CN116026514B - 面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法 - Google Patents

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CN116026514B CN202310315592.5A CN202310315592A CN116026514B CN 116026514 B CN116026514 B CN 116026514B CN 202310315592 A CN202310315592 A CN 202310315592A CN 116026514 B CN116026514 B CN 116026514B
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Abstract

本发明提供了一种面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法，包括具有贯通腔体的弹性形变模块，弹性形变模块轴向延伸的两端部分别间隔的设置有若干第一窗口和第二窗口；若干第一柔性连接部和第二柔性连接部分别对应的嵌设在各第一窗口和各第二窗口处，且各第二柔性连接部与各第一柔性连接部交错设置；至少三对光纤光栅的两端分别穿置在相邻的第一柔性连接部与第二柔性连接部上；光纤光栅处于张紧悬垂状态。通过接收外力或者力矩，使光纤光栅的中心波长偏移，并通过海鸥算法优化极限学习机的非线性解耦与容错算法，消除了六维力传感器的非线性串扰问题，修正了光纤光栅断裂下的故障响应，还改善了极限学习机对初始权重和偏置敏感问题。

Description

面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法
技术领域
本发明涉及六维力光纤传感技术领域，尤其涉及面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法。
背景技术
在临床医学领域，腹腔镜手术由于其具有创伤小、疼痛轻、恢复快等诸多优势而被广泛采用。然而，手术过程中的大部分反馈信息仅由内窥镜提供，这高度依赖于外科医生的经验，无意中过大或过小的力都可能会导致严重的并发症。因此，对接触力的实时精准检测对提高腹腔镜手术的成功率与减小并发症的发生率尤为重要。为了解决上述问题，基于电阻、压电和电容等电类传感原理的力触觉传感器被集成于腹腔镜手术器械，但是这些电类传感器生物兼容性较差且易受电磁干扰的缺点。
光纤传感器具有体积小，抗电磁干扰，耐腐蚀和生物兼容等优势，目前已在医疗领域得到了广泛应用。公开号为CN108542469A的中国发明专利公开了一种基于图像反馈的六维力传感器、夹持探头及夹持器械，但是该方案基于弹性变形体、四面体结构的标记块和光纤内窥镜，光纤内窥镜观测夹持器械受力导致弹性变形体移动和/或转动时，基于图像反馈来获取弹性变形体或者标记块的形变来得到相应的受力情况，该文献没有具体公开如何根据弹性变形体刚度模型来标定受外力情况与图像点云的相关内容，而且这种方式计算量较大，效率较低。如能充分利用光纤光栅的特性，对全空间力触觉信息的测量，则有利于满足腹腔镜手术对高精度、高可靠性实时检测的需求。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种对全空间力与力矩敏感的、采用机器算法确定光纤光栅的中心波长与六维力的映射关系面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法。
本发明的技术方案是这样实现的：一方面，本发明提供了面向手术夹钳的六维力传感器，包括：
弹性形变模块，具有贯通的腔体；所述弹性形变模块轴向延伸的一端部间隔的设置有若干第一窗口，弹性形变模块轴向延伸的另一端部间隔的设置有若干第二窗口，各第一窗口和各第二窗口分别与腔体连通；
若干第一柔性连接部，分别对应的嵌设在各第一窗口处；
若干第二柔性连接部，分别对应的嵌设在各第二窗口处，且各第二柔性连接部与各第一柔性连接部交错设置；
至少三对光纤光栅，所述至少三对光纤光栅的任意一对光纤光栅一端均设置在同一个第一柔性连接部上，一对光纤光栅的另一端分别穿置在相邻的两个第二柔性连接部上；各光纤光栅均间隔设置，且各光纤光栅的栅区均位于腔体内部。
其中，所述弹性形变模块用于接收外部六维力和力矩并能够产生形变，并将形变传导到至少三对光纤光栅，使至少三对光纤光栅的中心波长发生漂移。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述若干第一柔性连接部和若干第二柔性连接部在弹性形变模块的径向中心面上的投影为正多边形，若干第一柔性连接部的中心和若干第二柔性连接部的中心交错的位于正多边形的各顶点处。
优选的，所述至少三对光纤光栅均处于张紧悬置状态，至少三对光纤光栅的栅区与其两端的第一柔性连接部和第二柔性连接部的距离相等。
优选的，所述至少三对光纤光栅为光纤布拉格光栅。
优选的，所述弹性形变模块轴向延伸的一端还设置有远离腔体向外伸出的第三柔性连接部，弹性形变模块轴向延伸的另一端设置有第四柔性连接部；所述第三柔性连接部用于与夹钳本体连接；所述第四柔性连接部用于与夹钳轴连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述腔体为椭圆形，所述若干第一柔性连接部和若干第二柔性连接部均位于腔体的长轴方向。
另一方面，本发明还提供了面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦与容错方法，包括如下步骤：
