光纤传感微创手术探针末端三维力测量方法

摘要：

手术探针末端的接触力反馈是保障手术安全性的重要因素之一.本文针对穿刺手术探针末端三维力测量的需求,研究了基于核极限学习机(KELM)神经网络的光纤传感微创手术探针末端三维力测量方法.首先,设计了可植入光纤传感器的手术探针结构,将 4 根光纤布拉格光栅(FBG)传感器植入探针中,其中 3 根FBG用于力测量,1 根FBG用于温度补偿.接着通过分析探针应力和应变之间的关系,建立了基于FBG的探针三维力传感模型.同时为了消除温度变化对光纤传感器的交叉影响,研究了光纤传感温度补偿方法.最后,为了验证本文所研究测量方法的有效性,对植入光纤光栅的探针进行了温度标定,并分别在常温和变温环境下进行了三维力测量.实验结果表明:KELM网络测量结果在常温环境下X、Y、Z方向上平均测量误差为 0.22%、0.99%、0.65%;在 20℃～40℃的变温环境下,X、Y、Z方向上平均测量误差分别为 1.32%、1.03%、2%,本文所研究的KELM神经网络末端三维力测量方法具有较小的测量误差,在手术机器人力反馈领域有广阔的应用前景.

关键词：手术探针、光纤光栅、核极限学习机、温度补偿、三维力测量

所属期刊栏目：44

分类号：TN253;TH73(光电子技术、激光技术)

资助基金：国家自然科学基金;北京市自然科学基金

在线出版日期：2023-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共8页

页码：38-45