CN116608983B - 三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成 - Google Patents
三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116608983B CN116608983B CN202310899691.2A CN202310899691A CN116608983B CN 116608983 B CN116608983 B CN 116608983B CN 202310899691 A CN202310899691 A CN 202310899691A CN 116608983 B CN116608983 B CN 116608983B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- dimensional force
- force sensor
- optical fiber
- groove
- hollow cylindrical
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 83
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 210000003608 fece Anatomy 0.000 claims abstract description 69
- 241000254173 Coleoptera Species 0.000 claims abstract description 62
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000012549 training Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 11
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000000725 suspension Substances 0.000 claims abstract description 4
- 244000144987 brood Species 0.000 claims description 10
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 9
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 claims description 9
- 230000002431 foraging effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000004459 forage Substances 0.000 claims description 3
- 230000006870 function Effects 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 claims description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 47
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 7
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 6
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 4
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 4
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 2
- 238000013507 mapping Methods 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 206010067268 Post procedural infection Diseases 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000001149 cognitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000000254 damaging effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 239000013536 elastomeric material Substances 0.000 description 1
- 238000002674 endoscopic surgery Methods 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011897 real-time detection Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000002432 robotic surgery Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
- G01L5/166—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using photoelectric means
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/24—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet
- G01L1/242—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre
- G01L1/246—Measuring force or stress, in general by measuring variations of optical properties of material when it is stressed, e.g. by photoelastic stress analysis using infrared, visible light, ultraviolet the material being an optical fibre using integrated gratings, e.g. Bragg gratings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L25/00—Testing or calibrating of apparatus for measuring force, torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06N—COMPUTING ARRANGEMENTS BASED ON SPECIFIC COMPUTATIONAL MODELS
- G06N3/00—Computing arrangements based on biological models
- G06N3/004—Artificial life, i.e. computing arrangements simulating life
- G06N3/006—Artificial life, i.e. computing arrangements simulating life based on simulated virtual individual or collective life forms, e.g. social simulations or particle swarm optimisation [PSO]
Abstract
本发明提供了三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成，具体步骤是：S0：配置具有四根光纤的三维力传感器结构；各光纤均处于平行的张紧悬置状态，各光纤均设置有一段栅区；S1：对三维力传感器进行空间耦合加载标定试验，记录四个栅区的中心波长漂移量，将实际施加给三维力传感器的力值作为参考值；S2：构建三维力传感器正常状态与光纤断裂状态下的测量数据集；S3：采用蜣螂算法优化训练获得实现三维力传感器自解耦或容错测量的最佳极限学习机模型；S4：凝聚最佳的自解耦和容错模型至一个模型库中；S5：根据三维力传感器工作时反馈的中心波长，得到正确的三维力输出。本方案还提供了一种中空结构的灵敏的三维力传感器结构。
Description
技术领域
本发明涉及三维力光纤传感器控制技术领域，尤其涉及三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成。
背景技术
经口机器人手术因其出色的灵巧性、减轻的疼痛和较低的术后感染率而在自然孔道腔内镜手术中受到欢迎。在经口机器人手术期间，外科医生从主控制台以主从配置操作从机械手，使手术器械能够通过患者的口腔进入目标部位，并促进在解剖腔内精确完成外科手术。然而，力反馈的缺失对复杂和高精度的外科手术提出了挑战。手术机器人有限的力控制能力会导致各种问题，包括增加操作者的认知负担、因力过大而受伤的风险以及手术性能受损。研究表明，触觉反馈系统的结合提高了经验丰富的外科医生在机器人辅助手术中的表现和精确度，同时也减少了新手外科医生的学习曲线。
为了解决上述问题，已经进行了广泛的研究，以探索并将各种基于原理的力传感器结合到手术机器人中，从而能够实时获取触觉信息。压阻式应变片三维力传感器因其出色的稳定性和灵敏度而受到广泛的研究关注，但要实现最佳性能，则需要精心的结构设计和精确的安装。电容式三维力传感器表现出一定程度的抗粘附效应，使其能够实现出色的灵敏度，同时即使在不同的温度条件下也能保持测量稳定性。然而，寄生电容引起的显着干扰的存在极大地限制了其更广泛的适用性。压电传感器能够通过利用插入传感器电极之间的介电层内表现出的压电效应来实现动态力检测。尽管如此，值得注意的是，此类传感器无法识别静态力。此外，上述电传感器阵列特别容易受到外部电磁噪声的破坏性影响。
光纤布拉格光栅力传感器集成到手术操作器中是新兴的趋势，从而能够在整个手术过程中实时检测和持续监测工具-组织相互作用力，这种集成可以作为一种规避上述与其他传感技术相关的限制和缺点的思路。但目前，许多基于光纤布拉格光栅传感原理的三维力传感器，由于尺寸、结构等问题并不适于安装在经口手术机器人手术工具中，且多维力传感器的非线性耦合和可靠性问题亟待解决。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种构建多维力传感器的结构、以及利用该传感器结构来进行三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成。
本发明的技术方案是这样实现的：
一方面，本发明提供了三维力光纤自解耦感知与容错测量方法，包括如下步骤：
S0：配置具有四根光纤的三维力传感器；各光纤均处于平行的张紧悬置状态，各光纤均设置有一段栅区；
S1：对三维力传感器进行空间耦合加载标定试验，记录四个栅区的中心波长漂移量，将实际施加给三维力传感器的力值作为参考值；
S2：构建三维力传感器正常状态与光纤断裂状态下的测量数据集；
S3：采用蜣螂算法优化训练获得实现三维力传感器自解耦或容错测量的最佳极限学习机模型；
S4：凝聚最佳的自解耦和容错模型至一个模型库中；
S5：根据三维力传感器工作时反馈的中心波长，判断三维力传感器状态并调用相应的极限学习机模型得到正确的三维力输出。
在以上技术方案的基础上，优选的，步骤S1所述对三维力传感器进行空间耦合加载标定试验，是将三维力传感器安装在手术夹钳上，并将手术夹钳和三维力传感器进一步固定在一旋转平台的倾斜模块上，将ATI力传感器固定在手动加载平台上，安装在手术夹钳上的三维力传感器和ATI力传感器通过金属线连接，通过手动调节ATI力传感器所在的手动加载平台，使得三维力传感器产生位移，从而改变施加的力的大小；调整旋转平台的角度β并更换不同倾斜角度的倾斜模块实现空间力的加载，ATI力传感器的力值读数通过外置的数据采集卡采集并作为参考力值；安装在手术夹钳上的三维力传感器各栅区的中心波长漂移量由外置的解调仪记录；经过空间耦合加载后，三维力传感器测量的力与ATI力传感器的力值的转换关系如下：/>；/>；；/>、/>和/>分别是三维力传感器测量的力；/>是ATI力传感器的力值。
优选的，步骤S3所述采用蜣螂算法优化训练获得实现三维力传感器自解耦或容错测量的最佳极限学习机模型，具体包括如下步骤：
S31：将极限学习机训练时随机初始化的权重和偏差编码为蜣螂种群的位置，并将蜣螂按比例分成滚球蜣螂、育雏蜣螂、幼年蜣螂和小偷蜣螂四种；