对面向手术夹钳的六维力传感器进行标定试验，记录至少三对光纤光栅的中心波长漂移量，将实际施加给面向手术夹钳的六维力传感器的力或力矩值作为参考值；
搭建面向手术夹钳的六维力传感器的解耦与容错的极限学习机模型；
采用海鸥算法优化训练得到最优的面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦或容错模型；
建立非线性解耦与容错模型库，实现面向手术夹钳的六维力传感器的可容错测量。
优选的，所述搭建面向手术夹钳的六维力传感器的解耦与容错的极限学习机模型，是获取面向手术夹钳的六维力传感器上的至少三对光纤光栅的中心波长漂移量、参考力和力矩的数据库分为训练样本和预测样本，随后构建含有输入层、隐藏层和输出层的三层结构的极限学习机模型，输入层包括中心波长漂移量的不同情形，即构建的不同光纤光栅断裂组合下测量的中心波长漂移量的组合；输入信号
Figure SMS_2
，即各光纤光栅的中心波长偏移量经过加权和偏置后被传递到隐藏层，然后输出层通过加权输出六维力和力矩：
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，其中F为极限学习机模型的输出；/>
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分别为输入层与隐藏层之间的权值和偏置；/>
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为激活函数，基于LReLU函数/>
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和Sigmoid函数/>
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；C为常数，e为自然对数的底。
优选的，所述采用海鸥算法优化训练得到最优的面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦或容错模型，是采用如下步骤：
步骤1：初始海鸥种群包括随机选择的初始化权重和偏差编码；
步骤2：最优参数由适应度函数决定，适应度函数f表示为：
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；其中n为样本数，/>
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分别为极限学习机模型第i个样本的参考值和预测值；
步骤3：种群中的适应度值大的海鸥更新位置，避免与其余的海鸥发生碰撞，更新位置由以下公式决定：
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；其中/>
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为不与其他海鸥冲突的更新位置；
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为海鸥当前位置；/>
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步骤4：海鸥接近适应度最小的最佳海鸥，位置更新公式描述为：
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；其中/>
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步骤5：海鸥在攻击阶段执行螺旋运动，海鸥种群在3D平面上的螺旋攻击模型和位置更新描述如下：
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为海鸥捕猎的位置，
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；
步骤6：重复步骤2-步骤5，不断优化学习机隐藏层的权值和偏置，知道迭代结束，然后将最终的到的权重和偏置传递给极限学习机模型，将最佳的极限学习机模型聚合到已建立的非线性解耦与容错模型库中。
优选的，所述实现面向手术夹钳的六维力传感器的可容错测量，是采用解调仪接收面向手术夹钳的六维力传感器的中心波长漂移，随后判断传感器的各光纤光栅的状态，根据各光纤光栅的状态选择对应的非线性解耦或容错模型，计算非线性解耦或容错模型的输出力和力矩并可视化，实现手术过程的力和力矩可容错测量。
本发明提供的面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本方案是将集成有光纤光栅六维力传感器的手术夹钳进行手术操作时，接触力可分为三轴正交力和三轴正交力矩，弹性形变模块会将正交力和正交力矩传递至各光纤光栅，各光纤光栅布置结构对力矩敏感，使光纤光栅的中心波长发生漂移，根据波长漂移量与力和力矩的映射求出正交力和正交力矩；
（2）各光纤光栅的中心波长漂移量与六维力具有一定的非线性和冗余特征，本方案采用海鸥算法优化极限学习机算法确定正常的光纤光栅的中心波长量与六维力的映射关系，分别训练面向手术夹钳的六维力传感器在不同状态下的测量模型并聚合到非线性解耦与容错模型库中，实现六维力传感器的非线解耦与容错测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的立体图；
图2为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的弹性形变模块与光纤光栅的组合状态立体图；
