用于窺鏡機(jī)器人的柔性傳感器及窺鏡機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種仿生傳感器，特別涉及一種用于窺鏡機(jī)器人的柔性傳感器及窺鏡機(jī)器人，屬于傳感器及人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀(jì)九十年代起，國際先進(jìn)機(jī)器人計(jì)劃(IARP)已召開過多屆醫(yī)療外科機(jī)器人研討會(huì)DARPA己經(jīng)立項(xiàng)，開展基于遙控操作的外科研究，用于戰(zhàn)傷模擬手術(shù)、手術(shù)培訓(xùn)、解剖教學(xué)。歐盟、法國國家科學(xué)研究中心也將機(jī)器人輔助外科手術(shù)及虛擬外科手術(shù)仿真系統(tǒng)作為重點(diǎn)研究發(fā)展的項(xiàng)目之一。在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)出現(xiàn)醫(yī)療外科手術(shù)機(jī)器人市場化產(chǎn)品，并在臨床上開展了大量的病例應(yīng)用研究。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用機(jī)器人在臨床中的作用越來越受到人們的重視。外科手術(shù)輔助導(dǎo)航系統(tǒng)作為外科醫(yī)生的第三只眼，可以讓手術(shù)醫(yī)師看到手術(shù)部位的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，避免了因醫(yī)生經(jīng)驗(yàn)不足而造成的手術(shù)失誤，使手術(shù)更安全、更可靠、更精確、更科學(xué)，具有極其廣闊的應(yīng)用前景?，F(xiàn)在，它已經(jīng)成功地應(yīng)用到神經(jīng)外科、整形外科、泌尿科、脊椎、耳鼻喉科、眼科、膝關(guān)節(jié)切除以及腹腔鏡等眾多領(lǐng)域中。受到醫(yī)生和患者的普遍歡迎，是醫(yī)療外科機(jī)器人發(fā)展的必然趨勢。
[0003]隨著人們研究領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，越來越多的人開始意識(shí)到，傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人在完成一些復(fù)雜工作時(shí)難以達(dá)到要求，所以人們將目光轉(zhuǎn)向具有柔性的機(jī)器人，試圖在機(jī)器人上加入柔性傳感器以完成特定的工作，尤其在仿生機(jī)器人上，柔性的加入更是其區(qū)別與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人的亮點(diǎn)。而且，飲食結(jié)構(gòu)改變、環(huán)境污染、精神壓力等因素對(duì)人類的健康產(chǎn)生了消極影響，許多人遭受胃炎、腸道炎以及腸道癌等腸道疾病的困擾。作為定性診斷和治療腸胃疾病的醫(yī)療器械，內(nèi)窺鏡在人體腸胃性病變的診斷方面具有重要價(jià)值。然而，傳統(tǒng)窺鏡不具備感知能力，無法判別碰壁的方向和應(yīng)力的大小，以至于探頭無法通過、損傷腸胃組織甚至出現(xiàn)“穿孔”事故，造成病人不適和痛苦。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型的主要目的在于提供一種用于窺鏡機(jī)器人的柔性傳感器及其應(yīng)用。
[0005]為實(shí)現(xiàn)前述發(fā)明目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案包括:
[0006]本實(shí)用新型的一實(shí)施方案之中提供了一種用于窺鏡機(jī)器人的柔性傳感器，其包括柔性敏感層，所述柔性敏感層的上、下端面上分別形成有上、下電極層，并且所述柔性敏感層的上、下端面中的至少一者具有非平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)所述柔性敏感層與上電極層或下電極層之間還設(shè)置有柔性支撐層，所述柔性敏感層與柔性支撐層的厚度之和小于70 μ m。
[0007]較為優(yōu)選的，所述柔性傳感器的整體厚度小于70 μ m0
[0008]本實(shí)用新型的另一實(shí)施方案之中還提供了所述柔性傳感器的用途。