S32：使用适应度函数评估当前权重和偏差编码，适应度函数f设置为极限学习机三维力预测输出和参考力值的均方误差，表示为：；其中n是训练数据的数量；/>和/>分别表示第i个训练数据的预测值和参考值；
S33：滚球蜣螂在滚动粪球时利用太阳线索来保持直线路径，并且光源的存在也会影响它们的轨迹；在整个滚动过程中，参与滚球的适应度函数取值较低的蜣螂的位置不断更新，可以表示为：；其中/>和/>分别表示第i只蜣螂在第t次迭代和第t+1次迭代时的位置信息；k表示偏转系数，为一个常数值；/>是自然系数，赋值为-1或1；b表示在（0，1）范围内的常数；
S34：当滚球蜣螂遇到障碍物无法前进时，滚球蜣螂通过舞蹈重新定位，位置更新并定义如下：；其中/>是第i只蜣螂在第t-1次迭代时的位置信息；/>为偏转角；
S35：将粪球成功滚动到安全位置后，育雏蜣螂会在动态范围内选择合适的区域产卵；育雏球的位置描述如下：；其中/>和分别为第i个育雏球在第t次和第t+1次迭代时的位置信息；/>表示育雏蜣螂的边界的位置；/>和/>表示两个独立的随机向量；/>和/>分别表示产卵区域的下界和上界；
S36：年幼蜣螂会寻找最佳的觅食区域进行觅食，幼年蜣螂的位置使用以下公式更新：；其中/>和/>分别表示最佳觅食区域的下限和上限；/>为服从正态分布的随机数；/>为（0，1）范围内的随机向量；
S37：小偷蜣螂会从另外的蜣螂那里偷粪球；小偷蜣螂的位置信息根据以下描述更新：；其中/>为最佳蜣螂位置；/>为常数值；/>为一维随机向量，服从正态分布；
S38：重复步骤S32—S37，将拥有最佳位置的蜣螂的权重和偏差编码传递给极限学习机。
优选的，步骤S5所述根据三维力传感器工作时反馈的中心波长，判断三维力传感器状态并调用相应的极限学习机模型得到正确的三维力输出，是采用解调仪接收三维力传感器的中心波长漂移，随后判断三维力传感器的各光纤的状态，根据各光纤的状态选择对应的自解耦或容错模型，计算三维输出力，实现外科手术过程接触力的高精度测量。
另一方面，本发明提供了三维力光纤自解耦感知与容错测量的一体式集成，包括三维力传感器和手术夹钳；其中三维力传感器包括一体式弹性体、四根光纤和通用连接件；一体式弹性体轴向延伸方向的一端与手术夹钳连接，一体式弹性体轴向延伸方向的另一端设置有若干第三凹槽，各第三凹槽与通用连接件固定连接；四根光纤伸出通用连接件并设置在一体式弹性体内部。
优选的，所述一体式弹性体包括顺次设置的两弧形连接部、空心圆柱部和若干柔性连接块；两弧形连接部设置在空心圆柱部远离通用连接件的一端，两弧形连接部相对于空心圆柱部的中心轴对称设置，用于与手术夹钳固定连接；空心圆柱部靠近通用连接件的一端设置有四个第三凹槽，各第三凹槽用于与通用连接件固定连接；空心圆柱部靠近两弧形连接部的一端还设置有四个第一凹槽，空心圆柱部靠近第三凹槽处设置有四个第二凹槽，第二凹槽与第三凹槽一一对应相互连通；第一凹槽与第二凹槽一一对应的正对且间隔设置，且各第一凹槽与第二凹槽沿着空心圆柱部的径向方向贯通设置；空心圆柱部内部设置有空腔，各第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽均与空腔连通；四根光纤从通用连接件伸入空腔内部，并沿着平行于空心圆柱部的中心轴的方向向着两弧形连接部方向延伸；若干柔性连接块分别嵌设在各第一凹槽与第二凹槽处，并分别与各光纤和空心圆柱部连接；各光纤均设置有一段栅区，栅区均位于第一凹槽与第二凹槽之间的空腔内。
优选的，所述空心圆柱部上还设置有若干扇形孔；各扇形孔位于第一凹槽与第二凹槽之间的空心圆柱部区域，间隔且交替的分布在空心圆柱部的轴向延伸方向的虚拟圆柱形的表面，各扇形孔沿着空心圆柱部的径向方向贯通设置，并与空腔相互连通。
优选的，所述若干柔性连接块与空心圆柱部或者光纤之间通过粘接方式连接。
优选的，所述各光纤的栅区为光纤布拉格光栅；各光纤的栅区与该光纤经过的第一凹槽和第二凹槽的间距相等。
优选的，位于同一虚拟圆环上的相邻的第一凹槽、第二凹槽或者若干柔性连接块的圆心角均相等；各光纤分别位于若干柔性连接块的边缘构成的虚拟正方形的顶点处。
本发明提供的三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成，相对于现有技术，具有以下有益效果：
（1）本方案可以便利地将手术操作器与光纤布拉格光栅三维力传感器集成，进行手术操作时，接触力可分为三维正交力，弹性体会将三维正交力传递至各光纤布拉格光栅，各光纤布拉格光栅布置结构对力矩敏感，使光纤布拉格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三维正交力；
（2）各光纤布拉格光栅的中心波长漂移量与三维力具有一定的非线性和冗余特征，本方案采用蜣螂算法优化极限学习机算法确定正常的光纤布拉格光栅的中心波长量与三维力的映射关系，分别训练三维力传感器在不同状态下的测量模型并聚合到自解耦与容错模型库中，实现三维力传感器的自解耦与容错测量。
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为本发明三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成的设备状态立体图；
图2为本发明三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成的设备移除手术夹钳和通用连接件后的立体图；
图3为图2中的柔性连接块移除后的一体式弹性体的部分剖切状态立体图；
图4为图2的前视图；
图5为图4的半剖俯视图；
图6为图2的第一凹槽处的半剖左视图：
图7为图2的左视图：
图8为本发明三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成的柔性连接块与光纤的组合状态的立体图：
图9为图8的左视图：
图10为本发明三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成的加载标定的示意图；
图11为本发明三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成的极限学习机模型的模型结构示意图：
图12为本发明三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成的算法流程图：
图13为本发明三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成的一种测量流程图。
