CN118936712B - 一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，属于光纤传感技术领域；包括如下步骤：制备三维力传感器，包括夹钳头、弹性体和传动部件，弹性体轴向方向的一端与夹钳头连接，夹钳头用于夹取组织；弹性体轴向方向的另一端设置有传动部件；弹性体上呈中心对称分布设置有三组腐蚀阶梯减径光纤光栅；当三维力传感器的夹钳头夹取组织时，构建弹性体的力学模型，建立腐蚀阶梯减径光纤光栅的中心波长漂移量与温度和三维力的关系，求得力与温度灵敏度矩阵；对三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的中心波长数值解耦测得三维力与温度；采用长短期记忆神经网络LSTM进行网络参数训练；通过随机森林算法对夹钳夹取的组织的类型进行分类输出。

Description

一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法。

背景技术

在机器人辅助微创手术过程中，由于受限于切口的大小，医生的视野受到了限制，同时也丧失了医生对于患者组织的触觉感受，无法对患者组织进行特性评估，导致用力过度对患者组织造成创伤，影响手术的自然进程，以及术中及术后并发症等多种问题。现有的力传感器多为电类传感器，其发展相对较为成熟，但存在灵敏度受限、电磁干扰和交叉干扰等不足，且环境适应性较差。

近年来，增材制造技术在光纤传感器的加工和制造中展现出了巨大的潜力。这种技术的主要优点在于它可以实现复杂结构的制造，并且能够在多种材料之间进行无缝转换。通过这种技术，可以将弹性体与敏感元件集成在一起，制造出更加微型化的传感器。

因此，基于上述现状，提供一种尺寸更小、操作灵活、同时对三维力和温度进行解耦和容错测量的金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，对于减小意外创伤，降低手术痛苦和并发症，是非常必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种对手术过程夹钳端三维力及温度的同步测量、具有一定容错能力的金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法。

本发明提供了一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，包括如下步骤：

S1：预先制备三维力传感器，所述三维力传感器包括夹钳头、弹性体和传动部件，弹性体轴向方向的一端与夹钳头连接，夹钳头用于夹取组织；弹性体轴向方向的另一端设置有传动部件，传动部件穿过弹性体与夹钳头传动连接；弹性体上呈中心对称分布设置有三组腐蚀阶梯减径光纤光栅；

S2：当三维力传感器的夹钳头夹取组织时，构建弹性体的力学模型，得到三维力作用下的弹性体的应变，结合三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的温度灵敏度系数，建立腐蚀阶梯减径光纤光栅的中心波长漂移量与温度和三维力的关系，求得力与温度灵敏度矩阵；

S3：通过求解力与温度灵敏度矩阵的广义逆矩阵作为标定矩阵，对三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的中心波长数值解耦测得三维力与温度；

S4：对三维力时间序列数据进行滤波并构造训练样本，采用长短期记忆神经网络LSTM进行网络参数训练；训练完成后，根据当前输入的三维力数据对应的样本，结合历史无故障三维力数据和当前时刻之前的无故障三维力数据，对当前时刻的三维力数据预测并恢复后续交互力测量数据，实现腐蚀阶梯减径光纤光栅故障下的三维力解耦的容错输出；

S5：结合三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的中心波长漂移量信息，通过随机森林算法对夹钳夹取的组织的类型进行分类输出。

在以上技术方案的基础上，优选的，所述弹性体包括中空的双层筒体、两膜片和若干弧形连接部；双层筒体的外筒体内部中心处同轴的设置有内筒体，内筒体轴向延伸的两端部与外筒体轴向延伸的两端部分别固定连接；外筒体端部中心处设置有轴向贯通的第一通孔，第一通孔与内筒体内部连通；位于外筒体内表面和内筒体外表面之间的端面上开设有若干贯通的第二通孔，第二通孔沿着外筒体的轴向方向延伸且贯通设置；若干第二通孔相对于第一通孔呈中心对称设置；

