测力系统的制作方法

1.本发明涉及手术机器人技术领域，尤其是用于手术机器人的测力系统。


背景技术：

2.多维力传感器广泛应用于机器人、航空、航天、汽车等领域。常见的多维力传感器有六维力传感器，其可感知三维正交力及三维正交力矩。但是现有的多维传感器价格昂贵，特别是测量精度高的多维力传感器，更是价格不菲。
3.人工耳蜗植入手术机器人的末梢执行机构需设置多维力传感器，用于感测多维力及力矩，避免术中损伤患者。在末梢执行机构中使用现有的多维力传感器，使人工耳蜗植入手术机器人成本过高，不利于推广应用。另外，现有的多维力传感器体积较大，不利于末梢执行机构小型化设计。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种测力系统。
5.第一方面，本发明提供的一种测力系统，包括：力传感组件和被测受力体，力传感组件包括至少三个力感应件，至少三个力感应件周向分布且形成内侧空间，被测受力体具有受力点s，被测受力体通过内侧空间与力传感组件相耦合。其中，单个力感应件仅能够感测一个维度的力，至少三个力感应件的感测力包括f1、f2和f3，测力系统被构造成至少根据感测力f1、f2和f3获得作用至受力点s的多维力/力矩。
6.具体地，力感应件为应变式称重传感器，力感应件用于感测z轴方向的力，多维力/力矩至少包括三维力f
x
、fy、fz。
7.进一步地，力感应件的测力方向平行于z轴，力传感组件包括三个沿圆周分布的力感应件，分别为第一力感应件、第二力感应件和第三力感应件，内侧空间具有三个力感应件的中心点o，中心点o的三维坐标为(0，0，0)，受力点s的三维坐标为(r
x
，ry，rz)；其中，rz不为0，多维力/力矩具体为f
x
、fy、fz、τ
x
、τy，并满足下列关系：
8.τy＝l
rf
·
f1·
cos(θ1-90
°
)+f3·
l
rf
·
cos(θ2-90
°
)
9.τ
x
＝f2·
l
rf
·
+f1·
l
rf
·
cos(θ1)+f3·
l
rf
·
cos(θ2)
10.f
x
＝(τy+fz·rx
)/rz11.fy＝(fz·ry-τ
x
)/rz12.fz＝f1+f2+f313.其中，l
rf
表示所述三个力感应件的共圆的半径，θ1表示第一力感应件与第二力感应件之间的圆心角，θ2表示第三力感应件与第二力感应件之间的圆心角，θ1和θ2具有相同的角度计算起始边和相同的角度计算方向。优选地，三个力感应件沿圆周均匀分布。优选地，中心点o到第二力感应件的中心点的连线与y轴重合。
14.进一步地，测力系统包括阻尼因子和重力因子，阻尼因子为m
·
fd，重力因子为m
·
g，作用至受力点s的力和转矩分别为f
ext
和τ
ext
，
[0015][0016][0017]
m表示对其中至少一个力感应件的力感应位置具有作用力的关联部件的质量，fd表示阻尼系数，g表示重力加速度。
[0018]
进一步地，所述测力系统还包括安装座和固定架，安装座包括内部中空的安装座主体，安装座主体上部开口且下部设有底壁，安装座主体的侧壁设有三个用于容纳所述力感应件的凹槽。固定架用于为测力系统提供固定支撑。其中，力感应件的一端连接至安装座，力感应件的另一端连接至固定架，被测受力体延伸穿过安装座和固定架，被测受力体通过底壁与力传感组件相耦合。
[0019]
第二方面，本发明还提供一种末梢执行机构，应用于人工耳蜗植入手术机器人，包括前述第一方面的测力系统。被测受力体被构造成夹持件，夹持件被实施为受驱动地递送柔性电极至目标位置，受力点s位于夹持件的末端，作用至所述受力点s的力f
ext
为夹持件的插入力。
[0020]
可选地，夹持件包括固定部和活动部。固定部的一端设有第一连接轴，安装座主体的底壁设有第一孔，第一连接轴延伸穿过第一孔，第一连接轴与第一孔的孔壁接触使得夹持件与力传感组件相耦合。活动部与固定部并行设置，活动部的一端设有第二连接轴，第二连接轴延伸穿过安装座主体的底壁，安装座主体的底壁设有第二孔，第二连接轴延伸穿过第二孔，第二连接轴与第二孔的孔壁之间具有间隙。
[0021]
第三方面，本发明还提供一种末梢执行机构，应用于人工耳蜗植入手术机器人，包括前述第一方面的测力系统。被测受力体被构造成夹持件，夹持件被实施为受驱动地递送柔性电极至目标位置。
[0022]
第三方面，本发明还提供一种人工耳蜗植入手术机器人，包括前述第二方面的末梢执行机构。
