仪器仪表学报

作者：于昌新，何彦霖，祝连庆，周康鹏，祝航威

单位：于昌新,1. 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室，2. 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室,,何彦霖,1. 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室，2. 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室,,祝连庆,1. 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室，2. 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室,,周康鹏,1. 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室，2. 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室,,祝航威,1. 北京信息科技大学光纤传感与系统北京实验室，2. 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室,

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

基金：国家自然科学青年基金(61903041)、北京市自然科学基金(4202027)项目资助

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。

来源：2023年第1期

《仪器仪表学报》期刊编辑部

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