒具有信号采集放大电路的电路板。

所述的手术微器械三维力传感器，其特征是: 所述的一组弹性梁支撑架与所述的分离钳架之间通过一组螺栓连接固定，所述的腕部末端装有连接螺栓。

有益效果：

1.本实用新型弹性体结构简单，尺寸符合要求，应变敏感区处于空间单一表面；灵敏度高、分辨率高、线性度较好；具有足够的刚度，可靠的承载能力和过载保护措施。

本实用新型的整体体积小、结构紧凑；便于机械加工，组合元件机械接口合理，便于安装。

本实用新型的弹性体几何形状简单，在能够测量三维力的前提下，同时方便应变计的粘贴和组桥；将应变计的粘贴位置尽量处于一个或几个平面，同时减少了应变计的连接引线。

本实用新型的高灵敏度双层十字梁式传感器结构，并根据传感器安装空间要求，确定应变片的放置位置和排布方式及相应的电桥电路和信号采集放大电路，解决了传感器信号较小的问题。

本实用新型的电桥提高了测量电桥电压的灵敏度、测量范围宽、电路结构简单、精度高、实现了温度补偿旨。

本实用新型合理地解决了敏感元件在不同受力条件下提高电桥的灵敏度、温度补偿等问题。

附图说明：

附图1是本产品的结构示意图。

附图2是附图1的应变片粘贴位置双层弹性梁结构图。

附图3是附图1的全桥电路图。

附图4是附图1的信号调理电路原理图。

具体实施方式：

实施例1：

一种手术微器械三维力传感器，其组成包括:传感器1，所述的传感器1具有一组弹性梁支撑架，所述的一组弹性梁支撑架内装有弹性体，所述的弹性梁支撑架前端连接分离钳架2，所述的弹性梁支撑架后端连接腕部末端3，所述的弹性体连接带有全桥电路的应变片4，所述的传感器通过发射接收信号连接电器接口盒5。

所述的电器接口盒具有信号采集放大电路的电路板。

实施例2：

实施例1所述的手术微器械三维力传感器，所述的一组弹性梁支撑架包括前弹性梁支撑架6，所述的前弹性梁支撑架6连接前弹性体7，所述的前弹性体7连接中弹性梁支撑架8，所述的中弹性梁支撑架8连接后弹性体9，所述的后弹性体9连接后弹性梁支撑架10。

实施例3：

实施例1所述的手术微器械三维力传感器，所述的一组弹性梁支撑架与所述的分离钳架之间通过一组螺栓连接固定，所述的腕部末端装有连接螺栓11。

实施例4：

以上实施例所述的手术微器械三维力传感器，所述的弹性体采用十字梁式弹性体，由于十字形结构简单，易于加工并且加工精度易于保证，适于微型要求，并且适于提高精度。

传感器弹性体的材料选择为铝合金LY12（2024），材料的特性为：正弹性模量E=71705.4Mpa；抗剪切弹性模量G=26889.6MPa；泊松系数μ=0.33；密度ρ=2.82341 ( g /cm3)。传感器支架材料选择1cr18ni9ti。弹性梁长2mm，宽0.8mm，厚0.2mm, 传感器直径为9mm,高为14mm.在四个梁的正反两面分别贴8个应变片。贴在上下对应弹性梁上的两个应变片组成半桥，减小温度对测量精度的影响。

有限元分析：

经初步设计后，在工程软件ANSYS 中进行有限元静态力学分析。作用于钳子上的力

等效于作用于传感器弹性梁上的力

，弹性体进行建模，并进行有限元分析，弹性体对三个方向的载荷有一定的耦合，这是大多数多维力传感器无法避免的，某些弹性变形区对某个方向的力比较敏感，对其他方向的力产生的应变不敏感。可以通过之后的解耦可以得到较好的解耦效果。

片桥式电路搭建：

传感器处理电路设计主要包括以下几个方面的内容：电桥设计、信号调理放大电路、然后通过示波器完成对信号的采集。电桥设计主要以提高测量电桥电压的灵敏度、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等为宗旨。信号采集放大电路主要完成输出电压信号的放大、信号过滤等。

传感器应变片选Micro instruments公司生产的SS-060-033-500PU S4型硅半导体应变片，每个S4具有4个阻值及温度系数相同应变片，适于组成全桥电路，并且应变片尺寸为1.5mm

0.4mm(长

宽)，符合尺寸要求，其灵敏系数K=140，电桥电压UO= 5V，电路电桥贴片利用四个应变片组成全桥电路，可合理解决敏感元件在不同受力条件下提高电桥的灵敏度、温度补偿等问题，由敏感元件的工作原理知，应变计R1和R3的应变极性一致，应变计R2和R4的应变极性一致，且与应变计R1和R2的应变极性相反。

信号调理放大电路：

由于微器械末端空间限制，将应变电桥电路放在微器械前端，将全桥输出通过屏蔽电缆线传递到微器械前端的信号调理放大电路上。放大电路采用仪表放大器AD620对电桥输出信号进行两级放大。为了使电桥输出信号稳定，将电桥输入电压选择5V。

传感器安装方式：

传感器采用双层十字梁结构，。感器弹性体由3个弹性梁支撑架将传感器安装在微器械上，传感器在微器械上的安装位置在腕部与分离钳之间，利用四个螺丝将传感器一端安装在腕部，在通过螺栓将传感器和分离钳头连接起来。

Claims (4)

1. 一种手术微器械三维力传感器，其组成包括: 传感器，其特征是: 所述的传感器具有一组弹性梁支撑架，所述的一组弹性梁支撑架内装有弹性体，所述的弹性梁支撑架前端连接分离钳架，所述的弹性梁支撑架后端连接腕部末端，所述的弹性体连接带有全桥电路的应变片，所述的传感器通过发射接收信号连接电器接口盒。

2. 根据权利要求1所述的手术微器械三维力传感器，其特征是: 所述的一组弹性梁支撑架包括前弹性梁支撑架，所述的前弹性梁支撑架连接前弹性体，所述的前弹性体连接中弹性梁支撑架，所述的中弹性梁支撑架连接后弹性体，所述的后弹性体连接后弹性梁支撑架。

3. 根据权利要求1或2所述的手术微器械三维力传感器，其特征是: 所述的一组弹性梁支撑架与所述的分离钳架之间通过一组螺栓连接固定，所述的腕部末端装有连接螺栓。

4. 根据权利要求1或2所述的手术微器械三维力传感器，其特征是: 所述的电器接口盒具有信号采集放大电路的电路板。

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