本發(fā)明涉及一種多功能觸覺(jué)傳感器及測(cè)量方法，特別涉及用于生物組織硬度測(cè)量以及介入手術(shù)器械末端及側(cè)壁接觸力測(cè)量的傳感器及測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，由于不健康的飲食生活習(xí)慣、較大的生活及工作壓力、人口老齡化等原因，高血壓、血脂異常、冠心病等心血管疾病患者越發(fā)越多，由心血管疾病引發(fā)的致殘率和死亡率逐年上升。微創(chuàng)介入手術(shù)以出血少、創(chuàng)傷小、痛苦輕和術(shù)后恢復(fù)快等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前的心腦血管疾病的診斷和治療中得到日益廣泛的應(yīng)用。

介入手術(shù)器械的操作對(duì)醫(yī)生有嚴(yán)格的要求，稍有不慎就會(huì)對(duì)組織及血管造成傷害，存在安全隱患，影響手術(shù)效率。此外，當(dāng)人體組織發(fā)生病變后，其硬度會(huì)發(fā)生變化，盡管目前利用影像手段可以得到組織的狀態(tài)，但無(wú)法像觸診那樣獲取其硬度信息，判斷組織是否發(fā)生病變。因此介入手術(shù)器械應(yīng)當(dāng)具備組織硬度測(cè)量、器械末端及側(cè)壁接觸力測(cè)量的功能。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出具備接觸力檢測(cè)或硬度檢測(cè)功能的觸覺(jué)傳感器，在接觸力檢測(cè)方面的研究已較為成熟，能夠應(yīng)用于多種要求嚴(yán)苛的場(chǎng)合。相比而言，在硬度檢測(cè)方面的研究則稍顯不足。sadaoomata等人在sensorsandactuatorsa112(2004)278–285中公開(kāi)了一種觸覺(jué)傳感器，利用壓電陶瓷在接觸不同硬度的物體時(shí)共振頻率會(huì)發(fā)生改變這一原理，將兩片圓形壓電陶瓷片貼合，通過(guò)檢測(cè)傳感器接觸不同硬度的物體時(shí)壓電陶瓷的共振頻率改變量得到物體硬度信息。該傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠區(qū)分不同硬度的物體，但壓電陶瓷共振頻率太大，在測(cè)量生物組織硬度時(shí)，質(zhì)量效應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響大于硬度效應(yīng)，因此該傳感器不適用于生物組織的硬度測(cè)量。針對(duì)以上問(wèn)題，mortezaheydariaraghi等人在transactionsonmechatronics18(3):973-980中公開(kāi)了一種適用于生物組織硬度測(cè)量的觸覺(jué)傳感器。引入彈簧阻尼模塊，結(jié)合壓電陶瓷降低整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的共振頻率，通過(guò)測(cè)量整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)接觸物體時(shí)的共振頻率改變量得到物體硬度信息，避免了壓電陶瓷共振頻率過(guò)高帶來(lái)的問(wèn)題，能夠很好地應(yīng)用于生物組織，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型化，無(wú)法適用于介入手術(shù)中。

綜合觸覺(jué)傳感器研究現(xiàn)狀，盡管目前的觸覺(jué)傳感器已經(jīng)具備接觸力測(cè)量或硬度測(cè)量的功能，但大部分觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以小型化，同時(shí)難以兼?zhèn)渖锝M織硬度測(cè)量、器械末端及側(cè)壁接觸力測(cè)量的功能，無(wú)法適用于介入手術(shù)等要求嚴(yán)格的場(chǎng)合，限制了介入手術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)上述情況，本發(fā)明提供一種多功能觸覺(jué)傳感器及測(cè)量方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種多功能觸覺(jué)傳感器及測(cè)量方法，該觸覺(jué)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于小型化，兼?zhèn)溆捕葴y(cè)量、器械末端及側(cè)壁接觸力測(cè)量的功能，同時(shí)適用于生物組織的硬度測(cè)量，能夠?yàn)榻槿胧中g(shù)提供全面的力覺(jué)信息與組織硬度信息，進(jìn)一步保證介入手術(shù)的安全，提高手術(shù)效率。

