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

本发明专利技术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。权重和偏置敏感问题。权重和偏置敏感问题。

【技术实现步骤摘要】
面向手术夹钳的六维力传感器和非线性解耦与容错方法


[0001]本专利技术涉及六维力光纤传感
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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的中国专利技术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。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术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。
[0005]本专利技术的技术方案是这样实现的：一方面，本专利技术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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]优选的，所述至少三对光纤光栅为光纤布拉格光栅。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]另一方面，本专利技术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。
[0013]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，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：，其中F为极限学习机模型的输出；和分别为输入层与隐藏层之间的权值和偏置；为隐藏层与输出层之间的权重；为激活函数，基于LReLU函数和Sigmoid函数，表示为：；；C为常数，e为自然对数的底。
[0014]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：；
其中n为样本数，和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：；其中为不与其他海鸥冲突的更新位置；为海鸥当前位置；为附加变量；为控制附加变量变化频率的函数；=1，2，3，
…
，；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：；其中为新位置；为最佳海鸥位置；为附加变量；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：；其中、和为三维空间坐标；为螺旋每一圈的半径；为[0，2π]之间的随机角度；和为定义螺旋的常数；为海鸥捕猎的位置，；步骤6：重复步骤2
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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。
[0015]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。
[0016]本专利技术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）各光纤光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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.面向手术夹钳的六维力传感器的非线性解耦与容错方法，其特征在于，包括如下步骤：对权利要求1
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6任一项所述的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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李天梁，黄平安，郜好好，赵泽斌，陈发银，谭跃刚，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：