CN108420545A - 电触觉反馈装置及安装有该装置的手术机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电触觉反馈装置及安装有该装置的手术机器人。所述的电触觉反馈装置包括多维力传感器和电触觉反馈***，通过多维力传感器检测实际微创手术中手术器械和患病组织间接触的力信息，并将力信息传递给电触觉控制***。而电触觉控制***包括主控制模块和电流刺激模块，主控制模块接收多维力传感器输出的信号，并向电流刺激模块发出指令，通过电流刺激模块提供触觉刺激反馈，将实时的力信息反馈到术者手上，从而能够指导术者施加精确的作用力。而使用安装有该电触觉反馈装置的手术机器人，能够有效提高手术操作的精确性和平稳性。

Description

电触觉反馈装置及安装有该装置的手术机器人

技术领域

本发明涉及一种手术机器人，具体涉及一种电触觉反馈装置及安装有该装置的手术机器人。

背景技术

微创手术的操作对象多是微小的血管与神经，手术的难度高，需要术者具有极高的操作准确性和稳定性。近年来，由于手术机器人的出现，术者通过操作主控制台，便可以控制机械手灵活的与手术部位进行互动，从而帮助术者高效轻松的完成复杂且困难的手术作业。这从根本上解决了手术中术者握持颤抖的问题，大大提高了手术的精确性和平稳性。

但是，由于手术机器人采用远距离操作模式，仅通过观察成像***中组织器官的形变来判断机械手施加力的大小，这显然不够直观，无疑给术者带来了重大的挑战。也在一定程度上影响到术者对操作准确性的判断。目前，即使是最先进的手术机器人也未能解决这一问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种电触觉反馈装置以及安装有该装置的手术机器人。该电触觉反馈装置能够使手术机器人获得操作对象的接触信息并且提供实时的力反馈，从而使操作者能够更加精准的控制手术机器人。

技术方案：本发明所述的一种电触觉反馈装置，包括多维力传感器以及电触觉控制***；所述电触觉控制***包括主控制模块和电流刺激模块；所述主控制模块连接所述多维力传感器以及所述电流刺激模块，主控制模块用以获取多维力传感器的输出信号，并向电流刺激模块发送指令；所述电流刺激模块用以接收主控制模块发出的指令，并提供触觉刺激反馈。

其中，所述多维力传感器包括弹性体和检测模块；所述检测模块包括设置在弹性体上的多个应变片以及与所述多个应变片连接用以检测应变片电阻值变化的检测电路。

所述弹性体包括上弹性部、下弹性部以及连接在上弹性部和下弹性部之间的两个平行布置的矩形弹性片；所述多个应变片分别设置在上弹性部、下弹性部以及两个矩形弹性片上。

而本发明所述的手术机器人所采用的技术方案为：

一种安装有本发明所述电触觉反馈装置的手术机器人，还包括工作端和操作端，所述多维力传感器设置在工作端上用以捕捉工作端的力信息，所述电流刺激模块设置在所述操作端上用以提供触觉刺激反馈。

有益效果：本发明采用多维力传感器和电触觉控制***组成用于手术机器人的电触觉反馈装置，通过多维力传感器检测实际微创手术中手术器械和患病组织间接触的力信息，并将力信息传递给电触觉控制***。而电触觉控制***采用主控制模块和电流刺激模块构成，主控制模块接收多维力传感器输出的信号，并向电流刺激模块发出指令，通过电流刺激模块提供触觉刺激反馈，能够将实时的力信息反馈到术者手上以指导术者施加精确的作用力。而安装有该电触觉反馈装置的手术机器人，能够有效提高手术操作的精确性和平稳性。