图3为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的弹性形变模块与光纤光栅的组合状态俯视图；
图4为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的弹性形变模块与光纤光栅的组合状态半剖前视图；
图5为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的弹性形变模块的左视图；
图6为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的弹性形变模块的右视图；
图7为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的光纤光栅与第一柔性连接部和第二柔性连接部的组合状态前视图；
图8为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的光纤光栅与第一柔性连接部和第二柔性连接部的组合状态左视图；
图9为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的光纤光栅的空间分布立体图；
图10为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的力标定的结构示意图；
图11为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的力矩偏心标定的结构示意图；
图12为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦与容错方法的三层结构的极限学习机模型的结构图；
图13为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦与容错方法的算法流程图；
图14为本发明面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦与容错方法的在线可容错流程图。
附图标记：1、弹性形变模块；2、第一柔性连接部；3、第二柔性连接部；4、光纤光栅；5、第三柔性连接部6、第四柔性连接部；100、腔体；200、第一窗口；300、第二窗口300；11、夹钳本体；12、夹钳轴；401、第一光纤光栅；402、第二光纤光栅；403、第三光纤光栅；404、第四光纤光栅；405、第五光纤光栅；406、第六光纤光栅；601、手动加载平台；603、ATI力传感器；604、微调架；606、隔震台；701、十字型加载头。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1-图9所示，一方面，本发明提供了一种面向手术夹钳的六维力传感器，包括弹性形变模块1、若干第一柔性连接部2、若干第二柔性连接部3、至少三对光纤光栅4、第三柔性连接部5和第四柔性连接部6等。其中：
弹性形变模块1具有贯通的腔体100；弹性形变模块1轴向延伸的一端部间隔的设置有若干第一窗口200，弹性形变模块1轴向延伸的另一端部间隔的设置有若干第二窗口300，各第一窗口200和各第二窗口300分别与腔体100连通；
若干第一柔性连接部2分别对应的嵌设在各第一窗口200处，对第一窗口200进行遮蔽和密封。
若干第二柔性连接部3分别对应的嵌设在各第二窗口300处，对第二窗口300进行遮蔽和密封，且各第二柔性连接部3与各第一柔性连接部2交错设置。
一对光纤光栅4的一端均设置在同一个第一柔性连接部2上，一对光纤光栅4的另一端分别穿置在相邻的两个第二柔性连接部3上；各光纤光栅4均间隔设置，且各光纤光栅4的栅区均位于腔体100内部。各光纤光栅4的轴向延伸方向与弹性形变模块1的中心轴均是呈倾角设置的，两个相邻的光纤光栅4的端部共用一个第一柔性连接部2或者第二柔性连接部3，由图7-图9所示，各光纤光栅4之间存在一定的间距。本方案中采用的光纤光栅4可以是光纤布拉格光栅。
弹性形变模块1用于接收外部六维力和力矩并能够产生形变，并将形变传导到至少三对光纤光栅4，使至少三对光纤光栅4的中心波长发生漂移，通过观测各光纤光栅4的中心波长的漂移量，并进一步获取中心波长偏移值与力和力矩的关系，则能够实现对六维力和力矩的监测过程。
如图5-图9所示，若干第一柔性连接部2和若干第二柔性连接部3在弹性形变模块1的径向中心面上的投影为正多边形，若干第一柔性连接部2的中心和若干第二柔性连接部3的中心交错的位于正多边形的各顶点处。
为了提供光纤光栅4的准确度，至少三对光纤光栅4均处于张紧悬置状态，即栅区位于沿弹性形变模块1轴向相邻设置的第一柔性连接部2和第二柔性连接部3之间的位置，作为一种优选的实施方式，至少三对光纤光栅4的栅区与其两端的第一柔性连接部2和第二柔性连接部3的距离相等。
如图1-图4所示，为了更好的与夹钳本体与夹钳轴连接，在弹性形变模块1轴向延伸的一端还设置有远离腔体100向外伸出的第三柔性连接部5，弹性形变模块1轴向延伸的另一端设置有第四柔性连接部6；第三柔性连接部5用于与夹钳本体连接；第四柔性连接部6用于与夹钳轴连接。第三柔性连接部5上设置有与夹钳本体穿置的通孔，夹钳本体与第三柔性连接部5转动连接。夹钳轴与第四柔性连接部6固定连接。夹钳本体即图1所示的附图标记11，夹钳轴为附图1标注的附图标记12。为了更好的开启或者关闭夹钳本体11，第三柔性连接部5上设置有镂空凹槽，夹钳本体嵌设在凹槽内并与第三柔性连接部5铰连接；夹钳轴12可以设置为中空结构，夹钳轴12内部可进一步设置有可伸缩的连杆，连杆穿过腔体100与夹钳本体11铰连接，通过连杆沿着夹钳轴12的伸缩运动可以实现夹钳本体11的张开或者夹紧动作。