附图标记：1、一体式弹性体；2、第一凹槽；3、第二凹槽；4、第三凹槽；5、弧形连接部；6、扇形孔；7、光纤；8、柔性连接块；9、手术夹钳；10、通用连接件；101、空心圆柱部；102、光纤布拉格光栅；201、第一光纤布拉格光栅；202、第二光纤布拉格光栅；203、第三光纤布拉格光栅；204、第四光纤布拉格光栅；301、倾斜模块；302、旋转平台；303、ATI力传感器；304、手动加载平台；305、隔震台。
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所示，一方面，本发明提供了三维力光纤自解耦感知与容错一体式集成，包括三维力传感器和手术夹钳9；其中三维力传感器包括一体式弹性体1、四根光纤7和通用连接件10；一体式弹性体1轴向延伸方向的一端与手术夹钳9连接，一体式弹性体1轴向延伸方向的另一端设置有若干第三凹槽4，各第三凹槽4与通用连接件10固定连接；四根光纤7伸出通用连接件10并设置在一体式弹性体1内部。三维力传感器即手术夹钳9与通用连接件10之间的部分，其一体式弹性体1采用弹性体材料制成。一体式弹性体1内部具有供光纤7延伸的空腔结构。
进一步如图2、图3和图4所示，移除手术夹钳9与通用连接件10后，一体式弹性体1包括顺次设置的两弧形连接部5、空心圆柱部101和若干柔性连接块8；两弧形连接部5设置在空心圆柱部101远离通用连接件10的一端，两弧形连接部5相对于空心圆柱部101的中心轴对称设置，用于与手术夹钳9固定连接；空心圆柱部101靠近通用连接件10的一端设置有四个第三凹槽4，各第三凹槽4用于与通用连接件10固定连接；空心圆柱部101靠近两弧形连接部5的一端还设置有四个第一凹槽2，空心圆柱部101靠近第三凹槽4处设置有四个第二凹槽3，第二凹槽3与第三凹槽4一一对应相互连通；第一凹槽2与第二凹槽3一一对应的正对且间隔设置，即第一凹槽和第二凹槽在空心圆柱部径向方向的投影完全重合；且各第一凹槽2与第二凹槽3沿着空心圆柱部101的径向方向贯通设置；空心圆柱部101内部设置有空腔，各第一凹槽2、第二凹槽3和第三凹槽4均与空腔连通；四根光纤7从通用连接件10伸入空腔内部，并沿着平行于空心圆柱部101的中心轴的方向向着两弧形连接部5方向延伸；若干柔性连接块8分别嵌设在各第一凹槽2与第二凹槽3处，并分别与各光纤7和空心圆柱部101连接；各光纤7均设置有一段栅区，栅区均位于第一凹槽2与第二凹槽3之间的空腔内。各第一凹槽和第二凹槽用于嵌入柔性连接块8，第三凹槽4用于与通用连接件10连接。两弧形连接部5用于与手术夹钳9铰连接。空腔内还可以设置其他传动机构，便于张开或者夹紧手术夹钳。一体式弹性体1受到接触力后，发生轴向和横向形变，并将形变传递给四根光纤7。
作为本方案的一种优选实施方式，相邻第一凹槽之间的间距为90°，相邻第二凹槽之间的间距也为90°。距离最近的第一凹槽和第二凹槽共线设置，即第一凹槽的中心线与最近的第二凹槽的中心线还与空心圆柱部101的中心轴平行设置。
空心圆柱部101上还设置有若干扇形孔6；各扇形孔6位于第一凹槽2与第二凹槽3之间的空心圆柱部101区域，间隔且交替的分布在空心圆柱部101的轴向延伸方向的虚拟圆柱形的表面，各扇形孔6沿着空心圆柱部101的径向方向贯通设置，并与空腔相互连通。扇形孔6一方面呈径向分布，另一方面还沿着空心圆柱部101的轴向延伸方向间隔设置。多个扇形孔6可以提高三维力传感器的灵敏度。
各光纤7的栅区为光纤布拉格光栅102；各光纤7的栅区与该光纤7经过的第一凹槽2和第二凹槽3的间距相等。即栅区位于第一凹槽2和第二凹槽3的中间位置，并由柔性连接块8限定该位置保持不变。为便于不同光纤7的光栅进行区分，分别用图8中的201、202、203和204指代第一光纤布拉格光栅、第二光纤布拉格光栅、第三光纤布拉格光栅和第四光纤布拉格光栅。各光纤布拉格光栅102可以采用如下封装流程：将第一光纤布拉格光栅201的一端通过柔性连接块8粘接到第一凹槽2上，在第一光纤布拉格光栅201的另一端施加一定的预紧力使当前光纤7悬置，再使用柔性连接块8将这一端粘接到与前面第一凹槽2同轴线的第二凹槽3上；第二光纤布拉格光栅202、第三光纤布拉格光栅203和第四光纤布拉格光栅204采用同样的方式布置在其他的第一凹槽2和第二凹槽3上，此时四个光纤布拉格光栅102保持平行且悬置，便得到三维力传感器。
本方案中，若干柔性连接块8与空心圆柱部101或者光纤7之间通过粘接方式连接。粘接方式相对于刚性连接，能更好的进行力的传递，而且不会损坏光纤7。柔性连接块8的胶体材料固化后仍有弹性。
特殊的，如图8和图9所示，位于同一虚拟圆环上的相邻的第一凹槽2、第二凹槽3或者若干柔性连接块8的圆心角均相等；各光纤7分别位于若干柔性连接块8的边缘构成的虚拟正方形的顶点处。可以看到柔性连接块8的轮廓的形状与空心圆柱部101开设第一凹槽与第二凹槽的部分相吻合，且伸入空腔的部分的深度相当，柔性连接块8伸入空腔的边边处设置有光纤7，各柔性连接块8和光纤7也相对于空心圆柱部101的中心轴旋转对称设置，即四根光纤7的光纤布拉格光栅102相对于空心圆柱部101的中心轴圆周间隔90°排布。
当宽带光通过光纤传输时，光纤布拉格光栅102在特定的窄带范围内表现出反射，反射光谱的中心波长偏移对温度和应变都很敏感，在外科手术过程中温度被认为是恒定的。在集成有设计的三轴力传感器的手术操作一体式集成进行手术期间，接触力F x 、F y 和F z 主要使一体式弹性体1变形，随后在四个悬挂的光纤布拉格光栅102中引起变形。这种变形导致中心波长偏移，可以表示如下：
；其中/>、、/>和/>为各光纤布拉格光栅的中心波长漂移量；/>是光纤布拉格光栅的初始波长；/>是光纤的有效弹光系数，室温下约为0.22；/>、/>、/>和/>是各光纤布拉格光栅在力作用下的应变响应。
三轴接触力与光纤布拉格光栅102的应变的关系表示如下：
；上式中，等式右侧第一个矩阵简写为M，是各个光纤布拉格光栅102在三维力传感器上施加负载下的应变响应因子。
在不考虑加工和装配误差的情况下，在承受力横向力时，第一光纤布拉格光栅201和第三光纤布拉格光栅203，以及第二光纤布拉格光栅203和第四光纤布拉格光栅204，经历同样的力作用。在这种情况下，四个光纤布拉格光栅102的中心波长偏移可以进一步表示为：
；
。
在承受力横向力时，四个光纤布拉格光栅102都受到相同的应变，他们相应的中心波长偏移可以表示为：
。
最终，四个光纤布拉格光栅201的中心波长偏移与施加三维力之间的关系可以分析如下：
；
需要说明的是，如果某一光纤布拉格光栅断裂，如第一光纤布拉格光栅201断裂，则对应的左侧参数变为三项，即；如果多个光纤布拉格光栅102断裂，则对应的项也相应减少。
另一方面，参见附图12和附图13，本发明还提供了三维力光纤自解耦感知与容错测量方法，包括如下步骤：