附图说明

图1是本发明手术机器人工作原理示意图；

图2是本发明多维力传感器的装配示意图；

图3是图2中多维力传感器的弹性体结构示意图；

图4是图3中下弹性部的应变片的贴片结构示意图；

图5是图3中上弹性部的应变片的贴片结构示意图；

图6是图3中一个矩形弹性片的应变片的贴片结构示意图；

图7是图3中另一个矩形弹性片的应变片的贴片结构示意图；

图8是本发明实施例中检测模块的惠斯通电桥电路图；

图9是本发明实施例中电触觉反馈装置各部件工作关系示意图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

发明人基于目前国内外最先进的手术机器人仍没有添加力反馈技术，对手术机器人的触觉反馈技术做了深入研究，提出本发明。

如图1所示，一种手术机器人，包括作用于患病组织的工作端和用于术者作业的操作端。为了有效提高手术操作的精确性和平稳性，该手术机器人还安装有电触觉反馈装置。该电触觉反馈装置包括多维力传感器100和电触觉控制***。所述多维力传感器100设置在工作端上，用于捕捉工作端的力信息，并将工作端的力信息输出为电信号。所述电触觉控制***包括主控制模块和电流刺激模块，所述主控制模块连接所述多维力传感器100以及所述电流刺激模块，主控制模块用于获取多维力传感器的输出的信号，并向电流刺激模块发送控制指令；所述电流刺激模块设置在所述操作端用以提供触觉刺激反馈。从而可以采用多维力传感器100检测微创手术中工作端与患病组织间接触的力信息，并通过主控制模块接收计算和发出控制指令，最终以电流刺激模块在操作端将实时的力信息反馈到术者手上，以指导术者在手术中施加精确的作用力。为了能够全面准确的捕捉工作端最细微的力信息，作为优选，本实施例中采用多维力传感器100的最完整形式，亦即能够同时测量三个力分量和三个力矩分量的六维力传感器。

如图2至图8所示，结合手术机器人工作端的结构特性，本实施例提供一种结构简单、尺寸适中，同时容易拆装的多维力传感器100。该多维力传感器100包括弹性体1和检测模块，所述检测模块包括设置在弹性体1上的多个应变片以及与所述多个应变片连接用以检测应变片电阻值变化的检测电路。

首先参照图3，弹性体1包括上弹性部2、下弹性部3以及连接在上弹性部2和下弹性部3之间的两个平行布置的矩形弹性片4。为了准确捕捉手术机器人工作端的力信息并契合手术机器人工作端的结构特性，本实施例中，将上弹性部2和下弹性部3均设置成圆槽形，且两圆槽的开后向外对称布置，亦即为，两圆槽的外侧底面平行相对设置。而所述的矩形弹性片4是指其截面为矩形结构，两个矩形弹性片4均设置在上弹性部2和下弹性部3之间，矩形弹性片4的两端分别与上弹性部和下弹性部的圆槽底面相连。

同时，为了从根本上解决多维传感器100的维间耦合问题，使工作端力信息的检测更加精准细致。需要从弹性体1的力学特性出发，选择恰当的应变片贴片位置和组桥方式。所以本实施例中，将多个应变片分别设置在上弹性部2、下弹性部3以及两个矩形弹性片4上。

参照图4，示出了下弹性部3的圆槽内侧底面，根据弹性体1的应变特性以及所需的测力个数，其上设置有R1～R6六个应变片，所述六个应变片两两一对分别设置在笛卡尔坐标系的X轴、Y轴以及与X轴Y轴均呈45°夹角的位置；分别用于测量切向力Fx，Fy以及法向力Fz。而参照图5，为上弹性部2的圆槽内侧底面，其用于测量切向力矩Mx和My，所以在其上设置R7～R10四个应变片，所述四个应变片两两一对分别设置在笛卡尔坐标系的X轴和Y轴上。同时再参照图6和图7，分别为两个矩形弹性片4。为了准确测量法向力矩Mz，本实施例中，在每个矩形弹性片4上设置两个应变片，分别为设置在一个矩形弹性片4上的R11和R12以及设置在另一个矩形弹性片4上的R13和R14。所述两对应变片分别设置在两个矩形弹性片4的平行相对的内侧面上，也就是说，两对应变片分别设置在两个矩形弹性片4相互距离最近的侧面上。而设置在同一矩形弹性片上的两个应变片，分别设置在矩形弹性片内侧面中心位置的上下两侧，同时两个应变片均呈斜向布置且两个应变片的延伸方向相互交叉。

然后参照图8，将各应变片的电压输出端连接到检测电路的电压输入端，即U₀端，组成惠斯通电桥电路，用以检测应变片电阻值变化以测量弹性体的形变量；应变片的阻值变化以电压的信号输出，亦即△Ux、△Uy、△Uz、△Umx、△Umy和△Umz；其中，在测量法向力矩信号△Umz时采用灵敏性更高的全有源惠斯通电桥电路，而测量其余各信号均采用半有源惠斯通电桥电路，从而使电路得到简化。

再次参照图2，进一步的，本实施例提供的多维力传感器100还设置有上套壳12、下套壳13和弹性体套11，所述弹性体套11包覆在所述弹性体1侧表面，从而能够为弹性体1提供保护，减少外部环境对弹性体1的影响。所述上套壳12和下套壳13分别盖合在所述上弹性部2和下弹性部3的圆槽开口侧。为了使其盖合后能够更加紧密，分别在上弹性部2和下弹性部3的圆槽外侧面设置外螺纹，同时在上套壳12和下套壳13上设置内螺纹，从而通过螺纹连接各个部件。更进一步的，所述上套壳12和下套壳13与弹性体套11接触的面上均还设置有环形槽，用以装配密封垫14，从而通过密封垫14保证装配的密封性。另外，为了使整个装置的结构布局更简单紧凑，减小设备尺寸，本实施例中，所述下套壳13与下弹性部3的圆槽形成容置腔，所述检测电路设置在所述容置腔内；同时，上弹性部2和下弹性部3的圆槽中心还设置有通孔5，各应变片的引线穿过通孔5与设置在容置腔内的检测电路连接。