一種多功能觸覺(jué)傳感器，其特征在于：

由右向左依次包括硬度檢測(cè)單元前端蓋、硬度檢測(cè)單元、硬度檢測(cè)單元后端蓋、頂端壓敏電阻片、連接頭；

其中硬度檢測(cè)單元前端蓋與硬度檢測(cè)后端蓋將硬度檢測(cè)單元包絡(luò)并相互粘合，三者組成用以測(cè)量所接觸物體硬度的硬度傳感器；

硬度檢測(cè)單元由金屬結(jié)構(gòu)板、壓電陶瓷片和探頭組成；金屬結(jié)構(gòu)板由正方形金屬薄板切割而成，可分為a、b、c、d、e共5個(gè)寬度及厚度一致的長(zhǎng)方條；其中a、b、c這3個(gè)長(zhǎng)方條長(zhǎng)度一致，d、e這2個(gè)長(zhǎng)方條長(zhǎng)度一致；a、b、c長(zhǎng)方條長(zhǎng)度是d、e長(zhǎng)方條長(zhǎng)度的的2倍；以a長(zhǎng)方條為基準(zhǔn)，在其長(zhǎng)邊末端與b長(zhǎng)方條垂直連接，在b長(zhǎng)方條長(zhǎng)邊末端與c長(zhǎng)方條垂直連接，在c長(zhǎng)方條長(zhǎng)邊末端與d長(zhǎng)方條垂直連接，在d長(zhǎng)方條長(zhǎng)邊末端與e長(zhǎng)方條垂直連接，e長(zhǎng)方條長(zhǎng)邊末端位于原正方形中心，整個(gè)結(jié)構(gòu)最外側(cè)尺寸與原正方形薄板邊長(zhǎng)一致；壓電陶瓷片粘貼于a長(zhǎng)方條上位于其左側(cè)與硬度檢測(cè)單元后端蓋接觸，探頭左端粘貼于e長(zhǎng)方條右側(cè)，探頭右端穿出硬度檢測(cè)單元前端蓋；探頭穿出硬度檢測(cè)單元前端蓋的距離用以限制探針的位移以及金屬結(jié)構(gòu)板的變形量，進(jìn)一步限制硬度檢測(cè)單元與被測(cè)物體的接觸力；

上述連接頭由連接柱以及位于連接柱左端的連接盤(pán)組成；其中頂端壓敏電阻片粘貼于硬度檢測(cè)單元后端蓋左側(cè)與連接柱右側(cè)之間，用以測(cè)量傳感器末端的接觸力；

上述連接柱外側(cè)還套有橡膠管，橡膠管左端與連接盤(pán)相連，右端與硬度檢測(cè)單元后端蓋左側(cè)相連；橡膠管外壁均勻布置若干用以測(cè)量側(cè)壁接觸力的側(cè)壁壓敏電阻片。

上述的一種多功能觸覺(jué)傳感器的測(cè)量方法，其特征在于：

傳感器通過(guò)連接頭安裝于運(yùn)動(dòng)器械中，傳感器的末端及側(cè)壁在器械運(yùn)動(dòng)過(guò)程中將會(huì)與物體發(fā)生接觸，產(chǎn)生作用力，引起頂端壓敏電阻片與側(cè)壁壓敏電阻片阻值發(fā)生變化，硬度檢測(cè)單元阻抗發(fā)生變化；

由計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)頂端壓敏電阻片與側(cè)壁壓敏電阻片發(fā)送直流電壓信號(hào)，對(duì)硬度檢測(cè)單元中的壓電陶瓷片發(fā)送掃頻電壓信號(hào)；

由電流傳感器采集頂端壓敏電阻片、側(cè)壁壓敏電阻片以及壓電陶瓷片的反饋電流信號(hào)，經(jīng)由放大、濾波等信號(hào)處理電路完成初步信號(hào)處理后傳送至數(shù)據(jù)采集卡；

由數(shù)據(jù)采集卡對(duì)初步處理后的信號(hào)進(jìn)行采集，并送至計(jì)算機(jī)中完成進(jìn)一步處理，得到頂端壓敏電阻片、側(cè)壁壓敏電阻片對(duì)應(yīng)的電阻值，硬度檢測(cè)單元對(duì)應(yīng)的共振頻率改變量δf；