远离夹钳本体11一侧的光纤光栅4的表面套设有保护层，通过胶封将具有保护层的光纤光栅伸出第二柔性连接部3的表面进行密封。通常光纤光栅4外表面设置有保护层，为了抑制光纤光栅的反向漂移，于是将位于第一柔性连接部2和第二柔性连接部3的光纤光栅表面部分保护层进行了剥离，裸光纤光栅直接与第一柔性连接部2和第二柔性连接部3固定。第一柔性连接部2与第二柔性连接部3之间的光纤光栅表面的保护层可以保留。
本方案中，弹性形变模块1及腔体100均为椭圆形，若干第一柔性连接部2和若干第二柔性连接部3均位于腔体100的长轴方向。本方案的弹性形变模块1、第三柔性连接部5和第四柔性连接部6均为树脂材料，可通过3D打印一体成型。若干第一柔性连接部2和若干第二柔性连接部3可采用环氧树脂胶，将光纤光栅4与弹性形变模块1固化形成一个整体。如图9所示，可以以腔体100的两个正交的短轴方向为X轴方向和Y轴方向，长轴方向为Z轴方向。
如图7-图9所示，为了对本方案的工作过程进说明，令光纤光栅4共有三对，为区分不同的光纤光栅4，分别表示为第一光纤光栅401、第二光纤光栅402、第三光纤光栅403、第四光纤光栅404、第五光纤光栅405和第六光纤光栅406。各光纤光栅可以采用如下封装流程：第一光纤光栅401的一端和第六光纤光栅的一端位于同一个第一柔性连接部2上，第二光纤光栅402的一端和第三光纤光栅403的一端位于同一个第一柔性连接部2上，第四光纤光栅404的一端和第五光纤光栅405的一端位于同一个第一柔性连接部2上；第一光纤光栅401的另一端和第二光纤光栅402的另一端位于同一个第二柔性连接部3上，第三光纤光栅403的另一端和第四光纤光栅404的另一端位于同一个第二柔性连接部3上，第五光纤光栅405的另一端和第六光纤光栅406的另一端位于同一个第二柔性连接部3上，便得到面向手术夹钳的六维力传感器。
当腕部集成有光纤光栅六维力传感器的手术夹钳进行手术操作时，接触力可分解三轴正交力
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三轴正交力矩/>
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主要使椭圆形空腔发生形变，进而使第一光纤光栅401、第二光纤光栅402、第五光纤光栅405和第六光纤光栅406发生形变，为此相应的光纤光栅的中心波长发生对应的漂移，根据中心波长漂移量与力和力矩的映射关系可计算出/>
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；因为光纤的轴向刚度不能忽略，轴向力/>
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需同时考虑椭圆形空腔和第一光纤光栅到第六光纤光栅的形变，为此可由第一光纤光栅到第六光纤光栅的中心波长漂移计算出轴向力/>
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；各光纤光栅布置结构使得光纤光栅对力矩敏感，根据形变的光纤光栅的中心波长漂移量可计算得到三个维度的力矩/>
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，三轴正交力和三个维度力矩合称六维力。
根据光纤光栅传感原理，当向六维力传感器受到力
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作用时，六个光纤光栅发生相同的拉伸应变，六个光纤光栅的中心波长的漂移量可以表示为：
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，是各光纤光栅的中心波长漂移量，i=1、2、3、4、5或者 6；/>
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当向六维力传感器受到力
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类似的，六个光纤光栅的中心波长漂移量与力
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的关系表示为：
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作用于面向手术夹钳的六维力传感器时，每个光纤光栅都会受到切向力，因此六个光纤光栅的中心波长漂移量可以表示为：
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力矩
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施加在面向手术夹钳的六维力传感器在Y轴正方向拉伸并在Y轴负方向压缩，故可将六个光纤光栅的中心波长漂移量表示为：
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分别为各光纤光栅在力矩
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作用下的响应系数。
类似的，力矩
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将导致面向手术夹钳的六维力传感器在X轴负方向拉伸并在X轴正方向压缩，故可将六个光纤光栅的中心波长漂移量表示为：