如图9，本实施例中，所述主控制模块包括信号放大电路、AD转换电路、ARM板卡以及PC上位机。信号放大电路连接检测模块和AD转换电路，也就是说，信号放大电路一端与惠斯通电桥电路相连，另一端连接AD转换电路，从而能够将检测模块检测的电压信号放大处理后传输至AD转换电路。AD转换电路与ARM板卡连接，以能够将放大的电压信号进行模数转换后传输给ARM板卡。ARM板卡通过数据线连接PC上位机，并将信号传输给PC上位机，从而使PC上位机接收到工作端的力信息，然后根据工作端的力信息发送指令到电流刺激模块。

所述电流刺激模块包括驱动电路和电极阵列，所述驱动电路连接所述电极阵列，从而通过驱动电极阵列释放的电流刺激操作者的触觉感受以实现力反馈。同时，ARM板与驱动电路连接，从而能够实时控制刺激电流的波形和强度，给操作者的肌肉组织施加强度一定、均值为零的交变电流，使操作者获得温和无刺痛的触觉感受，达到反馈工作端力信息的目的。而传统的力反馈模式一般是在操作端布置伺服电机，结构繁琐，构造复杂。本发明的电触觉反馈装置放弃了传统的力反馈方法，实施时，只需在操作端的原有操作把手上布置电极阵列，即可。当然，采用传统的方法在操作端布置伺服电机，通过驱动电路驱动伺服电机震动也能实现本发明的发明目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干推演或替代，这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电触觉反馈装置，其特征在于，包括多维力传感器以及电触觉控制***；所述电触觉控制***包括主控制模块和电流刺激模块；所述主控制模块连接所述多维力传感器以及所述电流刺激模块，主控制模块用以获取多维力传感器的输出信号，并向电流刺激模块发送指令；所述电流刺激模块用以接收主控制模块发出的指令，并提供触觉刺激反馈。

2.根据权利要求1所述的电触觉反馈装置，其特征在于，所述多维力传感器包括弹性体和检测模块；所述检测模块包括设置在弹性体上的多个应变片以及与所述多个应变片连接用以检测应变片电阻值变化的检测电路。

3.根据权利要求2所述的电触觉反馈装置，其特征在于，所述主控制模块包括依次连接的信号放大电路、AD转换电路、ARM板卡以及PC上位机；所述信号放大电路与所述检测模块相连；所述电流刺激模块包括相互连接的驱动电路和电极阵列，所述驱动电路与所述ARM板卡连接。

4.根据权利要求2所述的电触觉反馈装置，其特征在于，所述弹性体包括上弹性部、下弹性部以及连接在上弹性部和下弹性部之间的两个平行布置的矩形弹性片；所述多个应变片分别设置在上弹性部、下弹性部以及两个矩形弹性片上。

5.根据权利要求4所述的电触觉反馈装置，其特征在于，所述上弹性部和所述下弹性部均为圆槽形，且两个圆槽开口向外对称设置；所述矩形弹性片的两端分别连接在上弹性部和下弹性部的圆槽底面。

6.根据权利要求5所述的电触觉反馈装置，其特征在于，所述上弹性部和所述下弹性部的圆槽中心还设置有用于穿过所述应变片引线的通孔。

7.根据权利要求6所述的电触觉反馈装置，其特征在于，所述多维力传感器还设置有上套壳、下套壳和弹性体套，所述弹性体套包覆在所述弹性体侧表面，所述上套壳和下套壳分别盖合在所述上弹性部和下弹性部的圆槽开口侧；下套壳与下弹性部的圆槽形成容置腔，所述检测电路设置在所述容置腔内。

8.根据权利要求4～7任一所述的电触觉反馈装置，其特征在于，所述上弹性部设置有四个应变片，所述四个应变片两两一对分别设置在笛卡尔坐标系的X轴和Y轴上；所述下弹性部设置有六个应变片，所述六个应变片两两一对分别设置在笛卡尔坐标系的X轴、Y轴以及与X轴Y轴均呈45°夹角的位置；所述两个矩形弹性片平行相对的内侧面上分别设置有两个应变片，所述两个应变片分别设置在矩形弹性片内侧面中心位置的上下两侧，两个应变片均呈斜向布置且两个应变片的延伸方向相互交叉。

9.一种安装有如权利要求1～8所述电触觉反馈装置的手术机器人，其特征在于，包括工作端和操作端，所述多维力传感器设置在工作端上用以捕捉工作端的力信息，所述电流刺激模块设置在所述操作端上用以提供触觉刺激反馈。