[发明专利]一种基于柔性铰链对称结构的压电触觉传感器

说明书

本发明公开了一种基于柔性铰链对称结构的压电触觉传感器，包含传感器底座、振动梁、第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片、质量探头和传感器壳体。本发明通过金属板和柔性铰链形成类似悬臂梁的对称固定结构，将压电陶瓷片PZT‑5A沿横向的对称振动转化为上下运动；同时引入质量探头，降低系统整体的谐振频率至约200Hz，减小了被测组织质量对测量精度的影响，通过测量压电陶瓷的共振频率改变量，进而得到被测物体的硬度大小,减小了高频振动下被测物体质量的影响。

技术领域

本发明涉及压电触觉传感领域，尤其涉及一种基于柔性铰链对称结构的压电触觉传感器。

背景技术

随着医疗技术的不断进步，微创外科手术以出血少，创伤小，痛苦轻和术后恢复快等优点，在当前的医疗领域中得到日益广泛的应用。在微创手术中，由于医师无法直接接触到手术位置，传统的触诊方式不再适用，仅凭视觉反馈难以准确识别病灶的位置与大小，术中对病灶进行准确定位成为一大难点，手术中病灶定位不准可能造成病灶切除的不完全。而且，医师在缺乏触觉反馈的情况下进行手术可能会不慎对正常组织造成损伤，甚至伤害到重要器官，这提高了对医师技术和经验的要求。所以，触觉传感器在硬度感知的过程中发挥着重要的作用。Sadao Omata等人在Sensors and Actuators A112(2004)278–285中公开了一种触觉传感器，利用压电陶瓷在接触不同硬度的物体时共振频率会发生改变这一原理，将两片圆形压电陶瓷片贴合，通过检测传感器接触不同硬度的物体时压电陶瓷的共振频率改变量得到物体硬度信息。该传感器结构简单，能够区分不同硬度的物体，但压电陶瓷共振频率太大，在测量生物组织硬度时，质量效应对测量结果的影响大于硬度效应，因此该传感器不适用于生物组织的硬度测量。针对以上问题，Morteza Heydari Araghi等人在Transactions on Mechatronics 18(3):973-980中公开了一种适用于生物组织硬度测量的触觉传感器。引入弹簧阻尼模块，结合压电陶瓷降低整个机械系统的共振频率，通过测量整个机械系统接触物体时的共振频率改变量得到物体硬度信息，避免了压电陶瓷共振频率过高带来的问题，能够很好地应用于生物组织，但其结构复杂,不利于小型化，无法适用于介入手术中。综合触觉传感器研究现状，尽管目前的压电触觉传感器已经具备硬度测量的功能，但大部分压电触觉传感器结构复杂，难以小型化，同时谐振频率很大，容易受到组织质量的影响，影响测量的准确性，无法适用于介入手术等要求严格的场合。

通常情况下，触觉传感器(电容式、位移检测式等)大多采用直接接触组织的方式检测接触力大小，从而推导出待测组织的硬度。电容式触觉传感器可移动的内外层与中间的液态金属构成电容，当传感器受到外力作用时，电容极板的间距发生变化，由电容值变化可计算出接触力大小，继而判断被测部位硬度大小，这种方式不仅需要对组织施加较大的力，可能会对被测组织造成不必要的伤害，同时还可能在检测过程中引发患者不必要的疼痛。检测结果会受到非线性摩擦等因素的影响，造成测量结果的不准确。

再比如基于位移测量的触觉传感器在被测组织表面连续滑动实现快速检测，通过位移变化量的相对大小来定位病变组织，如图1所示，但是检测结果会受到非线性摩擦等因素的影响，造成测量结果的不准确，不能准确判断肿瘤的位置和形状，更严重的情况会在手术过程中误切到正常的组织。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于柔性铰链对称结构的压电触觉传感器，将压电材料的特有性质(如压电效应等)应用到触觉传感器设计中，达到其与被测组织接触即可检测其硬度的目的，不会与组织产生较大变形量的接触，不会对组织造成损伤，更适应微创手术的安全性需要。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于压电振动的触觉传感器，包含传感器底座、振动梁、第一压电陶瓷片、第二压电陶瓷片、质量探头和传感器壳体；