在實(shí)際測(cè)量之前，分別對(duì)頂端壓敏電阻片、側(cè)壁壓敏電阻片及硬度檢測(cè)單元進(jìn)行標(biāo)定，得到頂端壓敏電阻片、側(cè)壁壓敏電阻片關(guān)于電阻值與作用力大小的標(biāo)定曲線(xiàn)，得到硬度檢測(cè)單元關(guān)于頻率變化量δf與彈性模量e的標(biāo)定曲線(xiàn)；

在實(shí)際測(cè)量時(shí)，將計(jì)算機(jī)處理后得到的電阻值、頻率改變量δf等信息與之前標(biāo)定的曲線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)，即可得到作用力信息與硬度信息，實(shí)現(xiàn)硬度測(cè)量、器械末端與側(cè)壁接觸力測(cè)量的功能。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果：

1.現(xiàn)有觸覺(jué)傳感器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)硬度測(cè)量或接觸力測(cè)量，但難以將硬度測(cè)量、器械末端與側(cè)壁接觸力測(cè)量的功能集成到一體，并且其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，難以小型化，無(wú)法滿(mǎn)足一些對(duì)尺寸要求較為嚴(yán)格的場(chǎng)合。本發(fā)明的一種多功能傳感器能夠很好地兼?zhèn)溆捕葴y(cè)量、器械末端與側(cè)壁接觸力測(cè)量的功能，同時(shí)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)小型化，可根據(jù)實(shí)際需要按比例縮放結(jié)構(gòu)尺寸，能夠適應(yīng)多種應(yīng)用場(chǎng)合，尤其適用于介入手術(shù)。

2.由于不同硬度的物體具備不同的阻抗，硬度檢測(cè)單元接觸物體時(shí)會(huì)引起本身的阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致其固有頻率發(fā)生變化，根據(jù)頻率變化量δf得到被測(cè)物體的硬度大小，利用這一原理實(shí)現(xiàn)硬度測(cè)量。當(dāng)信號(hào)頻率較低時(shí)，頻率變化量δf的主要影響因素為被測(cè)物體的硬度，而當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，其主要影響因素為被測(cè)物體的質(zhì)量，因此需要降低硬度檢測(cè)單元的固有頻率。壓電陶瓷本身的共振頻率通常達(dá)到上百khz，該頻率不適用于生物組織的硬度測(cè)量。本發(fā)明提出的觸覺(jué)傳感器硬度檢測(cè)單元通過(guò)引入金屬結(jié)構(gòu)板，并將金屬結(jié)構(gòu)板中外側(cè)自由端固定，形成類(lèi)似懸臂梁的固定結(jié)構(gòu)，使整個(gè)硬度檢測(cè)單元的共振頻率降低至約1khz，測(cè)量整個(gè)硬度檢測(cè)單元的共振頻率改變量δf進(jìn)而得到被測(cè)物體的硬度大小，減小了高頻振動(dòng)下被測(cè)物體質(zhì)量帶來(lái)的影響，改善了測(cè)量效果，使其能夠很好地應(yīng)用于生物組織的硬度測(cè)量。

3.在進(jìn)行硬度測(cè)量時(shí)，硬度檢測(cè)單元與組織接觸力的變化會(huì)影響到硬度測(cè)量結(jié)果，為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要排除接觸力變化因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。本發(fā)明提出的觸覺(jué)傳感器中探針超出硬度檢測(cè)單元前端蓋的剛性表面形成較短的超出段，在傳感器與組織接觸時(shí)，該超出段首先接觸組織，隨著接觸力的增加，硬度檢測(cè)單元前端蓋開(kāi)始與組織接觸，超出段縮回硬度檢測(cè)單元前端蓋中，同時(shí)使得金屬結(jié)構(gòu)板發(fā)生變形，該變形所產(chǎn)生的力即為硬度檢測(cè)單元與組織的接觸力。當(dāng)超出段完全縮回到硬度檢測(cè)單元前端蓋中后，無(wú)論傳感器末端與組織的接觸力如何增大，都不會(huì)影響金屬結(jié)構(gòu)板的變形量，即不會(huì)影響硬度檢測(cè)單元與組織的接觸力大小。探針超出硬度檢測(cè)單元前端蓋的距離一定，保證了硬度檢測(cè)單元與物體的接觸力一定，排除了接觸力大小對(duì)硬度檢測(cè)結(jié)果的影響。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1是本發(fā)明的一種多功能觸覺(jué)傳感器整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的一種多功能觸覺(jué)傳感器立體分解圖；