S0：配置如前所述具有四根光纤7的三维力传感器的结构；各光纤7均处于平行的张紧悬置状态，各光纤7均设置有一段光纤布拉格光栅的栅区；
S1：对三维力传感器进行空间耦合加载标定试验，记录四个栅区的中心波长漂移量，将实际施加给三维力传感器的力值作为参考值；
对三维力传感器进行空间耦合加载标定试验，是在隔震台305的端面设置两个不同的手动加载平台304，将三维力传感器安装在手术夹钳9上，并将手术夹钳9和三维力传感器进一步固定在一个手动加载平台的一旋转平台302的倾斜模块301上，将ATI力传感器303固定在另一个手动加载平台304上，安装在手术夹钳9上的三维力传感器和ATI力传感器303通过金属线连接，通过手动调节ATI力传感器303所在的手动加载平台304，使得三维力传感器产生位移，从而改变施加的力的大小；调整旋转平台302的角度β并更换不同倾斜角度的倾斜模块301实现空间力的加载，ATI力传感器303的力值读数通过外置的数据采集卡采集并作为参考力值；安装在手术夹钳9上的三维力传感器各栅区的中心波长漂移量由外置的解调仪记录；经过空间耦合加载后，三维力传感器测量的力与ATI力传感器303的力值的转换关系如下：/>；/>；/>；/>、和/>分别是三维力传感器测量的力；/>是ATI力传感器303的力值。
S2：构建三维力传感器正常状态与光纤7断裂状态下的测量数据集；
S3：采用蜣螂算法优化训练获得实现三维力传感器自解耦或容错测量的最佳极限学习机模型；
该步骤中所述的采用蜣螂算法优化训练获得实现三维力传感器自解耦或容错测量的最佳极限学习机模型，具体内容如下：
S31：将极限学习机训练时随机初始化的权重和偏差编码为蜣螂种群的位置，并将蜣螂按比例分成滚球蜣螂、育雏蜣螂、幼年蜣螂和小偷蜣螂四种；
S32：使用适应度函数评估当前权重和偏差编码，适应度函数f设置为极限学习机三维力预测输出和参考力值的均方误差，表示为：；其中n是训练数据的数量；/>和/>分别表示第i个训练数据的预测值和参考值；
S33：滚球蜣螂在滚动粪球时利用太阳线索来保持直线路径，并且光源的存在也会影响它们的轨迹；在整个滚动过程中，参与滚球的适应度函数取值较低的蜣螂的位置不断更新，可以表示为：；其中/>和/>分别表示第i只蜣螂在第t次迭代和第t+1次迭代时的位置信息；k表示偏转系数，为一个常数值；/>是自然系数，赋值为-1或1；b表示在（0，1）范围内的常数；
S34：当滚球蜣螂遇到障碍物无法前进时，滚球蜣螂通过舞蹈重新定位，位置更新并定义如下：；其中/>是第i只蜣螂在第t-1次迭代时的位置信息；/>为偏转角；
S35：将粪球成功滚动到安全位置后，育雏蜣螂会在动态范围内选择合适的区域产卵；育雏球的位置描述如下：；其中/>和分别为第i个育雏球在第t次和第t+1次迭代时的位置信息；/>表示育雏蜣螂的边界的位置；/>和/>表示两个独立的随机向量；/>和/>分别表示产卵区域的下界和上界；
S36：年幼蜣螂会寻找最佳的觅食区域进行觅食，幼年蜣螂的位置使用以下公式更新：；其中/>和/>分别表示最佳觅食区域的下限和上限；为服从正态分布的随机数；/>为（0，1）范围内的随机向量；
S37：小偷蜣螂会从另外的蜣螂那里偷粪球；小偷蜣螂的位置信息根据以下描述更新：；其中/>为最佳蜣螂位置；/>为常数值；/>为一维随机向量，服从正态分布；
S38：重复步骤S32—S37，将拥有最佳位置的蜣螂的权重和偏差编码传递给极限学习机。
S4：凝聚最佳的自解耦和容错模型至一个模型库中；
S5：根据三维力传感器工作时反馈的中心波长，判断三维力传感器状态并调用相应的极限学习机模型得到正确的三维力输出。
步骤S5得到正确的三维力输出，是采用解调仪接收三维力传感器的中心波长漂移，随后判断三维力传感器的各光纤7的状态，根据各光纤7的状态选择对应的自解耦或容错模型，计算三维输出力，实现外科手术过程接触力的高精度测量。
本方案通过设计特定的三维力光纤传感器的一体式集成结构，能够的敏感准确的感知外加力的影响和应变，并转换为对应的光纤布拉格光栅的中心波长漂移量，通过训练获得实现三维力传感器自解耦或容错测量的最佳极限学习机模型，用于对输入的三维力传感器工作时反馈的中心波长，反算出三维力传感器受到的三维力并输出，特别适合于安装在经口手术机器人手术工具中，且解耦的可靠性较好。
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 (4)
1.三维力光纤自解耦感知与容错测量一体式集成，其特征在于，包括三维力传感器和手术夹钳（9）；其中三维力传感器包括一体式弹性体（1）、四根光纤（7）和通用连接件（10）；一体式弹性体（1）轴向延伸方向的一端与手术夹钳（9）连接，一体式弹性体（1）轴向延伸方向的另一端设置有若干第三凹槽（4），各第三凹槽（4）与通用连接件（10）固定连接；四根光纤（7）伸出通用连接件（10）并设置在一体式弹性体（1）内部；
所述一体式弹性体（1）包括顺次设置的两弧形连接部（5）、空心圆柱部（101）和若干柔性连接块（8）；两弧形连接部（5）设置在空心圆柱部（101）远离通用连接件（10）的一端，两弧形连接部（5）相对于空心圆柱部（101）的中心轴对称设置，用于与手术夹钳（9）固定连接；空心圆柱部（101）靠近通用连接件（10）的一端设置有四个第三凹槽（4），各第三凹槽（4）用于与通用连接件（10）固定连接；空心圆柱部（101）靠近两弧形连接部（5）的一端还设置有四个第一凹槽（2），空心圆柱部（101）靠近第三凹槽（4）处设置有四个第二凹槽（3），第二凹槽（3）与第三凹槽（4）一一对应相互连通；第一凹槽（2）与第二凹槽（3）一一对应的正对且间隔设置，且各第一凹槽（2）与第二凹槽（3）沿着空心圆柱部（101）的径向方向贯通设置；空心圆柱部（101）内部设置有空腔，各第一凹槽（2）、第二凹槽（3）和第三凹槽（4）均与空腔连通；四根光纤（7）从通用连接件（10）伸入空腔内部，并沿着平行于空心圆柱部（101）的中心轴的方向向着两弧形连接部（5）方向延伸；若干柔性连接块（8）分别嵌设在各第一凹槽（2）与第二凹槽（3）处，并分别与各光纤（7）和空心圆柱部（101）连接；各光纤（7）均设置有一段栅区，栅区均位于第一凹槽（2）与第二凹槽（3）之间的空腔内；所述若干柔性连接块（8）与空心圆柱部（101）或者光纤（7）之间通过粘接方式连接；
所述空心圆柱部（101）上还设置有若干扇形孔（6）；各扇形孔（6）位于第一凹槽（2）与第二凹槽（3）之间的空心圆柱部（101）区域，间隔且交替的分布在空心圆柱部（101）的轴向延伸方向的虚拟圆柱形的表面，各扇形孔（6）沿着空心圆柱部（101）的径向方向贯通设置，并与空腔相互连通；
