31、光纤在紧凑同心管机构中的力传感及聚合物软驱动器的机电特性研究

光纤在紧凑同心管机构中的力传感及聚合物软驱动器的机电特性研究

1. FBG 传感器在紧凑同心管机构中的力传感

1.1 FBG 力与波长偏移关系

在光纤布拉格光栅（FBG）中，力与波长偏移呈现线性关系。当远端尖端负载增加时，波长偏移成比例增加。两个 FBG 的斜率可以用校准矩阵 (K) 表示：
[
K =
\begin{bmatrix}
0.0978 & -0.1181 \
0.0189 & 0.0087
\end{bmatrix}
]
要从 FBG 波长计算尖端力，需使用校准矩阵的伪逆 (K_1)，公式为：
[
F = K_1\Delta\lambda
]
其中 (F) 是尖端力，(\Delta\lambda) 是波长偏移，且
[
K_1 =
\begin{bmatrix}
2.8219 & 38.3075 \
-6.1305 & 31.7229
\end{bmatrix}
]

1.2 实验过程

为测试紧凑同心管机器人（CTR）在临床环境中的力传感能力，进行了人体尸体口腔和鼻腔扫描实验。
- 口腔扫描 ：
1. 将 CTR 安装在支架上并插入口腔。
2. 预编程使其在 40 度角度内扫描口腔，并沿喉咙横向平移。
3. 实时记录两个 FBG 的传感器数据 80 秒，并根据校准矩阵 (K_1) 转换为力数据。

在扫描过程中，在