圖3是本發(fā)明的觸覺(jué)傳感器中硬度檢測(cè)單元立體圖；

圖4是本發(fā)明的觸覺(jué)傳感器中硬度檢測(cè)單元的約束示意圖；

圖5是本發(fā)明的硬度檢測(cè)系統(tǒng)原理框圖；

圖6是本發(fā)明的整體原理框圖；

圖中標(biāo)號(hào)名稱(chēng)：1.硬度檢測(cè)單元前端蓋，2.硬度檢測(cè)單元，3.硬度檢測(cè)單元后端蓋，4.頂端壓敏電阻片，5.橡膠管，6.側(cè)壁壓敏電阻片，7.連接頭，8.硬度檢測(cè)單元中的壓電陶瓷片，9.硬度檢測(cè)單元中的金屬結(jié)構(gòu)板，10.硬度檢測(cè)單元中的探頭。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖1、2、3、4、5、6對(duì)本發(fā)明進(jìn)行具體解釋和說(shuō)明。

參閱如圖1、2所示，本發(fā)明提出了一種多功能觸覺(jué)傳感器。該觸覺(jué)傳感器包括硬度檢測(cè)單元前端蓋1、硬度檢測(cè)單元2、硬度檢測(cè)單元后端蓋3、頂端壓敏電阻片4、橡膠管5、側(cè)壁壓敏電阻片6以及連接頭7。硬度檢測(cè)單元2包括壓電陶瓷片8、金屬結(jié)構(gòu)板9、探頭10，如圖3所示。硬度檢測(cè)單元前端蓋1中心處設(shè)有小孔與探頭10配合，與后端蓋3相互粘合并將硬度檢測(cè)單元2包絡(luò)其中，組成硬度傳感器，用以測(cè)量傳感器末端接觸物體的硬度。

頂端壓敏電阻片4一端面與硬度檢測(cè)單元后端蓋3相粘合，另一端面與連接頭7相粘合，用以測(cè)量末端的接觸力，三片側(cè)壁壓敏電阻片6周向均布于橡膠管5外壁，用以測(cè)量側(cè)壁的接觸力。橡膠管5一端面與硬度檢測(cè)單元后端蓋3相粘合，另一端面與連接頭7相粘合，橡膠管5內(nèi)孔直徑略大于頂端壓敏電阻片4直徑以將其包絡(luò)。連接頭7用以連接該觸覺(jué)傳感器與介入手術(shù)器械。硬度檢測(cè)單元后端蓋3、橡膠管5與連接頭7設(shè)有小孔或圓柱形通道用以布置信號(hào)線(xiàn)。

頂端壓敏電阻片4與三片側(cè)壁壓敏電阻片6均用于測(cè)量接觸力的大小，當(dāng)壓敏電阻與物體接觸并產(chǎn)生作用力時(shí)，其電阻值會(huì)隨著作用力大小而變化，作用力越大，電阻值越小，利用這一原理實(shí)現(xiàn)接觸力測(cè)量。通過(guò)測(cè)量其電阻值的大小即可得到接觸力的大小信息，而根據(jù)壓敏電阻片在傳感器中布置的位置，即可得到作用力相對(duì)于傳感器的方向信息。