所述各光纤（7）的栅区为光纤布拉格光栅（102）；各光纤（7）的栅区与该光纤（7）经过的第一凹槽（2）和第二凹槽（3）的间距相等；
位于同一虚拟圆环上的相邻的第一凹槽（2）、第二凹槽（3）或者若干柔性连接块（8）的圆心角均相等；各光纤（7）分别位于若干柔性连接块（8）的边缘构成的虚拟正方形的顶点处；
上述三维力光纤自解耦感知与容错测量一体式集成的测量方法，包括如下步骤：
S0：配置具有四根光纤（7）的三维力传感器；各光纤（7）均处于平行的张紧悬置状态，各光纤（7）均设置有一段栅区；
S1：对三维力传感器进行空间耦合加载标定试验，记录四个栅区的中心波长漂移量，将实际施加给三维力传感器的力值作为参考值；
S2：构建三维力传感器正常状态与光纤（7）断裂状态下的测量数据集；
S3：采用蜣螂算法优化训练获得实现三维力传感器自解耦或容错测量的最佳极限学习机模型；
S4：凝聚最佳的自解耦和容错模型至一个模型库中；
S5：根据三维力传感器工作时反馈的中心波长，判断三维力传感器状态并调用相应的极限学习机模型得到正确的三维力输出。
2.根据权利要求1所述的三维力光纤自解耦感知与容错测量一体式集成，其特征在于，步骤S1所述对三维力传感器进行空间耦合加载标定试验，是将三维力传感器安装在手术夹钳（9）上，并将手术夹钳（9）和三维力传感器进一步固定在一旋转平台（302）的倾斜模块（301）上，将ATI力传感器（303）固定在手动加载平台（304）上，安装在手术夹钳（9）上的三维力传感器和ATI力传感器（303）通过金属线连接，通过手动调节ATI力传感器（303）所在的手动加载平台（304），使得三维力传感器产生位移，从而改变施加的力的大小；调整旋转平台（302）的角度β并更换不同倾斜角度的倾斜模块（301）实现空间力的加载，ATI力传感器（303）的力值读数通过外置的数据采集卡采集并作为参考力值；安装在手术夹钳（9）上的三维力传感器各栅区的中心波长漂移量由外置的解调仪记录；经过空间耦合加载后，获取三维力传感器测量的力与ATI力传感器（303）的力值的转换关系。
3.根据权利要求2所述的三维力光纤自解耦感知与容错测量一体式集成，其特征在于，步骤S3所述采用蜣螂算法优化训练获得实现三维力传感器自解耦或容错测量的最佳极限学习机模型，具体包括如下步骤：
S31：将极限学习机训练时随机初始化的权重和偏差编码为蜣螂种群的位置，并将蜣螂按比例分成滚球蜣螂、育雏蜣螂、幼年蜣螂和小偷蜣螂四种；
S32：使用适应度函数评估当前权重和偏差编码；
S33：滚球蜣螂在滚动粪球时利用太阳线索来保持直线路径；
S34：当滚球蜣螂遇到障碍物无法前进时，滚球蜣螂通过舞蹈重新定位；
S35：将粪球成功滚动到安全位置后，育雏蜣螂会在动态范围内选择合适的区域产卵；
S36：年幼蜣螂会寻找最佳的觅食区域进行觅食；
S37：小偷蜣螂会从另外的蜣螂那里偷粪球；
S38：重复步骤S32—S37，将拥有最佳位置的蜣螂的权重和偏差编码传递给极限学习机。
4.根据权利要求3所述的三维力光纤自解耦感知与容错测量一体式集成，其特征在于，步骤S5所述根据三维力传感器工作时反馈的中心波长，判断三维力传感器状态并调用相应的极限学习机模型得到正确的三维力输出，是采用解调仪接收三维力传感器的中心波长漂移，随后判断三维力传感器的各光纤（7）的状态，根据各光纤（7）的状态选择对应的自解耦或容错模型，计算三维输出力，实现外科手术过程接触力的高精度测量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310899691.2A CN116608983B (zh) | 2023-07-21 | 2023-07-21 | 三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310899691.2A CN116608983B (zh) | 2023-07-21 | 2023-07-21 | 三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116608983A CN116608983A (zh) | 2023-08-18 |
| CN116608983B true CN116608983B (zh) | 2023-11-10 |
Family
ID=87682319
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310899691.2A Active CN116608983B (zh) | 2023-07-21 | 2023-07-21 | 三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116608983B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117330231B (zh) * | 2023-11-30 | 2024-03-12 | 武汉理工大学 | 一种多维力传感反馈微创操作器及多维力信息检测方法 |
Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2073152C1 (ru) * | 1993-12-07 | 1997-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Техарм" | Запорно-регулирующий прямоточный клапан и способ его сборки |
| DE102011050717A1 (de) * | 2011-05-30 | 2012-12-06 | BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung | Faseroptischer Sensor, Validierungsverfahren für einen faseroptischen Sensor und zugehörige Messeinrichtung |
| KR20130015321A (ko) * | 2011-08-03 | 2013-02-14 | 한국과학기술원 | 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇, 시스템 및 그 시스템을 이용한 힘 측정방법 |
| CN108593161A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-09-28 | 南开大学 | 一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人三维力传感器 |
