利用稀疏 FBG 测量对高度可变形手术机械臂进行形状与力的同时估计

近年来，光纤布拉格光栅（FBG）等光纤传感器被广泛研究用于柔性手术机器人的形状重建和力估计。然而，大多数现有方法需要光纤内部 FBG 的精确模型参数及其与柔性机器人的对准才能获得准确的传感结果。另一个挑战在于在线获取柔性机器人任意位置处的外力，这在机器人手术中出现大偏转时具有高度需求。在本文中，我们提出了一种新的数据驱动范式，通过使用来自单芯 FBG 光纤的稀疏应变测量，对高度可变形的柔性机器人进行形状和力的同时估计。我们设计了一根螺旋嵌入 FBG 传感器的薄壁软传感管，用于偏转高达 270 度且弯曲半径小于 10 mm 的机器人辅助柔性输尿管镜。我们引入并研究了三种结合空间应变编码器的学习模型，并比较了它们在自由空间和具有不同位置接触力的受限环境中的性能。在动态形状-力传感精度方面的实验结果证明了所提方法的有效性和优越性。