本發(fā)明涉及一種用于針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

中醫(yī)走向世界，針灸是先導(dǎo)，針灸是我國少數(shù)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的自然科學(xué)領(lǐng)域之一，擁有制定國際標準的相對優(yōu)勢，針灸標準化可以進一步促進針灸在全球范圍內(nèi)的廣泛推廣。針灸的標準化，需要對傳統(tǒng)的針刺手法以及針刺作用所引起的生物現(xiàn)象和生物效應(yīng)進行量化。在針刺手法量化的基礎(chǔ)上，明確針灸作用的生物現(xiàn)象和生物效應(yīng)，研究針灸作用的生物過程，尋求針灸作用的規(guī)律及其代表的生物過程的響應(yīng)規(guī)律與機制，使傳統(tǒng)針灸學(xué)上升為科學(xué)針灸學(xué)，將成為針灸學(xué)研究的重點。因此急于開發(fā)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(yī)針灸國際標準化工作，做好中醫(yī)針灸標準國際化人才儲備，加強對中醫(yī)針灸標準國際化專家的培訓(xùn)具有重大的意義。

目前，傳統(tǒng)針刺手法一般都是由經(jīng)驗豐富的施針者施加。鑒于施針者的不同，或者同一施針者操作的不確定性，再加上針刺手法各參數(shù)不能精確采集，因此，傳統(tǒng)的針刺手法具有明顯的主觀感知特點，導(dǎo)致每次針刺手法參數(shù)的不可能一致，甚至?xí)休^大差異。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種用于針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器，對傳統(tǒng)針刺手法參數(shù)的精確采集，以實現(xiàn)對針刺手法的量化，以及對針刺過程中的提插力、捻轉(zhuǎn)力矩、頻率、幅度和“得氣”的檢測。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供一種用于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并聯(lián)機構(gòu)。

以所述十字軸的中心為原點建立相對于主動平臺固定的x,y,z三維坐標系，所述主動平臺與從動平臺均為U形結(jié)構(gòu)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鏈接，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(cè)壁鏈接，x方向的一對軸端通過軸承組件與從動平臺的側(cè)壁鏈接構(gòu)成一個柔性U鉸。

所述針座上端為一法蘭結(jié)構(gòu)，通過螺釘固定于從動平臺的外端面中心位置，針座中心設(shè)有直徑3mm的孔，針的端部插入針座的孔中并通過頂絲固定，針座的下端也為法蘭結(jié)構(gòu)；所述每兩個萬向鉸連接柔性P鉸結(jié)構(gòu)兩端而構(gòu)成四個柔性支桿，每個柔性支桿分別對稱的安裝于針座與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于主動平臺U形臂的端面上，與主動平臺形成一個整體結(jié)構(gòu)。

所述柔性十字軸的每個半軸臂上設(shè)有兩個方向相互垂直的中空區(qū)結(jié)構(gòu)，即八個中空區(qū)形成八個力敏感區(qū)，在每個力敏感區(qū)兩側(cè)外面上粘貼應(yīng)變片并搭建成多個應(yīng)變電路，在主動平臺的U形槽內(nèi)與柔性十字軸之間的空間內(nèi)設(shè)置集成電路板，通過螺釘固定在主動平臺U形槽內(nèi)頂面上；所述柔性P鉸為U形結(jié)構(gòu)，且兩U形臂之間有一個圓孔結(jié)構(gòu)而形成力敏感區(qū)，在所述力敏感區(qū)兩個外側(cè)面粘貼應(yīng)變片并搭建成多個應(yīng)變電路，在所述力敏感區(qū)兩個外側(cè)面粘貼應(yīng)變片，柔性十字軸的各應(yīng)變電路和柔性P鉸的各應(yīng)變電路均集成在所述集成電路板上。

本發(fā)明的效果是該量化針刺手法的機器手六維力/矩傳感器結(jié)構(gòu)體積緊湊，應(yīng)用應(yīng)變片技術(shù)采集針刺手法的提、插、捻、轉(zhuǎn)、搖參數(shù)信息，可以感知小于20克的微小力/力矩。該發(fā)明目的是集成到機器人系統(tǒng)，采集的針刺手法信息經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，應(yīng)用計算機軟件對所采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，并且可以實時采集的信息，進行調(diào)整，實現(xiàn)均勻一致的手法。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)中機械結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)中的柔性U鉸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)中的十字軸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)中的柔性P鉸結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)中的柔性P鉸裝配及應(yīng)變片位置示意圖；