[0023]
本发明的特点及优点包括：
[0024]
本发明的测力系统通过至少三个周向布置的一维的力感应件，即可实现高精度测量耦合至测力系统的被测受力体上的多维力/力矩，实现了远超人手感知极限精细力的测量。并且，该测力系统体积较小，可应用于对空间限制极其苛刻的末梢执行机构，解决了现有的多维力传感器因体积较大而不能直接应用到末梢执行机构的难题。另外，一维的力感应件价格便宜，因此，可有效降人工耳蜗植入手术机器人的成本。
附图说明
[0025]
图1为本发明实施例中末梢执行机构的结构示意图；
[0026]
图2是图1中夹持件和测力系统的结构示意图；
[0027]
图3是夹持件和测力系统的爆炸示意图；
[0028]
图4是图1中夹持件和测力系统的结构示意图，其中，去除部分安装座；
[0029]
图5-图7是力学分析示意图；
[0030]
图8是去除部分壳体的末梢执行机构的结构示意图。
具体实施方式
[0031]
以下结合附图和具体实施方式对本发明提出的测力系统作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
[0032]
本发明提供一种人工耳蜗植入手术机器人，该手术机器人用于辅助外科医生将柔性电极组件插入患者耳蜗的损伤部分(例如，基底耳蜗)。参见图1，该手术机器人具有支撑机构及连接至支撑机构末端的末梢执行机构100。末梢执行机构100包括夹持件10和测力系统20。其中，夹持件10用于递送柔性电极，测力系统20用于检测夹持件10的多维力/力矩。特别地，参见图2至图4，测力系统20具有力传感组件26，力传感组件26由多个一维的力感应件262(也称为力传感器)组合而成。多个力感应件262周向分布且形成内侧空间，夹持件10延伸穿过该内侧空间并与力传感组件26的各个力感应件262相耦合，从而测量作用于夹持件10末端的受力点s的多维力/力矩。
[0033]
在一些实施例中，多个力感应件262的测力方向均与三维坐标系的其中一个坐标轴平行，更具体地，均与z轴平行，即与竖直方向平行。在一些实施例中，力传感组件26中有至少两个力感应件262的测力方向不平行，通过角度以及力臂长度换算后，可得到所测夹持件10末端的受力点s的多维力/力矩。在一些实施例中，多个力感应件262可感测z轴方向的力。此时，每个力感应件262的测力方向为xy平面的法向量方向，即测力方向与z轴方向平行。
[0034]
继续参见图2至图4，测力系统20还包括安装座22和固定架24。其中，力传感组件26的两端分别连接至安装座22和固定架24，夹持件10向上延伸依次穿过固定架24和安装座22，并通过安装座22与力传感组件26的各个力感应件262相耦合。力传感组件26包括多个力感应件262，例如三个、四个等。在一些实施例中，力传感组件26至少包括三个力感应件262。
[0035]
具体地，安装座22具有安装座主体222。安装座主体222内部中空形成内腔224，安装座主体222侧壁设有若干开口朝下的凹槽225，凹槽225用于容纳力感应件262。安装座主体222的上部开口，下部设有底壁226。底壁226中部设有用于使夹持件10穿过的贯穿孔，例如第一孔227和第二孔228。其中，第一孔227与夹持件10紧密配合，例如第一孔227的孔壁与夹持件10紧密接触，可将作用至夹持件10末端的力或力矩传递至安装座主体222的底壁226，进而传递至安装在安装座主体222上的力感应件262。
[0036]
具体地，固定架24具有环形的固定架主体242，固定架主体242的内部形成通道243。固定架主体242的上部设有若干用于放置力感应件262的支撑部244。固定架主体242的
下侧设有两个向下延伸的支架246，末梢执行机构100通过支架246连接至手术机器人的支撑机构。
[0037]
参见图3，力传感组件26设有三个力感应件262，三个力感应件262沿圆周分布，每个力感应件的测力方向平行于竖直方向的z轴。三个力感应件262具体为第一力感应件、第二力感应件、第三力感应件，每个力感应件的顶端固定设置在安装座主体222的侧壁凹槽225内，每个力感应件的底端通过支撑部244与固定架主体242固定连接，夹持件10依次穿过固定架主体242的通道243、安装座主体222的底壁226上的贯穿孔、安装座主体222的内腔224(由于本实施例中三个力感应件262是安装在安装座主体222上的，因此前述提及的该三个力感应件262围合形成的内侧空间即为此处所述的安装座主体222的内腔224)后从安装座主体222的上部开口伸出。如图5和图6所示，该第一力感应件、第二力感应件、第三力感应件，三者沿圆周分布，且三者检测到的z轴方向的力分别为f1、f2和f3。力传感组件26的内侧空间具有三个力感应件262的中心点o，三个力感应件262沿圆周分布时，该中心点o为三个力感应件262的圆心。其中，以中心点o到第二力感应件的中心点的连线为角度计算的起始边，第一力感应件与第二力感应件之间的圆心角为θ1，第三力感应件与第二力感应件之间的圆心角为θ2，θ1和θ2的角度计算方向相同。
[0038]
在优选的实施例中，三个力感应件262周向对称分布，即三者两两间隔120
°
分布，例如，θ1为120
°
，θ2为240
°
。对应地，安装座主体222设有三个沿圆周间隔120
°
分布的凹槽225，固定架主体242设有三个沿圆周间隔120
°
分布的支撑部244。力感应件262的两端设有螺孔，力感应件262的上端和下端分别通过螺钉27连接至安装座主体222和固定架主体242。在一些实施例中，参见图4，力感应件262的上侧与凹槽225的上壁间设有垫片28，力感应件262的下侧与支撑部244间设有垫片28。安装座22和固定架24未直接接触，两者通过螺钉27、垫片28及力感应件262连接形成一个整体。在一些实施例中，力感应件262具体为应变式称重传感器，例如拉压力传感器。
[0039]
继续参见图3，夹持件10可以是两个且二者互为镜像设置，每个夹持件10包括固定部11和活动部13，其中固定部11与活动部13并行设置，以及耦接至各固定部11和各活动部13的活动夹16，两个活动夹16可协同使用。其中，活动部13可相对固定部11沿z轴方向移动，使得活动夹16的两个钳部完成开合与关闭。具体地，活动夹16的两个钳部通过销件分别可转动地连接至固定部11和活动部13，固定部11的末端设有静态夹座，其上设置有供销件穿过的孔，活动部13相对固定部11沿z轴方向移动时，连接在活动部13的钳部靠近或远离连接在静态夹座的钳部，从而实现活动夹16的开合与关闭，完成取放功能。
[0040]
在一些实施例中，固定部11的主体具有第一倾斜段和第一平行段，其中第一平行段与z轴平行，第一平行段连接至第一倾斜段的下端且两者的夹角大于90
°
。活动部13的主体具有第二倾斜段和第二平行段，其中第二平行段与z轴平行，第二平行段连接至第二倾斜段的下端且两者的夹角大于90
°
。在一些实施例中，固定部11设有平行于自身的凹槽，至少部分活动部13设置于该凹槽内，有助于为活动部13在z轴方向的运动提供引导或限位，活动部13的移动可以控制活动夹16的开合。
[0041]
固定部11的第一倾斜段的上端设有第一连接轴12，第一连接轴12延伸穿过第一孔227。第一孔227的孔壁与第一连接轴12接触，使得位于活动夹16和静态夹座(即夹持件末端)的力或力矩传递至底壁226。活动部13的第二倾斜段的上端设有第二连接轴14，第二连
接轴14延伸穿过第二孔228。第二孔228的孔壁与第二连接轴14间预留间隙。参见图4，在优选的实施例中，第一倾斜段和第二倾斜段从末梢执行机构100的中部斜向下延伸至突出于测力系统20的外周，方便操作该手术机器人的人员查看夹持件10的末端的夹持情况。
[0042]
参见图5至图7，测力系统20可通过三个一维的力感应件262识别来自夹持件10的末端的三个不同方向的冲击力f
x
、fy、fz以及两个维度的扭矩τ
x
、τy。假设作用到夹持件末端受力点s的对柔性电极的插入力为f
ext
，f
ext
将影响到每个单独的力感应件262。其中，每个力感应件262均测量z轴方向的力，三个力感应件262检测到的z轴方向的力分别为f1、f2和f3，第一力感应件与第二力感应件之间的圆心角为θ1，第三力感应件与第二力感应件之间的圆心角为θ2。其中，θ1和θ2具有相同的起始边和相同的角度计算方向。另外，考虑了阻尼和重力的影响，计算中的阻尼因子为m
·
fd，重力因子为m
·
g。其中m为对其中至少一个力感应件的力感应位置具有作用力的关联部件的质量，fd为阻尼系数，g为重力加速度约为9.8n/kg。在一些实施例中，关联部件包括安装座22、固定在安装座22上的壳体102、夹持件10所有零部件及连接至夹持件10顶部的直线运动机构30。在另一些实施例中，关联部件还包括受夹持件10所夹持的一部分柔性电极。中心点o为三个力感应件262的内侧空间的中心点，三个力感应件262的共圆的半径为l
rf
，即各力感应件262的中心点与中心点o的连线的长度为l
rf
。假设中心点o的三维坐标为(0，0，0)，受力点s的三维坐标为(r
x
，ry，rz)，且rz不为0。
[0043]
首先根据f1、f2、f3计算受力点s的fz值。
[0044]fz
＝f1+f2+f3(1)
[0045]
再计算x和y方向上的二维扭矩值，即τ
x
和τy。
[0046]
τy＝l
rf
·
f1·
cos(θ1-90
°
) + f3·
l
rf
·
cos(θ2-90
°
)
ꢀꢀꢀ
(2)
[0047]
τ
x
＝f2·
l
rf
+f1·
l
rf
·
cos(θ1) + f3·
l
rf
·
cos(θ2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0048]
根据物理学中的理论力学的计算法则，可计算获得f
x
、fy：
[0049]fx ＝ (τy+fz·rx
)/rzꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0050]fy ＝ (fz·ry-τ
x
)/rzꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0051]
根据以上的算式，可获得受力点s的f
ext
及τ
ext：
[0052][0053][0054]
如上所述，根据测力系统20的三个一维的力感应件262可识别来自夹持件10的末端的五维力/力矩信息，即3d(f
x
、fy、fz)的力值和2d(τ
x
、τy)的扭矩值。
[0055]
需要说明的是，在一些实施例中，三个力感应件262沿圆周均匀分布，即θ1为120
°
，θ2为240
°
。
[0056]
在一些实施例中，中心点o到第二力感应件的中心点的连线与y轴重合时，r
x
为0。此时，f
x
＝τy/rz。当r
x
为0时，便于计算获得夹持件10的末端的五维力/力矩；当r
x
不为0时，也可获得。另外，三个一维的力感应件262在周向上任意摆放时，也可通过上述的计算法则获
得夹持件10的末端的五维力/力矩。当力感应件262多于三个也适用，此处不再赘述。
[0057]
参见图8，末梢执行机构100还包括直线运动机构30。直线运动机构具有第一运动部32和第二运动部34。其中，第一运动部32连接至第一连接轴12，使第一连接轴12沿z轴方向上下移动，从而带动固定部11运动。第二运动部34连接至第二连接轴14，使第二连接轴14沿z轴方向上下移动，从而带动活动部13和活动夹16运动。
[0058]
在优选地实施例中，末梢执行机构100设有两个夹持件10和两个直线运动机构30，即每个夹持件10独立设置与之匹配的直线运动机构30，使每个夹持件10可独立操作。
[0059]
参见图1，末梢执行机构100包括壳体102，壳体102固定至测力系统20的安装座22。直线运动机构30位于壳体102的内侧，壳体102对直线运动机构30起防护作用。在一些实施例中，直线运动机构30固定至壳体102，即直线运动机构30通过壳体102连接至测力系统20的安装座22。
[0060]
需要补充的是，本发明中提到的夹持件10是被测受力体的一种具体实施例。被测受力体还可以是其他的需要测力的部件，例如用于放置脑干电极的手术机器人上的执行机构，用于放置血管支架的手术机器人上的执行机构等。
[0061]
本发明的测力系统通过至少三个周向布置的一维的力感应件，可高精度测量耦合至测力系统的被测受力体上的多维力/力矩，实现了远超人手感知极限精细力的测量。并且，该测力系统体积较小，可应用于对空间限制极其苛刻的末梢执行机构，解决了现有的多维力传感器因体积较大而不能直接应用到末梢执行机构的难题。
[0062]
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

技术特征：
1.一种测力系统，其特征在于，包括：力传感组件，所述力传感组件包括至少三个力感应件，所述至少三个力感应件周向分布且形成内侧空间；和被测受力体，所述被测受力体具有受力点s，所述被测受力体通过所述内侧空间与所述力传感组件相耦合；其中，单个所述力感应件仅能够感测一个维度的力，所述至少三个力感应件的感测力包括f1、f2和f3，所述测力系统被构造成至少根据感测力f1、f2和f3获得作用至所述受力点s的多维力/力矩。2.根据权利要求1所述的测力系统，其特征在于，所述力感应件为应变式称重传感器，所述力感应件用于感测z轴方向的力，所述多维力/力矩至少包括三维力f