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；
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为各光纤光栅在力矩/>
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当六维的力和力矩应用于面向手术夹钳的六维力传感器时，六个光纤光栅的中心波长漂移量可表示为：
Figure SMS_112
。
需要说明的是，如果某一光纤光栅断裂，如第一光纤光栅401断裂，则对应的左侧变为五项，即
Figure SMS_113
，如果多个光纤光栅断裂，则对应的项也相应减少。
参照图10，该图展示了一种面向手术夹钳的六维力传感器的标定方法，其将安装有面向手术夹钳的六维力传感器的手术夹钳固定在隔震台606的一个微调架604上，ATI力传感器603固定在手动加载平台601上，面向手术夹钳的六维力传感器和ATI力传感器603通过金属线连接，通过手动调整ATI力传感器603所在的手动加载平台601使得面向手术夹钳的六维力传感器产生位移，从而改变施加的力的大小，ATI力传感器603的读数由外置的数据采集卡采集并作为参考力，面向手术夹钳的六维力传感器的各光纤光栅的中心波长漂移量由外置的解调仪记录。数据采集卡和解调仪图中未画出。
参照图10和图11，图示展示了一种面向手术夹钳的六维力传感器的力矩偏心标定方法，十字型加载头701安装于面向手术夹钳的六维力传感器的顶部，ATI力传感器603安装于手动加载平台601，并通过金属线连接到十字型加载头701的分支上，通过调整手动加载平台601向面向手术夹钳的六维力传感器施加力和力矩耦合的偏心载荷，其中力矩
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耦合，该方法仅通过一个ATI力传感器即可实现力矩加载，操作简单。基于该方法对面向手术夹钳的六维力传感器进行标定时，荷载与参考力的关系为：
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标定时，面向手术夹钳的六维力传感器所受的荷载；/>
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为偏移距离；/>
Figure SMS_134
为标定过程中ATI传感器的读数。
如图12、图13和图14所示，另外，本发明还提供了面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦与容错方法，包括如下步骤：
S1：对面向手术夹钳的六维力传感器进行标定试验，记录至少三对光纤光栅4的中心波长漂移量，将实际施加给面向手术夹钳的六维力传感器的力或力矩值作为参考值；
S2：搭建面向手术夹钳的六维力传感器的解耦与容错的极限学习机模型；
具体的，是获取面向手术夹钳的六维力传感器上的至少三对光纤光栅4的中心波长漂移量、参考力和力矩的数据库分为训练样本和预测样本，随后构建含有输入层、隐藏层和输出层的三层结构的极限学习机模型，输入层包括中心波长漂移量的不同情形，即构建的不同光纤光栅断裂组合下测量的中心波长漂移量的组合；输入信号
Figure SMS_136
，即各光纤光栅的中心波长偏移量经过加权和偏置后被传递到隐藏层，然后输出层通过加权输出六维力和力矩：/>
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，其中F为极限学习机模型的输出；/>
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分别为输入层与隐藏层之间的权值和偏置；/>
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为隐藏层与输出层之间的权重；/>
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为激活函数，基于LReLU函数
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和Sigmoid函数/>
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，表示为：/>
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；/>
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；C为常数，e为自然对数的底。
S3：采用海鸥算法优化训练得到最优的面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦或容错模型；
具体的，是采用如下步骤建立模型：
步骤1：初始海鸥种群包括随机选择的初始化权重和偏差编码；
步骤2：最优参数由适应度函数决定，适应度函数可表示为：
Figure SMS_145
；其中n为样本数，/>
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和/>
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分别为极限学习机模型第/>
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个样本的参考值和预测值；
