[发明专利]一种杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器及设计方法

权利要求书

1.一种杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器，其特征在于，包括：

梁结构(11)，所述梁结构(11)的一端为固定端，另一端与杠杆机构(14)的杠杆输出端相连；

杠杆机构(14)，所述杠杆机构(14)包括杠杆主体、杠杆输入端(15)、杠杆输出端和杠杆支撑端(16)；杠杆输入端(15)和杠杆支撑端(16)位于杠杆主体的一侧，杠杆输出端位于杠杆支撑端(16)的对侧；杠杆输入端(15)连接手术末端器械(41)，杠杆支撑端(16)与传感器安装固定块(31)固定连接；

传感器安装固定块(31)，所述传感器安装固定块(31)包括安装板与固定块，固定块设置在安装板的一端，并于梁结构平行设置；所述梁结构的固定端和杠杆机构(14)的杠杆支撑端(16)固定安装在安装板的表面；固定块的上表面用于连接手术机器人本体。

2.根据权利要求1所述的杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器，其特征在于，所述梁结构(11)通过依次连接的第一直圆型铰链(12A)、连接块(13)和第二直圆型铰链(12B)与杠杆机构(14)的杠杆输出端相连。

3.根据权利要求1或2所述的杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器，其特征在于，所述梁结构(11)上表面和下表面分别设置第一光纤段(21)和第二光纤段(22)，第一光纤段(21)和第二光纤段(22)在靠近梁结构(11)固定端的对称位置上均刻写有光纤光栅，所述第一光纤段(21)和第二光纤段(22)的一端相连构成一根光纤。

4.根据权利要求1或2所述的杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器，其特征在于，所述梁结构(11)的固定端开设有固定端螺纹孔(17A)，传感器安装固定块(31)的安装板上开设有与固定端螺纹孔(17A)位置相对的安装板第一螺纹孔(33A)，梁结构(11)的固定端通过固定端螺纹孔(17A)和安装板第一螺纹孔(33A)与安装板固定连接。

5.根据权利要求1所述的杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器，其特征在于，所述杠杆输入端(15)通过第三直圆型铰链(12C)与杠杆主体相连。

6.根据权利要求1或5所述的杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器，其特征在于，所述杠杆支撑端(16)通过第四直圆型铰链(12D)相连，杠杆支撑端(16)上开设有支撑端螺纹孔(17B)，传感器安装固定块(31)的安装板上开设有与支撑端螺纹孔(17B)位置相对的安装板第二螺纹孔(33B)，杠杆支撑端(16)通过支撑端螺纹孔(17B)和安装板第二螺纹孔(33B)与安装板固定连接。

7.根据权利要求1或5所述的杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器，其特征在于，所述杠杆输入端(15)内开设有相互垂直的圆形通孔(19)和输入端螺纹孔(18)，输入端螺纹孔(18)横向贯穿杠杆输入端(15)；手术末端器械(41)由圆形通孔(19)伸入，由输入端螺纹孔(18)两侧旋入的螺钉将手术末端器械(41)夹紧固定。

8.一种权利要求1-7任一项所述杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据光纤光栅微力传感器检测模型，通过单目标多参数优化方法对传感器的材料、尺寸参数以及光纤光栅的栅区长度进行优化，根据优化结果得到光纤光栅微力传感器最优材料选型及最优结构参数；

步骤2：将优化计算得到的最优材料板材通过激光切割的方式获得传感器敏感元件以及固定安装块部分的主体部分，然后在敏感元件及固定安装块的设计位置加工出螺纹孔及圆形通孔；

步骤3：根据优化选择的光纤光栅栅区长度定制刻写具有两个栅区测点的光纤，并将光纤在两端预紧的情况下通过瞬干胶粘接在敏感元件梁结构的上下表面；

步骤4：将手术末端器械穿过杠杆机构输入端的圆形通孔，通过圆形通孔两侧的输入端螺纹孔用螺钉对其进行紧固，将敏感元件部分与固定安装部分通过对应的螺纹孔用螺栓进行紧固连接。

9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于，所述光纤光栅微力传感器检测模型如下：

其中，Δλ₁、Δλ₂分别为两个光纤光栅中心波长变化量，α_ε表示光纤光栅的应变灵敏度系数，L_b表示梁结构的长度，l_gr表示栅区长度，h_b为梁结构的高度，β为因光纤光栅粘接引起的应变传递系数，A表示杠杆机构的力放大倍数，F_i为输入力，E_b表示梁结构的弹性模量，I_b表示梁结构的截面惯性矩。