用于机器人辅助玻璃体视网膜手术的3自由度力传感电动微镊子

在玻璃体视网膜手术中，膜剥离是一个典型任务，其中通过微镊子施加非常细微的力将一层纤维组织从视网膜上剥离，这些力在外科医生看来大多是不可感知的。之前我们开发了基于光纤布拉格光栅（FBG）应变传感器的敏感眼科手术工具，已证明能够精确检测工具尖端在与工具轴垂直的两个自由度上的力。本文提出了一种新设计，采用额外的传感器捕获沿工具轴的拉伸力。抓取功能通过一个紧凑的电动单元提供。为了计算力，我们研究了两种不同的拟合方法：线性回归和基于二阶伯恩斯坦多项式的非线性拟合。我们进行实验来测试传感器输出的重复性，校准传感器并验证其性能。结果表明传感器波长的重复性在2皮米内。虽然线性方法在测量横向力方面提供了足够的准确性，但在轴向方向上即使面对受限的力的大小和方向，它的均方根（rms）误差超过3毫牛。在另一方面，非线性方法在整个力范围内（0-25毫牛）提供了更一致和准确的横向和轴向力测量。验证包括随机样本表明，我们使用非线性力计算方法的工具能够在横向平面下预测3-D力，其均方根误差低于0.15毫牛，轴向方向的准确性在2毫牛内。