步骤3：种群中的适应度值大的海鸥更新位置，避免与其余的海鸥发生碰撞，更新位置由以下公式决定：
Figure SMS_149
；其中/>
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为不与其他海鸥冲突的更新位置；/>
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为海鸥当前位置；/>
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为附加变量；/>
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为控制附加变量/>
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变化频率的函数；/>
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=1，2，3，…，
Figure SMS_150
；/>
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为最大迭代次数；
步骤4：海鸥接近适应度最小的最佳海鸥，位置更新公式描述为：
Figure SMS_158
；其中/>
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为新位置；/>
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为最佳海鸥位置；/>
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为附加变量；/>
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为[0，1]范围内的随机数；
步骤5：海鸥在攻击阶段执行螺旋运动，海鸥种群在3D平面上的螺旋攻击模型和位置更新描述如下：
Figure SMS_164
；其中/>
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、/>
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和/>
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为三维空间坐标；/>
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为螺旋每一圈的半径；/>
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为[0，2π]之间的随机角度；/>
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和/>
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为定义螺旋的常数；/>
Figure SMS_170
为海鸥捕猎的位置，
Figure SMS_172
；
步骤6：重复步骤2-步骤5，不断优化学习机隐藏层的权值和偏置，知道迭代结束，然后将最终的到的权重和偏置传递给极限学习机模型，将最佳的极限学习机模型聚合到已建立的非线性解耦与容错模型库中。
S4：建立非线性解耦与容错模型库，实现面向手术夹钳的六维力传感器的可容错测量。
具体的，所述实现面向手术夹钳的六维力传感器的可容错测量，是采用解调仪接收面向手术夹钳的六维力传感器的中心波长漂移，随后判断传感器的各光纤光栅4的状态，根据各光纤光栅4的状态选择对应的非线性解耦或容错模型，计算非线性解耦或容错模型的输出力和力矩并可视化，实现手术过程的力和力矩可容错测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.面向手术夹钳的六维力传感器，其特征在于，包括：
弹性形变模块（1），具有贯通的腔体（100）；所述弹性形变模块（1）轴向延伸的一端部间隔的设置有若干第一窗口（200），弹性形变模块（1）轴向延伸的另一端部间隔的设置有若干第二窗口（300），各第一窗口（200）和各第二窗口（300）分别与腔体（100）连通；
若干第一柔性连接部（2），分别对应的嵌设在各第一窗口（200）处；
若干第二柔性连接部（3），分别对应的嵌设在各第二窗口（300）处，且各第二柔性连接部（3）与各第一柔性连接部（2）交错设置；
至少三对光纤光栅（4），所述至少三对光纤光栅（4）的任意一对光纤光栅一端均设置在同一个第一柔性连接部（2）上，一对光纤光栅的另一端分别穿置在相邻的两个第二柔性连接部（3）上；各光纤光栅（4）均间隔设置，且各光纤光栅（4）的栅区均位于腔体（100）内部；
其中，所述弹性形变模块（1）用于接收外部六维力和力矩并能够产生形变，并将形变传导到至少三对光纤光栅（4），使至少三对光纤光栅（4）的中心波长发生漂移；
该面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦与容错方法，包括如下步骤：
对面向手术夹钳的六维力传感器进行标定试验，记录至少三对光纤光栅（4）的中心波长漂移量，将实际施加给面向手术夹钳的六维力传感器的力或力矩值作为参考值；
搭建面向手术夹钳的六维力传感器的解耦与容错的极限学习机模型；
采用海鸥算法优化训练得到最优的面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦或容错模型；