| CN109115380A (zh) * | 2017-06-23 | 2019-01-01 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 用于微创医疗器械的三维力传感器 |
| CN111678539A (zh) * | 2019-03-11 | 2020-09-18 | 新加坡国立大学 | 用于手术器械的光纤光栅传感器 |
| CN111803143A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-10-23 | 天津大学 | 一种用于微创手术的三维力传感手术针 |
| CN113081235A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-07-09 | 武汉理工大学 | 环境误差自补偿的心脏消融导管尖端光纤三维力传感器 |
| CN113967038A (zh) * | 2021-10-11 | 2022-01-25 | 武汉理工大学 | 具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器 |
| CN114001856A (zh) * | 2021-10-08 | 2022-02-01 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种六维力传感器 |
| CN114905549A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-08-16 | 上海交通大学 | 用于绳驱柔性机器人末端三维力感知方法及系统 |
| CN115290243A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-11-04 | 天津大学 | 一种用于微创手术的三维力传感器及测量系统 |
| CN115839792A (zh) * | 2022-11-29 | 2023-03-24 | 中科医通科技(南京)有限公司 | 一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器及其使用方法 |
| CN116026514A (zh) * | 2023-03-29 | 2023-04-28 | 武汉理工大学 | 面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA2446533A1 (en) * | 2003-10-24 | 2005-04-24 | 9134-9001 Quebec Inc. | Flexible ferrule device for connection of optical fiber and use thereof |
| US7382458B2 (en) * | 2004-04-01 | 2008-06-03 | Custom Sample Systems, Inc. | Fiber optic fluid probe |
| EP1907796A1 (en) * | 2005-07-27 | 2008-04-09 | NCTEngineering GmbH | Position sensing |
| EP2711676B1 (de) * | 2012-09-20 | 2020-10-07 | VascoMed GmbH | Faseroptischer Kraftsensor, Kraftmesseinrichtung und Katheter |
| US9976919B2 (en) * | 2015-03-27 | 2018-05-22 | Kettering University | Fiber-optic sensor assembly |
-
2023
- 2023-07-21 CN CN202310899691.2A patent/CN116608983B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2073152C1 (ru) * | 1993-12-07 | 1997-02-10 | Общество с ограниченной ответственностью "Техарм" | Запорно-регулирующий прямоточный клапан и способ его сборки |
| DE102011050717A1 (de) * | 2011-05-30 | 2012-12-06 | BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung | Faseroptischer Sensor, Validierungsverfahren für einen faseroptischen Sensor und zugehörige Messeinrichtung |
| KR20130015321A (ko) * | 2011-08-03 | 2013-02-14 | 한국과학기술원 | 광섬유 브래그 격자 힘센서를 구비한 최소침습수술용 수술로봇, 시스템 및 그 시스템을 이용한 힘 측정방법 |
| CN109115380A (zh) * | 2017-06-23 | 2019-01-01 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 用于微创医疗器械的三维力传感器 |
| CN108593161A (zh) * | 2018-04-20 | 2018-09-28 | 南开大学 | 一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人三维力传感器 |
| CN111678539A (zh) * | 2019-03-11 | 2020-09-18 | 新加坡国立大学 | 用于手术器械的光纤光栅传感器 |
| CN111803143A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-10-23 | 天津大学 | 一种用于微创手术的三维力传感手术针 |
| CN113081235A (zh) * | 2021-03-24 | 2021-07-09 | 武汉理工大学 | 环境误差自补偿的心脏消融导管尖端光纤三维力传感器 |
