螺旋多芯光纤光栅型微创手术软体机器人的位姿感知方法

The soft surgical robot is the scientific frontier in the fields of minimally invasive surgery and robotics. Moreover, the soft surgical robot is the hotspot and difficulty issue at present, and it is a crucial approach to improve the performance of minimally invasive surgery. However, some existing methods have not solved the problem of accurate pose measurement of robot, which limits its application in surgery. For this reason, this project proposes a measurement method based on helical multi-core optical fiber grating, the main contents and innovations include:.(1)With fusion of the hyperelastic theory, optical fiber grating sensing mechanism and helical configuration, the theoretical sensing model of soft surgical robot with large deformation is established, and the sensing characteristics of optical fiber grating in the soft surgical robot is studied; (2)Through the model training and learning based on support vector machine method，the mechanism of multi-core optical fiber parameters decoupling is studied; (3)Based on the results of three-dimensional shape reconstruction of soft robot with helical multi-core optical fiber grating, the extended Kalman filter algorithm is used to compensating the error of optical fiber grating sensing, and the pose measurement accuracy of soft surgical robot is improved through the fusion of its kinematics model..The innovations and contributions of this project will provide an effective method for accurate measurement of soft surgical robot, which have wide application prospects in the field of minimally invasive surgery robotics.

微创手术软体机器人是微创外科和机器人领域的科学前沿，也是当前研究的热点和难点，对提升微创手术水平至关重要。现有视觉、电子和光电等传感方法尚未解决软体机器人位姿的精确测量问题，限制了其手术应用。为此本项目提出一种基于螺旋型多芯光纤光栅的微创手术软体机器人位姿传感测量方法，主要内容及创新包括：.(1)结合超弹性理论、光纤光栅传感理论和螺旋构型，建立大伸缩和各向弯曲形变软体机器人的理论传感模型，研究软体手术机器人中光纤光栅的传感特性；(2)利用支持向量机进行模型训练和学习，研究软体手术机器人中螺旋型多芯光纤光栅传感参数的解耦机制；(3)通过光纤光栅传感重构出软体机器人的三维形状，同时利用扩展卡尔曼滤波算法，融合机器人的运动学模型，补偿光纤光栅传感的累计误差，提高软体手术机器人的位姿测量精度。.项目研究成果将为软体手术机器人的精确测量提供新的理论和方法，在微创外科手术机器人领域具有广阔的应用前景。

微创手术软体机器人是微创外科和机器人领域的科学前沿，也是当前研究的热点和难点，对提升微创手术水平至关重要。现有视觉、电子和光电等传感方法尚未解决软体机器人的状态精确测量问题，限制了其手术应用。本项目立足于当前研究的边界，提出了螺旋多芯光纤光栅软体手术机器人的状态感知方法，重点解决了基于超弹性软体机器人形状位姿参数表征的螺旋型多芯光纤光栅解耦方法。本项目研究具有鲜明的学科交叉特征，能够为微创手术软体机器人的临床应用提供理论支撑，提高手术的精度和效率。.项目通过研究超弹性软体机器人中光纤光栅的传感特性，建立了大伸缩和各向弯曲形变软体机器人的光纤光栅传感模型，研究了软体手术机器人中光纤光栅的传感特性。开展了软体手术机器人中螺旋型多芯光纤光栅传感参数的解耦机制。开展了光纤光栅传感软体机器人三维形状重构方法研究，同时利用扩展卡尔曼滤波算法，融合机器人的运动学模型，实现了软体手术机器人的形状重构和状态感知。通过建立软体机器人气动控制系统、多芯光纤光栅传感系统以及微创手术环境的模拟，对基于光纤光栅的软体机器人形状传感系统进行性能评估，实验测得螺旋光纤光栅传感灵敏度可以达到12.55 pm/°，且偏差指数小于9.71%。软体机器人形状重构与理论结果最大误差不超过9%，平均误差小于5%。.项目研究成果为软体手术机器人的精确测量提供新的理论和方法，在微创外科手术机器人领域具有广阔的应用前景，并可应用于其他行业各类软体结构的传感与实时监测。