[0009]例如，其中一種典型的用途包括:提供了一種機(jī)器人，其包含所述的柔性傳感器。
[0010]更為具體的，本實(shí)用新型的一實(shí)施案例中提供了一種窺鏡機(jī)器人，其包含:所述的柔性傳感器以及數(shù)據(jù)處理模塊、執(zhí)行模塊和顯示模塊，所述柔性傳感器、執(zhí)行模塊和顯示模塊分別與所述數(shù)據(jù)處理模塊連接。其中:
[0011]所述的柔性傳感器，用以采集外界壓力信號(hào)；
[0012]數(shù)據(jù)處理模塊，用以接收和處理所述壓力信號(hào)，并發(fā)出控制指令；
[0013]執(zhí)行模塊，用以接收所述控制指令，并執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)；
[0014]顯示模塊，至少用以顯示所述壓力信號(hào)、數(shù)據(jù)處理模塊輸出的分析數(shù)據(jù)、執(zhí)行模塊的作動(dòng)狀態(tài)中的一種或兩種以上的組合。
[0015]其中，所述柔性傳感器與數(shù)據(jù)處理模塊之間還可連接有濾波模塊、信號(hào)放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊中的任一種或兩種以上的組合。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)包括:提供的柔性傳感器具有高靈敏度、高穩(wěn)定性、低檢測限、低成本等特點(diǎn)，尤其是還具有優(yōu)異的彎曲柔韌性能，易于機(jī)器人“穿戴”，能夠與不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器人均良好結(jié)合，進(jìn)而可有效克服傳統(tǒng)機(jī)器人無感知能力、低靈敏度的缺陷；進(jìn)一步的，由所述柔性傳感器與數(shù)據(jù)處理單元、執(zhí)行單元等構(gòu)建的機(jī)器人，例如窺鏡機(jī)器人等還可實(shí)現(xiàn)智能化移動(dòng)、探測等操作，以及實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)智能交互，進(jìn)而精確、高效、安全、舒適、實(shí)時(shí)的實(shí)現(xiàn)臨床檢測。
【附圖說明】
[0017]圖1為本實(shí)用新型一典型實(shí)施例中一種柔性傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2是本實(shí)用新型一典型實(shí)施例中應(yīng)用所述柔性傳感器的一種內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；
[0019]圖3是本實(shí)用新型一典型實(shí)施例中一種柔性傳感器與機(jī)器蛇的結(jié)合示意圖；
[0020]圖4所示結(jié)腸內(nèi)窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)的檢測信號(hào)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]本實(shí)用新型的一個(gè)方面提供了一種用于窺鏡機(jī)器人的柔性傳感器，其包括柔性敏感層，所述柔性敏感層的上、下端面上分別形成有上、下電極層，并且所述柔性敏感層的上、下端面中的至少一者具有非平面結(jié)構(gòu)。
[0022]進(jìn)一步的，所述柔性敏感層與上電極層或下電極層之間還設(shè)置有柔性支撐層。
[0023]優(yōu)選的，所述柔性敏感層的厚度為2?50 μ m。
[0024]優(yōu)選的，所述柔性支撐層的厚度為I?100 μπι。
[0025]尤為優(yōu)選的，所述柔性敏感層與柔性支撐層的厚度之和小于70 μ m，如此可使所述柔性傳感器具備與人體皮膚基本相同的柔軟度，且重量輕，具有良好的可帖附性和可穿戴性，能直接與皮膚黏合。
[0026]其中，所述柔性敏感層的材料可優(yōu)選為PDMS(聚二甲基硅氧烷)或其他高分子材料，例如聚苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇縮甲醛、聚乙烯中的任意一種或多種。
[0027]其中，所述柔性支撐層至少選自聚乙烯(PE)薄膜、聚氯乙烯(PVC)薄膜、聚偏二氯乙烯(PVDC)薄膜。
[0028]更為優(yōu)選的，所述柔性傳感器的整體厚度小于70 μ m0