| CN114001856A (zh) * | 2021-10-08 | 2022-02-01 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种六维力传感器 |
| CN113967038A (zh) * | 2021-10-11 | 2022-01-25 | 武汉理工大学 | 具有旋转式多维切削力光纤感知的智能微创操作器 |
| CN114905549A (zh) * | 2022-04-14 | 2022-08-16 | 上海交通大学 | 用于绳驱柔性机器人末端三维力感知方法及系统 |
| CN115290243A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-11-04 | 天津大学 | 一种用于微创手术的三维力传感器及测量系统 |
| CN115839792A (zh) * | 2022-11-29 | 2023-03-24 | 中科医通科技(南京)有限公司 | 一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器及其使用方法 |
| CN116026514A (zh) * | 2023-03-29 | 2023-04-28 | 武汉理工大学 | 面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Fault-Tolerant Decoupling Analysis of 6-Axis Force/Torque Sensor Based on SSA-ELM;Tianliang Li等;IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS;第654-658页 * |
| 改进正弦算法引导的蜣螂优化算;潘劲成等;计算机工程与应用;第1-5页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116608983A (zh) | 2023-08-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN116608983B (zh) | 三维力光纤自解耦感知与容错测量方法及其一体式集成 | |
| Li et al. | A high-sensitivity tactile sensor array based on fiber Bragg grating sensing for tissue palpation in minimally invasive surgery | |
| US9549781B2 (en) | Multi-force sensing surgical instrument and method of use for robotic surgical systems | |
| US7720322B2 (en) | Fiber optic shape sensor | |
| JP7455245B2 (ja) | 手術ロボットシステム及びその手術器具 | |
| KR102055636B1 (ko) | 꼬임-비민감성 형상 센서를 사용하여 절대적 3-차원 측정을 위한 방법 및 시스템 | |
| Abushagur et al. | Advances in bio-tactile sensors for minimally invasive surgery using the fibre Bragg grating force sensor technique: A survey | |
| EP0968400B1 (en) | Topological and motion measuring tool | |
| EP3560416B1 (en) | Touch sensing catheter | |
| US8075498B2 (en) | Medical apparatus system having optical fiber load sensing capability | |
| US8894589B2 (en) | Medical apparatus system having optical fiber load sensing capability | |
| JP5054103B2 (ja) | 力ベクトルの検出用力センサ | |
| JP4350004B2 (ja) | ３次元抗力センサ | |
| US20060200049A1 (en) | Medical apparatus system having optical fiber load sensing capability | |
| US8596111B2 (en) | System for sensing and displaying softness and force | |
| CN116026514B (zh) | 面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法 | |
| CN115839792A (zh) | 一种用于腹腔微创手术器械的三维力传感器及其使用方法 | |
| Brett et al. | A technique for measuring contact force distribution in minimally invasive surgical procedures | |
| CN113483816B (zh) | 形位力复合传感单元及其测量方法 | |
| Hadi-Hosseinabadi et al. | Multi-axis force sensing in robotic minimally invasive surgery with no instrument modification | |
| CN115014623B (zh) | 光波导触觉传感器、传感系统、标定方法、及机器人 | |
| Wang et al. | A miniature triaxial force sensor based on fiber Bragg gratings for flexible endoscopic robot | |
| CN116211472A (zh) | 多维力感知装置、机器人及多维力感知装置校准方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |