[发明专利]分离桥式电路力传感器

说明书

本申请公开一种力传感器，其包括：梁，其具有纵向轴线、近端部和远端部；设置在梁的第一面上的第一惠斯通电桥，其包括多个拉伸量规电阻器和多个压缩量规电阻器；设置在梁的第一面上的第二惠斯通电桥，其包括多个拉伸量规电阻器和多个压缩量规电阻器；其中来自第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥中的每一个的至少一个拉伸量规电阻器和至少一个压缩量规电阻器设置在梁的近端部处；其中来自第一惠斯通电桥和第二惠斯通电桥中的每一个的至少一个拉伸量规电阻器和至少一个压缩量规电阻器设置在梁的远端部处。

优先权要求

本申请要求享有2017年11月15日提交的美国临时专利申请第62/586,721号和2017年11月14日提交的美国临时专利申请第62/586,166号的优先权，每个申请均通过引用整体并入本文。

背景技术

微创外科手术过程中的力感测和反馈可以为执行该外科手术的外科医生带来更好的沉浸感、真实感和直观性。为了获得最佳的触觉渲染性能和准确性，可以将力传感器放置在外科手术器械上，并尽可能靠近解剖组织相互作用。一种方法是通过印刷工艺或增材沉积工艺将力传感器嵌入在具有形成在力换能器上的电应变量规(gauge)的外科手术器械轴的远端处，以测量施加到外科手术器械的应变。

图1是表示力传感器的说明图，该力传感器包括具有四个全惠斯通电桥(全桥)的矩形梁。桥式电路是电子电路的电路拓扑，其中两个电路分支(通常彼此并联)通过在某一中间点处连接在前两个分支之间的第三分支来桥接。在梁的两个相邻的正交侧面的每一个上形成两个全桥，以测量与梁的纵向轴线正交的力。梁可以固定到外科手术器械轴的远端部，以感测与该轴的纵向轴线正交的力。通过减去由梁的侧面的近端部和远端部处的全电桥所确定的力测量值来确定正交于梁的该侧面施加的力(即X或Y力)。

力传感器可以遇到多种不同的应变源，包括：待测量的感兴趣的正交力、力矩、离轴力、离轴力矩、压缩/拉伸、扭转、环境温度和梯度温度。每个全桥都消除了以下应力：温度、扭转、离轴力和离轴力矩。每个单独的全桥输出指示由于力、力矩和压缩/拉伸引起的应力。从由侧面上的远侧全桥所产生的输出值中减去由形成在同一侧面上的近侧全桥所产生的输出值抵消了力矩和压缩/拉伸，从而得出表示待测量的感兴趣的正交力的输出值。

外科手术器械力传感器对于确保患者安全至关重要。因此，需要力传感器错误检测以通过检测力传感器故障来防止伤害。错误检测的一种方法是提供额外的全桥来产生可被比较以检测错误的冗余力测量结果。然而，梁侧面上的有限空间使得在侧面上形成额外的全桥不可行。此外，制造过程通常限于最多在两个侧面上形成桥。在四个侧面上形成桥将大大增加制造成本。

发明内容

在一个方面，一种力传感器包括具有纵向轴线以及近端部和远端部的梁。第一惠斯通电桥设置在梁的第一面上，并且包括第一拉伸量规电阻器和第二拉伸量规电阻器以及第一压缩量规电阻器和第二压缩量规电阻器。第二惠斯通电桥设置在梁的第一面上，并且包括第三拉伸量规电阻器和第四拉伸量规电阻器以及第三压缩量规电阻器和第四压缩量规电阻器。第一拉伸量规电阻器和第三拉伸量规电阻器以及第一压缩量规电阻器和第三压缩量规电阻器设置在梁的近端部处。第二拉伸量规电阻器和第四拉伸量规电阻器以及第二压缩量规电阻器和第四压缩量规电阻器设置在梁的远端部处。

在另一方面，一种力传感器包括具有纵向轴线以及近端部和远端部的梁。第一拉伸量规半桥设置在梁的第一面上，并且包括第一拉伸量规电阻器和第二拉伸量规电阻器。第二拉伸量规半桥设置在梁的第一面上，并且包括第三拉伸量规电阻器和第四拉伸量规电阻器。压缩量规半桥设置在梁的第一面上，并且包括第一压缩量规电阻器和第二压缩量规电阻器。第一拉伸量规电阻器和第三拉伸量规电阻器以及第一压缩量规电阻器设置在梁的近端部处。第二拉伸量规电阻器和第四拉伸量规电阻器以及第二压缩量规电阻器设置在梁的远端部处。