由于不同硬度的物體具備不同的阻抗，硬度檢測(cè)單元接觸物體時(shí)會(huì)引起本身的阻抗發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致其固有頻率發(fā)生改變，根據(jù)頻率變化δf得到被測(cè)物體的硬度大小，利用這一原理實(shí)現(xiàn)硬度測(cè)量。當(dāng)信號(hào)頻率較低時(shí)，頻率變化量δf的主要影響因素為被測(cè)物體的硬度，而當(dāng)信號(hào)頻率較高時(shí)，其主要影響因素為被測(cè)物體的質(zhì)量，因此需要降低硬度檢測(cè)單元的固有頻率。壓電陶瓷本身的共振頻率通常達(dá)到上百khz，該頻率不適用于生物組織的硬度測(cè)量，而本發(fā)明提出的觸覺(jué)傳感器硬度檢測(cè)單元中，引入具備特殊結(jié)構(gòu)的金屬結(jié)構(gòu)板9并將其外側(cè)伸出端固定，如圖4所示，這種類(lèi)似于懸臂梁的約束方式能夠?qū)⒄麄€(gè)硬度檢測(cè)單元的機(jī)械共振頻率降低至約1khz，相比于壓電陶瓷的共振頻率有了明顯降低。通過(guò)測(cè)量整個(gè)硬度檢測(cè)單元的共振頻率改變量δf進(jìn)而得到被測(cè)物體的硬度大小，減小了高頻振動(dòng)下被測(cè)物體質(zhì)量帶來(lái)的影響，改善了測(cè)量效果，使其能夠很好地應(yīng)用于生物組織的硬度測(cè)量。

硬度檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖5所示，在壓電陶瓷片8上下引出兩個(gè)電極，工作時(shí)壓電陶瓷即作為激勵(lì)源又作為傳感單元。其測(cè)量過(guò)程為：將圖3中硬度檢測(cè)單元的固定面以類(lèi)似懸臂梁的方式固定于觸覺(jué)傳感器中，觸覺(jué)傳感器與組織接觸。利用計(jì)算機(jī)程序通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡在壓電陶瓷片8上加載正弦電壓信號(hào)。保持幅值不變，使信號(hào)頻率以足夠小的間隔逐漸增加(掃頻)，壓電陶瓷片8上產(chǎn)生正弦變形，從而激勵(lì)金屬結(jié)構(gòu)板9振動(dòng)。由于逆壓電效應(yīng)，金屬結(jié)構(gòu)板9的振動(dòng)使得壓電陶瓷片8上產(chǎn)生微弱壓電電流，通過(guò)電流傳感器將電流信號(hào)進(jìn)行采集，并經(jīng)由信號(hào)處理電路送至數(shù)據(jù)采集卡，找到電流最大值對(duì)應(yīng)的頻率即為硬度檢測(cè)單元接觸物體時(shí)的共振頻率，進(jìn)而由頻率變化量δf得到被測(cè)物體的硬度信息。

整個(gè)觸覺(jué)傳感器系統(tǒng)原理如圖6所示，由計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡對(duì)頂端壓敏電阻片4與側(cè)壁壓敏電阻片6發(fā)送直流電壓信號(hào)，對(duì)硬度檢測(cè)單元發(fā)送掃頻電壓信號(hào)，反饋信號(hào)經(jīng)由信號(hào)處理電路后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集并送至計(jì)算機(jī)中完成進(jìn)一步處理。在實(shí)際測(cè)量之前，分別對(duì)傳感器硬度檢測(cè)單元與壓敏電阻片進(jìn)行標(biāo)定，測(cè)量多個(gè)已知硬度的樣本所對(duì)應(yīng)的頻率變化量δf、多個(gè)已知大小的作用力所對(duì)應(yīng)的壓敏電阻片電阻值，得到頻率變化量δf與彈性模量e的標(biāo)定曲線(xiàn)、電阻值與作用力大小的標(biāo)定曲線(xiàn)。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，將計(jì)算機(jī)處理后的信息與之前標(biāo)定的曲線(xiàn)進(jìn)行比對(duì)，即可得到硬度信息與作用力信息，實(shí)現(xiàn)硬度測(cè)量、器械末端與側(cè)壁接觸力測(cè)量的功能。

最終本文提出的一種多功能觸覺(jué)傳感器及其測(cè)量方法，兼?zhèn)溆捕葴y(cè)量、器械末端及側(cè)壁接觸力測(cè)量的功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單利于小型化，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)合。同時(shí)在進(jìn)行硬度測(cè)量時(shí)不受接觸力大小與被測(cè)物體質(zhì)量的影響，并且適用于生物組織的硬度測(cè)量。該觸覺(jué)傳感器能夠?yàn)榻槿胧中g(shù)等領(lǐng)域提供必要的硬度檢測(cè)與接觸力檢測(cè)功能，并為生物組織病情診斷提供關(guān)鍵信息，有助于推動(dòng)介入手術(shù)等領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。