圖6是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)中的三維力應(yīng)變電路圖；

圖7是本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)中的三維力矩應(yīng)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(jié)合附圖對本發(fā)明的用于針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器結(jié)構(gòu)加以說明。

本發(fā)明的用于針刺手法量化的機器手六維力/矩傳感器是一種基于并聯(lián)機構(gòu)的新型柔性并聯(lián)針刺手機構(gòu)，通過從動平臺3相對于主動平臺1的六個自由度被限制，僅依靠彈性無件的變形可以產(chǎn)生三個轉(zhuǎn)動，即繞x、y、z軸微旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)運動以及針刺過程的由軟組織的反力引起的反轉(zhuǎn)運動。

在結(jié)構(gòu)上采用柔性關(guān)節(jié)，采用微應(yīng)變檢測技術(shù)構(gòu)成六維力/力矩傳感器。本發(fā)明采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(fā)明的用于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并聯(lián)機構(gòu)。

以所述十字軸2的中心為原點建立相對于主動平臺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(jié)構(gòu)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鏈接，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(cè)壁鏈接，x方向的一對軸端通過軸承組件4與從動平臺3的側(cè)壁鏈接構(gòu)成一個柔性U鉸。

所述針座9上端為一法蘭結(jié)構(gòu)，通過螺釘固定于從動平臺3的外端面中心位置，針座9中心設(shè)有直徑3mm的孔，針7的端部插入針座9的孔中并通過頂絲固定，針座9的下端也為法蘭結(jié)構(gòu)；所述每兩個萬向鉸6連接柔性P鉸5結(jié)構(gòu)兩端而構(gòu)成四個柔性支桿，每個柔性支桿分別對稱的安裝于針座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通過螺釘固定于主動平臺1U形臂的端面上，與主動平臺1形成一個整體結(jié)構(gòu)。

所述柔性十字軸2的每個半軸臂上設(shè)有兩個方向相互垂直的中空區(qū)結(jié)構(gòu)，即八個中空區(qū)形成八個力敏感區(qū)，在每個力敏感區(qū)兩側(cè)外面上粘貼應(yīng)變片并搭建成多個應(yīng)變電路，在主動平臺1的U形槽內(nèi)與柔性十字軸2之間的空間內(nèi)設(shè)置集成電路板，通過螺釘固定在主動平臺1U形槽內(nèi)頂面上。所述柔性P鉸5為U形結(jié)構(gòu)，且兩U形臂之間有一個圓孔結(jié)構(gòu)而形成力敏感區(qū)，在所述力敏感區(qū)兩個外側(cè)面粘貼應(yīng)變片并搭建成多個應(yīng)變電路，在所述力敏感區(qū)兩個外側(cè)面粘貼應(yīng)變片，柔性十字軸2的各應(yīng)變電路和柔性P鉸5的各應(yīng)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(qū)應(yīng)變片組成的應(yīng)變電路有應(yīng)變電路a、應(yīng)變電路b、應(yīng)變電路c、應(yīng)變電路d、應(yīng)變電路e，其中應(yīng)變電路a、應(yīng)變電路b、應(yīng)變電路e是全橋式電路，應(yīng)變電路c、應(yīng)變電路d為半橋式電路，由應(yīng)變電路a或者應(yīng)變電路b獲得針7沿柔性十字軸2的z方向的力F_z，由應(yīng)變電路c獲得針7沿柔性十字軸2的x方向的力F_x，由應(yīng)變電路d獲得針7沿柔性十字軸2的y方向的力F_y，由應(yīng)變電路e獲得針7繞柔性十字軸2的z軸旋轉(zhuǎn)的力矩M_z。

所述柔性P鉸5的力敏感區(qū)應(yīng)變片組成的應(yīng)變電路f、應(yīng)變電路g均為全橋式應(yīng)變電路，由應(yīng)變電路f、應(yīng)變電路g分別獲得針繞x、y軸的反轉(zhuǎn)力矩M_y、M_x。