用於針刺手法量化的機器手的六維力/力矩傳感器的製作方法
2023-06-12 11:59:06
本發明涉及一種用於針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器結構。
背景技術：
中醫走向世界，針灸是先導，針灸是我國少數擁有自主智慧財產權的自然科學領域之一，擁有制定國際標準的相對優勢，針灸標準化可以進一步促進針灸在全球範圍內的廣泛推廣。針灸的標準化，需要對傳統的針刺手法以及針刺作用所引起的生物現象和生物效應進行量化。在針刺手法量化的基礎上，明確針灸作用的生物現象和生物效應，研究針灸作用的生物過程，尋求針灸作用的規律及其代表的生物過程的響應規律與機制，使傳統針灸學上升為科學針灸學，將成為針灸學研究的重點。因此急於開發將針灸過程針刺手法量化的機器手六維力/力矩傳感器及量化手段，對進一步推進中醫針灸國際標準化工作，做好中醫針灸標準國際化人才儲備，加強對中醫針灸標準國際化專家的培訓具有重大的意義。
目前，傳統針刺手法一般都是由經驗豐富的施針者施加。鑑於施針者的不同，或者同一施針者操作的不確定性，再加上針刺手法各參數不能精確採集，因此，傳統的針刺手法具有明顯的主觀感知特點，導致每次針刺手法參數的不可能一致，甚至會有較大差異。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種用於針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器，對傳統針刺手法參數的精確採集，以實現對針刺手法的量化，以及對針刺過程中的提插力、捻轉力矩、頻率、幅度和「得氣」的檢測。
為實現上述目的，本發明採用的技術方案是提供一種用於針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器，其中：該傳感器包括有主動平臺、柔性十字軸、從動平臺、軸承組件、四個柔性P鉸、八個萬向鉸、針、P鉸支架、針座，形成對針刺針所受力/力矩進行檢測的柔性並聯機構。
以所述十字軸的中心為原點建立相對於主動平臺固定的x,y,z三維坐標系，所述主動平臺與從動平臺均為U形結構體，主動平臺的U形開口與從動平臺的U形開口相對，兩者通過柔性十字軸連結，柔性十字軸的y方向的一對軸端通過軸承組件與主動平臺的側壁連結，x方向的一對軸端通過軸承組件與從動平臺的側壁連結構成一個柔性U鉸。
所述針座上端為一法蘭結構，通過螺釘固定於從動平臺的外端面中心位置，針座中心設有直徑3mm的孔，針的端部插入針座的孔中並通過頂絲固定，針座的下端也為法蘭結構；所述每兩個萬向鉸連接柔性P鉸結構兩端而構成四個柔性支杆，每個柔性支杆分別對稱的安裝於針座與P鉸支架之間，分別標記為第一P鉸、第二P鉸、第三P鉸、第四P鉸；P鉸支架通過螺釘固定於主動平臺U形臂的端面上，與主動平臺形成一個整體結構。
所述柔性十字軸的每個半軸臂上設有兩個方向相互垂直的中空區結構，即八個中空區形成八個力敏感區，在每個力敏感區兩側外面上粘貼應變片並搭建成多個應變電路，在主動平臺的U形槽內與柔性十字軸之間的空間內設置集成電路板，通過螺釘固定在主動平臺U形槽內頂面上；所述柔性P鉸為U形結構，且兩U形臂之間有一個圓孔結構而形成力敏感區，在所述力敏感區兩個外側面粘貼應變片並搭建成多個應變電路，在所述力敏感區兩個外側面粘貼應變片，柔性十字軸的各應變電路和柔性P鉸的各應變電路均集成在所述集成電路板上。
本發明的效果是該量化針刺手法的機器手六維力/矩傳感器結構體積緊湊，應用應變片技術採集針刺手法的提、插、捻、轉、搖參數信息，可以感知小於20克的微小力/力矩。該發明目的是集成到機器人系統，採集的針刺手法信息經A/D轉換成數位訊號，應用計算機軟體對所採集的信息進行智能化處理，從而可以比較全面、客觀的分析針刺手法的有效性，並且可以實時採集的信息，進行調整，實現均勻一致的手法。
附圖說明
圖1是本發明的傳感器結構中機械結構示意圖；
