面向肺部介入的光纤光栅三维力传感器设计

摘要

支气管曲折复杂的环境对肺部介入手术中柔性机器人末端力感知造成了较大的困难，现有的力传感器难以满足其要求。根据肺部介入手术的需求，为柔性机器人提供精确、实时的末端力反馈，设计了分段式光纤光栅三维力传感器，并对其结构进行了有限元仿真分析与优化，设计了解耦算法，完成传感器内部4根光栅受到三维力时波长变化的解耦，从而实现对横向力与轴向力的检测。设置温补光栅进行温度补偿，设计了补偿策略，降低了温度变化对传感精度的影响。最后，对所设计的光纤光栅力传感器进行了校准与实验验证。实验结果表明：设计的光纤光栅三维力传感器的横向力灵敏度系数分别为431.3 pm/N与517.6 pm/N,轴向力灵敏度系数为153.5 pm/N,均方根误差分别为0.026、0.025、0.041 N。

关键词

柔性机器人 / 光纤光栅 / 肺部介入手术 / 温度补偿 / 三维力