高精度空心三轴力传感器，用于微创手术中的导管插入

《IEEE/ASME Transactions on Mechatronics》：High-Precision Hollow Triaxial Force Sensor for Cannulation in Minimally Invasive Surgery

空心三轴力传感器基于光纤布拉格栅，采用双层梁结构实现紧凑与刚度平衡，通过拓扑优化和条件数法提升精度，结合改进的随机森林算法与温度补偿，有效检测动态力并验证其在猪十二指肠乳头实验中的效果。

　　

摘要：

插管是微创手术中常见的操作。在此过程中，力感应对于手术的安全性和有效性至关重要。由于导管的尺寸限制以及需要形成中空通道，实现高精度的力感应仍然具有挑战性。本研究提出了一种基于光纤布拉格光栅的中空三轴力传感器，该传感器采用双层光束结构，既实现了紧凑的体积，又保持了良好的刚性。我们利用“自由与约束拓扑”（Freedom and Constraint Topology）方法对传感器进行了渐进式设计优化。同时，我们建立了传感器的力学模型，并通过映射矩阵的条件数来优化结构参数，以抑制误差放大。此外，我们还提出了一种改进的随机森林算法（集成温度补偿功能），以提高三轴力感应的精度。该传感器在径向力分量F_x和F_y的测量范围内（±2N），其均方根误差分别为0.0214 N和0.0225 N；在轴向力分量F_z的测量范围内（0–2N），均方根误差为0.0170 N。体外组织实验验证了该传感器能够有效检测动态力变化，并有助于实现与手术器械在猪十二指肠乳头部位的精确配合操作。