圖2是本發明的傳感器結構中的柔性U鉸結構示意圖；
圖3是本發明的傳感器結構中的十字軸結構示意圖；
圖4是本發明的傳感器結構中的柔性P鉸結構示意圖；
圖5是本發明的傳感器結構中的柔性P鉸裝配及應變片位置示意圖；
圖6是本發明的傳感器結構中的三維力應變電路圖；
圖7是本發明的傳感器結構中的三維力矩應變電路圖。
圖中：
1、主動平臺 2、柔性十字軸 3、從動平臺 4、軸承組件
5、柔性P鉸 6、萬向鉸 7、針 8、P鉸支架 9、針座
P1、第一柔性P鉸 P2、第二柔性P鉸 P3、第三柔性P鉸
P4、第四柔性P鉸
具體實施方式
結合附圖對本發明的用於針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器結構加以說明。
本發明的用於針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器是一種基於並聯機構的新型柔性並聯針刺手機構，通過從動平臺3相對於主動平臺1的六個自由度被限制，僅依靠彈性無件的變形可以產生三個轉動，即繞x、y、z軸微旋轉運動和三個直線運動即沿x、y、z軸微位移運動，用來模仿人手針刺動作可能的提插、捻轉運動以及針刺過程的由軟組織的反力引起的反轉運動。
在結構上採用柔性關節，採用微應變檢測技術構成六維力/力矩傳感器。本發明採用的柔性鉸鏈用作傳感器的力敏感部件，直接檢測三維力，通過力雅克比計算獲得從動平臺3所受三維力矩，達到獲取六維力/力矩的目地。
如圖1-7所示，本發明的用於針刺手法量化的機器手的六維力/力矩傳感器，該傳感器包括有主動平臺1、柔性十字軸2、從動平臺3、軸承組件4、四個柔性P鉸5、八個萬向鉸6、針7、P鉸支架8、針座9，形成對針刺針所受力/力矩進行檢測的柔性並聯機構。
以所述十字軸2的中心為原點建立相對於主動平臺1固定的x,y,z三維坐標系，所述主動平臺1與從動平臺3均為U形結構體，主動平臺1的U形開口與從動平臺3的U形開口相對，兩者通過柔性十字軸2連結，柔性十字軸2的y方向的一對軸端通過軸承組件4與主動平臺1的側壁連結，x方向的一對軸端通過軸承組件4與從動平臺3的側壁連結構成一個柔性U鉸。
所述針座9上端為一法蘭結構，通過螺釘固定於從動平臺3的外端面中心位置，針座9中心設有直徑3mm的孔，針7的端部插入針座9的孔中並通過頂絲固定，針座9的下端也為法蘭結構；所述每兩個萬向鉸6連接柔性P鉸5結構兩端而構成四個柔性支杆，每個柔性支杆分別對稱的安裝於針座9與P鉸支架8之間，分別標記為第一P鉸P1、第二P鉸P2、第三P鉸P3、第四P鉸P4；P鉸支架8通過螺釘固定於主動平臺1U形臂的端面上，與主動平臺1形成一個整體結構。
所述柔性十字軸2的每個半軸臂上設有兩個方向相互垂直的中空區結構，即八個中空區形成八個力敏感區，在每個力敏感區兩側外面上粘貼應變片並搭建成多個應變電路，在主動平臺1的U形槽內與柔性十字軸2之間的空間內設置集成電路板，通過螺釘固定在主動平臺1U形槽內頂面上。所述柔性P鉸5為U形結構，且兩U形臂之間有一個圓孔結構而形成力敏感區，在所述力敏感區兩個外側面粘貼應變片並搭建成多個應變電路，在所述力敏感區兩個外側面粘貼應變片，柔性十字軸2的各應變電路和柔性P鉸5的各應變電路均集成在所述集成電路板上。
所述柔性十字軸2力敏感區應變片組成的應變電路有應變電路a、應變電路b、應變電路c、應變電路d、應變電路e，其中應變電路a、應變電路b、應變電路e是全橋式電路，應變電路c、應變電路d為半橋式電路，由應變電路a或者應變電路b獲得針7沿柔性十字軸2的z方向的力Fz，由應變電路c獲得針7沿柔性十字軸2的x方向的力Fx，由應變電路d獲得針7沿柔性十字軸2的y方向的力Fy，由應變電路e獲得針7繞柔性十字軸2的z軸旋轉的力矩Mz。
所述柔性P鉸5的力敏感區應變片組成的應變電路f、應變電路g均為全橋式應變電路，由應變電路f、應變電路g分別獲得針繞x、y軸的反轉力矩My、Mx。