[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

说明书

本发明公开了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，本发明将杠杆结构与悬臂梁结构相结合作为一次敏感元件，采用光纤光栅作为二次敏感元件，实现了测量力的放大，提高了传感器微力测量的灵敏度。本发明在悬臂梁上下对称的位置分别布置了光纤光栅，通过两个栅区中心波长变化量做差的方式可进行温度补偿，减小了环境温度变化对力测量的影响。其次，本发明结构小巧，容易与眼科手术机器人末端执行器进行组装适配，故可根据不同眼科手术需求，与不同的末端手术器械进行适配。最后，本发明主要由敏感元件及固定块构成，构成敏感元件的悬臂梁、柔性铰链、杠杆以及固定块可由激光切割一体成型，传感器制作非常方便。

技术领域

本发明属于眼科手术机器人力测量技术领域，涉及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。

背景技术

近年来，因眼科手术操作的复杂性及对医生手术技能的高要求，高灵活性、稳定性及安全性的眼科手术机器人研发受到了广泛的关注。其中，眼科手术机器人在进行玻璃体视网膜手术时，手术镊对视网膜等眼内组织进行操作时，如果操作力大小不当会对眼组织造成不可逆的伤害，所以急需研发高精度的微力传感器去实时感知手术镊等眼科手术末端器械轴向力的大小。眼科手术中进入眼球进行手术操作的手术镊等器械尺寸微小，且进行穿刺、撕膜等手术操作所需力的大小要控制在毫牛级别，故对眼科手术末端器械轴向力测量灵敏度提出了很高的要求，传统的力传感器无法满足要求。

发明内容

本发明的目的在于解决眼科手术机器人末端手术器械轴向力测量的急迫需求的问题，提供一种可温度补偿的杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器及设计方法。本发明可集成到眼科手术机器人中，实现眼科手术过程中手术镊轴向力的实时精确测量。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

第一方面，本发明提供一种杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器，包括：

梁结构，所述梁结构的一端为固定端，另一端与杠杆机构的杠杆输出端相连；

杠杆机构，所述杠杆机构包括杠杆主体、杠杆输入端、杠杆输出端和杠杆支撑端；杠杆输入端和杠杆支撑端位于杠杆主体的一侧，杠杆输出端位于杠杆支撑端的对侧；杠杆输入端连接手术末端器械，杠杆支撑端与传感器安装固定块固定连接；

传感器安装固定块，所述传感器安装固定块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的杠杆支撑端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。

第二方面，本发明提供一种杠杆放大的高灵敏度光纤光栅微力传感器的设计方法，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。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：