[0029]在一實(shí)施方案之中，所述非平面結(jié)構(gòu)包括復(fù)數(shù)個(gè)相對(duì)凸起部和/或相對(duì)凹下部。
[0030]例如，所述非平面結(jié)構(gòu)可以包括復(fù)數(shù)個(gè)凸伸的錐體，或者也可以為圓柱體、棱柱體或其它非規(guī)則形狀的凸起部。
[0031]在一典型實(shí)施方案之中，所述錐體的底面為ΙΟμπιΧΙΟμπι的正方形，側(cè)面與底面的夾角為54.7°，錐體高度為7.06 μπι。
[0032]在其他實(shí)施例中，所述柔性敏感層上端面的形狀也可以為波浪狀等其他非平面結(jié)構(gòu)。
[0033]其中，所述上、下電極層的材料可選自金、鉑、鎳、銀、銦、銅、碳納米管、石墨烯、銀納米線中的一種或多種的組合，但不限于此。
[0034]其中，所述上、下電極層可均采用納米尺度的，例如厚度可以在10nm以下，當(dāng)然也可以依據(jù)實(shí)際需求而適當(dāng)調(diào)整。
[0035]進(jìn)一步的，在所述上、下電極層上還可通過粘壓、焊接等方式加載引出電極，例如，厚度約0.08mm的、兼顧柔性和韌性的導(dǎo)電無紡布，主要由直徑約0.1mm漆包線組成的，厚度約20 μπι且?guī)в袎好裟z粘劑的扁平銅箔膠帶，厚度約10 μπι的柔韌超薄銅箔。
[0036]進(jìn)一步的，在所述上、下電極層上還可設(shè)置保護(hù)層，其厚度優(yōu)選小于10 μπι。
[0037]所述柔性傳感器中敏感層、支撐層及電極層等的面積、厚度、固化條件等均可依據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求而優(yōu)化，使之能與不同基底很好的結(jié)合在一起，并使靈敏度達(dá)到最佳。
[0038]本實(shí)用新型的另一個(gè)方面提供了一種機(jī)器人，其包含所述的柔性傳感器。
[0039]進(jìn)一步的，本實(shí)用新型提供了一種窺鏡機(jī)器人系統(tǒng)，其包含:
[0040]所述的柔性傳感器，用以采集外界壓力信號(hào)，
[0041]數(shù)據(jù)處理模塊，用以接收和處理所述壓力信號(hào)，并發(fā)出控制指令，
[0042]執(zhí)行模塊，用以接收所述控制指令，并執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)，
[0043]以及，顯示模塊，至少用以顯示所述壓力信號(hào)、數(shù)據(jù)處理模塊輸出的分析數(shù)據(jù)、執(zhí)行模塊的作動(dòng)狀態(tài)中的一種或兩種以上的組合。
[0044]進(jìn)一步的，所述柔性傳感器與數(shù)據(jù)處理模塊之間還可連接有濾波模塊、信號(hào)放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊中的任一種或兩種以上的組合。
[0045]下面將結(jié)合本實(shí)用新型實(shí)施例中的附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本實(shí)用新型一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本實(shí)用新型中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
[0046]請(qǐng)參閱圖1所示，本實(shí)施例一典型實(shí)施例中的一種柔性傳感器包括柔性支撐層1、形成于支撐層I上端面的柔性的敏感層2，以及分別形成于敏感層2上端面和支撐層I下端面的上電極層3和下電極層4。
[0047]其中，所述敏感層2的材料優(yōu)選為PDMS (聚二甲基硅氧烷)。且所述敏感層2的上端面為非平面結(jié)構(gòu)，其包含多個(gè)凸起的錐體21，每個(gè)錐體21的底面為為10 μ mX 10 μ m的正方形，側(cè)面與底面的夾角為54.V，錐體高度為7.06 μ m0
[0048]所述支撐層I優(yōu)選為高透明高柔性的超薄PE(聚乙烯)薄膜，其厚度優(yōu)選為12 μπι。其中，所述PE薄膜既可幫助在硅晶片表面的圖案化PDMS膜與模板能完整輕易分離，同時(shí)還可作為襯底支撐下文述及的PDMS膜。
[0049]所述上電極層3和下電極層4的材料可選自金、鉑、鎳、銀、銦、銅、碳納米管、石墨烯、銀納米線中的一種或多種的組合。
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