建立非线性解耦与容错模型库，实现面向手术夹钳的六维力传感器的可容错测量；
其中，搭建面向手术夹钳的六维力传感器的解耦与容错的极限学习机模型，是获取面向手术夹钳的六维力传感器上的至少三对光纤光栅（4）的中心波长漂移量、参考力和力矩的数据库分为训练样本和预测样本，随后构建含有输入层、隐藏层和输出层的三层结构的极限学习机模型，输入层包括中心波长漂移量的不同情形，即构建的不同光纤光栅断裂组合下测量的中心波长漂移量的组合；输入信号
Figure QLYQS_2
，即各光纤光栅的中心波长偏移量经过加权和偏置后被传递到隐藏层，然后输出层通过加权输出六维力和力矩：
Figure QLYQS_3
，其中F为极限学习机模型的输出；/>
Figure QLYQS_5
和/>
Figure QLYQS_6
分别为输入层与隐藏层之间的权值和偏置；/>
Figure QLYQS_8
为隐藏层与输出层之间的权重；/>
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为激活函数，基于LReLU函数
Figure QLYQS_10
和Sigmoid函数/>
Figure QLYQS_1
，表示为：/>
Figure QLYQS_4
；/>
Figure QLYQS_7
；C为常数，e为自然对数的底；
其中，采用海鸥算法优化训练得到最优的面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦或容错模型，是采用如下步骤：
步骤1：初始海鸥种群包括随机选择的初始化权重和偏差编码；
步骤2：最优参数由适应度函数决定，适应度函数f表示为：
Figure QLYQS_11
；其中n为样本数，/>
Figure QLYQS_12
和/>
Figure QLYQS_13
分别为极限学习机模型第/>
Figure QLYQS_14
个样本的参考值和预测值；
步骤3：种群中的适应度值大的海鸥更新位置，避免与其余的海鸥发生碰撞，更新位置由以下公式决定：
Figure QLYQS_16
；其中/>
Figure QLYQS_18
为不与其他海鸥冲突的更新位置；/>
Figure QLYQS_19
为海鸥当前位置；/>
Figure QLYQS_20
为附加变量；/>
Figure QLYQS_21
为控制附加变量/>
Figure QLYQS_22
变化频率的函数；/>
Figure QLYQS_23
=1，2，3，…，
Figure QLYQS_15
；/>
Figure QLYQS_17
为最大迭代次数；
步骤4：海鸥接近适应度最小的最佳海鸥，位置更新公式描述为：
Figure QLYQS_24
；/>
Figure QLYQS_25
其中为新位置；/>
Figure QLYQS_26
为最佳海鸥位置；/>
Figure QLYQS_27
为附加变量；
Figure QLYQS_28
为[0，1]范围内的随机数；
步骤5：海鸥在攻击阶段执行螺旋运动，海鸥种群在3D平面上的螺旋攻击模型和位置更新描述如下：
Figure QLYQS_30
；其中/>
Figure QLYQS_31
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为螺旋每一圈的半径；/>
Figure QLYQS_37
为[0，2π]之间的随机角度；/>
Figure QLYQS_38
和/>
Figure QLYQS_29
为定义螺旋的常数；/>
Figure QLYQS_32
为海鸥捕猎的位置，
Figure QLYQS_33
；
步骤6：重复步骤2-步骤5，不断优化学习机隐藏层的权值和偏置，知道迭代结束，然后将最终的到的权重和偏置传递给极限学习机模型，将最佳的极限学习机模型聚合到已建立的非线性解耦与容错模型库中。
2.根据权利要求1所述的面向手术夹钳的六维力传感器，其特征在于，所述若干第一柔性连接部（2）和若干第二柔性连接部（3）在弹性形变模块（1）的径向中心面上的投影为正多边形，若干第一柔性连接部（2）的中心和若干第二柔性连接部（3）的中心交错的位于正多边形的各顶点处。
3.根据权利要求2所述的面向手术夹钳的六维力传感器，其特征在于，所述至少三对光纤光栅（4）均处于张紧悬置状态，至少三对光纤光栅（4）的栅区与其两端的第一柔性连接部（2）和第二柔性连接部（3）的距离相等。
4.根据权利要求2所述的面向手术夹钳的六维力传感器，其特征在于，所述至少三对光纤光栅（4）为光纤布拉格光栅。
5.根据权利要求2所述的面向手术夹钳的六维力传感器，其特征在于，所述弹性形变模块（1）轴向延伸的一端还设置有远离腔体（100）向外伸出的第三柔性连接部（5），弹性形变模块（1）轴向延伸的另一端设置有第四柔性连接部（6）；所述第三柔性连接部（5）用于与夹钳本体连接；所述第四柔性连接部（6）用于与夹钳轴连接。
6.根据权利要求1所述的面向手术夹钳的六维力传感器，其特征在于，所述腔体（100）为椭圆形，所述若干第一柔性连接部（2）和若干第二柔性连接部（3）均位于腔体（100）的长轴方向。
7.根据权利要求1所述的面向手术夹钳的六维力传感器，其特征在于，所述实现面向手术夹钳的六维力传感器的可容错测量，是采用解调仪接收面向手术夹钳的六维力传感器的中心波长漂移，随后判断传感器的各光纤光栅（4）的状态，根据各光纤光栅（4）的状态选择对应的非线性解耦或容错模型，计算非线性解耦或容错模型的输出力和力矩并可视化，实现手术过程的力和力矩可容错测量。
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