设计和制造纤维布拉格格形状传感器用于连续操纵器的形状重建
Golchehr Amirkhani1, Anna Goodridge2, Mojtaba Esfandiari1
1Department of Mechanical Engineering and the Laboratory for Computational Sensing and Robotics, Johns Hopkins University, Baltimore, MD 21218 USA.
IEEE sensors journal
|April 1, 2024
概括
这项研究引入了一种用于连续敏捷操纵器 (CDM) 的新型纤维布拉格格 (FBG) 形状传感器. 在FBG传感器准确地跟踪CDM的形状,在复杂的曲过程中进行微创手术.
科学领域:
- 机器人技术 机器人技术 机器人技术
- 生物医学工程 生物医学工程
- 传感器技术 传感器技术
背景情况:
- 连续敏捷操纵器 (CDM) 为受限制的环境提供了高敏捷性,特别是在最小侵入性手术中.
- 在非恒定曲率曲过程中对CDM的实时形状控制仍然是一个重大挑战.
- 精确的形状传感对于手术应用中CDM的精确控制和导航至关重要.
研究的目的:
- 为CDM设计和制造一种新型的大偏移纤维布拉格格 (FBG) 形状传感器.
- 开发和验证一种形状感应模型,用于根据FBG波长重建CDM中心线.
- 在各种曲场景中评估FBG形状传感器和重建模型的准确性和性能.
主要方法:
- 嵌入了一种双纤维FBG形状传感器,在CDM流明中每个纤维有三个FBG节点.
- 开发了一个形状感应模型,将FBG波长转移与CDM曲率相关联.
- 在自由空间和障碍物中进行了FBG传感器表征和CDM形状重建的实验.
主要成果:
- FBG传感器证明了线性曲率-波长关系,具有高曲率检测 (0.045毫米) 和5.50纳米波长偏移在90度曲时.
- 在自由空间中,CDM形状重建实现了0.216 ± 0.126 mm的精度.
- 与障碍物有关的形状重建错误为0.436 ± 0.370毫米 (近距离),0.485 ± 0.418毫米 (中间) 和0.312 ± 0.261毫米 (远距离).
结论:
- 开发的FBG形状传感器表现出适合大偏移CDM的性能.
- 形状感应模型有效地跟踪CDM的非恒定曲率曲.
- 这项技术在微创骨科手术中增强了控制和导航的前景.
