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摘要
手术探针末端的接触力反馈是保障手术安全性的重要因素之一。本文针对穿刺手术探针末端三维力测量的需求，研究了基于核极限学习机(KELM)神经网络的光纤传感微创手术探针末端三维力测量方法。首先，设计了可植入光纤传感器的手术探针结构，将4根光纤布拉格光栅(FBG)传感器植入探针中，其中3根FBG用于力测量，1根FBG用于温度补偿。接着通过分析探针应力和应变之间的关系，建立了基于FBG的探针三维力传感模型。同时为了消除温度变化对光纤传感器的交叉影响，研究了光纤传感温度补偿方法。最后，为了验证本文所研究测量方法的有效性，对植入光纤光栅的探针进行了温度标定，并分别在常温和变温环境下进行了三维力测量。实验结果表明：KELM网络测量结果在常温环境下X、Y、Z方向上平均测量误差为0.22%、0.99%、0.65%;在20℃～40℃的变温环境下，X、Y、Z方向上平均测量误差分别为1.32%、1.03%、2%,本文所研究的KELM神经网络末端三维力测量方法具有较小的测量误差，在手术机器人力反馈领域有广阔的应用前景。
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