x
、f
y
、f
z
。3.根据权利要求2所述的测力系统，其特征在于，所述力感应件的测力方向平行于z轴，所述力传感组件包括三个沿圆周分布的力感应件，分别为第一力感应件、第二力感应件和第三力感应件，所述内侧空间具有三个力感应件的中心点o；所述中心点o的三维坐标为(0，0，0)，所述受力点s的三维坐标为(r
x
，r
y
，r
z
)；其中，r
z
不为0，所述多维力/力矩具体为f
x
、f
y
、f
z
、τ
x
、τ
y
，并满足下列关系：τ
y
＝l
rf
·
f1·
cos(θ1-90
°
)+f3·
l
rf
·
cos(θ2-90
°
)τ
x
＝f2·
l
rf
+f1·
l
rf
·
cos(θ1)+f3·
l
rf
·
cos(θ2)f
x
＝(τ
y
+f
z
·
r
x
)/r
z
f
y
＝(f
z
·
r
y-τ
x
)/r
z
f
z
＝f1+f2+f3其中，l
rf
表示所述三个力感应件的共圆的半径，θ1表示所述第一力感应件与所述第二力感应件之间的圆心角，θ2表示所述第三力感应件与所述第二力感应件之间的圆心角，θ1和θ2具有相同的角度计算起始边和相同的角度计算方向。4.根据权利要求3所述的测力系统，其特征在于，所述测力系统包括阻尼因子和重力因子，所述阻尼因子为m
·
fd，所述重力因子为m
·
g，作用至所述受力点s的力和转矩分别为f
ext
和τ
ext
，其中，，其中，m表示对其中至少一个力感应件的力感应位置具有作用力的关联部件的质量，fd表示阻尼系数，g表示重力加速度。5.根据权利要求3所述的测力系统，其特征在于，所述三个力感应件沿圆周均匀分布。6.根据权利要求3所述的测力系统，其特征在于，所述中心点o到所述第二力感应件的中心点的连线与y轴重合。7.根据权利要求1～6任一项所述的测力系统，其特征在于，还包括：
安装座，所述安装座包括内部中空的安装座主体，所述安装座主体上部开口且下部设有底壁，所述安装座主体的侧壁设有三个用于容纳所述力感应件的凹槽；和固定架，所述固定架用于为测力系统提供固定支撑；其中，所述力感应件的一端连接至所述安装座，所述力感应件的另一端连接至所述固定架，所述被测受力体延伸穿过所述安装座和所述固定架，所述被测受力体通过所述底壁与所述力传感组件相耦合。8.根据权利要求7所述的测力系统，其特征在于，所述被测受力体被构造成夹持件，所述夹持件被实施为受驱动地递送柔性电极至目标位置，所述受力点s位于所述夹持件的末端，作用至所述受力点s的力为所述夹持件的插入力。9.根据权利要求8所述的测力系统，其特征在于，所述夹持件包括固定部，所述固定部的一端设有第一连接轴，所述安装座主体的底壁设有第一孔，所述第一连接轴延伸穿过所述第一孔，所述第一连接轴与所述第一孔的孔壁接触使得所述夹持件与所述力传感组件相耦合。10.根据权利要求9所述的测力系统，其特征在于，所述夹持件包括活动部，所述活动部与所述固定部并行设置，所述活动部的一端设有第二连接轴，所述第二连接轴延伸穿过所述安装座主体的底壁，所述安装座主体的底壁设有第二孔，所述第二连接轴延伸穿过所述第二孔，所述第二连接轴与所述第二孔的孔壁之间具有间隙。

技术总结
本发明涉及一种测力系统，包括：力传感组件、被测受力体，所述力传感组件包括至少三个力感应件，所述至少三个力感应件周向分布且形成内侧空间；所述被测受力体具有受力点，所述被测受力体通过所述内侧空间与所述力传感组件相耦合；其中，单个所述力感应件仅能够感测一个维度的力，所述至少三个力感应件的至少感测三个维度的力，所述测力系统被构造成至少根据三个维度的力获得作用至所述受力点的多维力/力矩。本发明的测力系统可高精度测量耦合至测力系统的被测受力体上的多维力/力矩，实现了远超人手感知极限精细力的测量；该测力系统体积较小，可应用于对空间限制极其苛刻的末梢执行机构。梢执行机构。梢执行机构。


技术研发人员：贾欢 吴皓 谭皓月 郭卫龙 李连超 阿兹哈尔
受保护的技术使用者：上海微耳精创智能科技有限公司
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/25