[发明专利]一种可任意角度测量硬度的触觉传感器及硬度检测方法

说明书

本发明公开一种可任意角度测量硬度的触觉传感器及硬度检测方法，传感器包括两片压电双晶片、支架及探头、阈值可调装置、信号发生采集与处理模块，其中，两片压电双晶片平行放置，其一端连接两片压电双晶片的一端，另一端连接在探头上；在支架上通过一∧型结构连接到阈值可调装置，阈值可调装置用于调节探头向作用对象方向的压力；信号发生采集与处理模块给压电双晶片发送电信号，并通过信号处理获得压电双晶片相位信号及共振频率信息，最终得到被测对象硬度及接触角度。基于上述传感器的硬度检测方法可精确感知被测组织的硬度，无需垂直于组织表面即可开展有效测量，不仅能获取组织硬度信息，同时也能得到接触角度信息。

技术领域

本发明属于物体硬度检测领域，具体涉及一种可任意角度测量硬度的触觉传感器及硬度检测方法。

背景技术

现有的用于生物组织硬度检测的触觉传感器主要通过按压组织发生变形来进行表面硬度的检测。由于需要较大按压力以产生足够变形，故存在一定的安全隐患，容易用力过大导致损伤组织。这类传感器常使用压阻、应变片、电容、光纤等材料作为敏感元件，其中前两者的敏感度相对较低，电容式的传感器敏感范围较窄，光纤式的传感器外部信号处理设备复杂较难集成于柔性手术器械的末端。目前也有基于压电材料动态振动的触觉传感器，其灵敏度高，仅需要接触到组织即可进行硬度检测，因此安全性更高。但压电传感器在检测时需要垂直于被测组织表面，当有一定接触角度时会造成硬度检测的误差。

发明内容

解决上述技术问题，本发明的目的是提出一种仅需较小接触力就可精确感知被测组织硬度的触觉传感器，并且该传感器无需垂直于组织表面即可开展有效测量，不仅能获取组织硬度信息，同时也能得到接触角度信息。

本发明为一种可任意角度测量硬度的触觉传感器，所述传感器包括两片压电双晶片、支架及探头、阈值可调装置、信号发生采集与处理模块，其中，两片压电双晶片平行放置，所述支架为V型结构，其一端连接两片压电双晶片的一端，另一端连接在探头上；在所述支架上通过一∧型结构连接到阈值可调装置，所述阈值可调装置用于调节探头向作用对象方向的压力；所述两片压电双晶片连接信号发生采集与处理模块，所述信号发生采集与处理模块给压电双晶片发送电信号，并通过信号处理获得压电双晶片相位信号及共振频率信息，最终得到被测对象硬度及接触角度。

进一步的，所述阈值可调装置包括与手术器械末端接触的接头及一金属杆，所述接头中心留有轴向通孔，金属杆置于通孔内部，所述金属杆下端有一半球形的凹槽；所述支架的∧型结构顶端设有一金属小球，所述凹槽与金属小球之间留有间隙。

进一步的，所述支架具有弹性，所述接头与金属杆之间为可调节连接，所述凹槽与金属小球之间的间隙通过金属杆的位置调节，所述阈值可调装置在探头接触并按压被测对象时，使支架发生弹性形变，当支架末端小球接触到上端阈值装置的杆部时，共振频率发生突变，则停止按压。

本申请还提供一种可任意角度测量的硬度检测方法，所述检测方法采用上述触觉传感器，具体包括以下步骤：向所述触觉传感器的两片压电双晶片施加相反的正弦电压，采集压电双晶片相位信号及共振频率信息；通过硬度、接触角度与压电双晶片的共振频率的关系计算得到被测对象硬度及接触角度。

进一步的，所述硬度、接触角度与压电双晶片的共振频率的关系计算得到被测对象硬度及接触角度，具体过程为：

首先，标定硬度、接触角度与压电双晶片的共振频率的关系；