两膜片间隔的设置在外筒体轴向延伸的端部外侧，并与外筒体间隔设置，两膜片中心处均设置有贯通的第三通孔，两膜片边缘还设置有若干光纤固定孔，光纤固定孔一方面沿着外筒体的轴向方向贯通设置，另一方面还沿着膜片的径向方向向外延伸；第三通孔与第一通孔相互连通；若干第二通孔与若干光纤固定孔一一对应相互连通设置；两膜片的直径与外筒体的直径相当；

若干弧形连接部设置在两膜片与外筒体的端面之间，弧形连接部分别与两膜片与外筒体固定连接，弧形连接部靠近外筒体的一端与第二通孔的轮廓相切，弧形连接部远离外筒体的一端与光纤固定孔的边缘平齐；若干弧形连接部的内表面位于同一虚拟圆柱上，虚拟圆柱与内筒体同轴设置，且虚拟圆柱的直径大于第一通孔，虚拟圆柱的直径小于外筒体的内径；

所述传动部件顺次穿过第一通孔和第三通孔，并与夹钳头传动连接；三组腐蚀阶梯减径光纤光栅穿过光纤固定孔和第二通孔，且两膜片之间的阶梯减径光纤光栅处于悬置张紧状态，阶梯减径光纤光栅的悬置张紧段的长度与外筒体的轴向长度相同。

优选的，所述三组腐蚀阶梯减径光纤光栅均包括金属化光纤，金属化光纤上设置有栅区，栅区包括顺次设置的正常段和腐蚀阶梯减径段；栅区轴向延伸方向的两端间隔的设置有金属镀镍层，金属镀镍层与光纤固定孔的内表面固定连接。

进一步优选的，所述弹性体的制备方法为：通过打印钛合金粉末的增材制造的方法加工出外筒体、内筒体、两膜片和若干弧形连接部，预留各第二通孔和光纤固定孔的一半，然后将腐蚀阶梯减径光纤光栅放置在对应设置的半个第二通孔和光纤固定孔中，接着通过激光扫描打印钛合金粉末制备出完整的第二通孔和光纤固定孔将腐蚀阶梯减径光纤光栅进行固定，进而依次将三组腐蚀阶梯减径光纤光栅和传动部件穿置在弹性体上。

进一步优选的，步骤S2的具体内容为：

三维力传感器受到轴向力Fz、横向力F _X 、纵向力F _y 和温度的影响；

当三维力传感器仅受轴向力Fz作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的悬置张紧段的应变为：；则弹性体仅受轴向力Fz作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和分别为悬置张紧的腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段产生的中心波长波长漂移量，和分别为悬置张紧的腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段的初始中心波长，；C为腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段的应变灵敏度比值；和为弹性体仅受轴向力Fz作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度；为光纤纤芯的有效弹光系数；

当三维力传感器仅受到横向力F _X 作用时，弹性体发生横向形变，将三组腐蚀阶梯减径光纤光栅分别命名为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅、第二腐蚀阶梯减径光纤光栅和第三腐蚀阶梯减径光纤光栅；第一腐蚀阶梯减径光纤光栅发生与第二腐蚀阶梯减径光纤光栅方向相反的形变，且第二腐蚀阶梯减径光纤光栅的形变为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅形变的一半；第二腐蚀阶梯减径光纤光栅发生与第三腐蚀阶梯减径光纤光栅大小相等方向相同的形变，满足，其中为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅发生的形变，为第二腐蚀阶梯减径光纤光栅发生的形变，为第三腐蚀阶梯减径光纤光栅发生的形变；因此，当弹性体仅受横向力F _X 作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和为弹性体仅受横向力F _X 作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度；

当三维力传感器仅受纵向力F _y 作用时，弹性体发生纵向形变，第一腐蚀阶梯减径光纤光栅位于中性层上，第二腐蚀阶梯减径光纤光栅发生与第三腐蚀阶梯减径光纤光栅大小相等方向相反的形变，令第二腐蚀阶梯减径光纤光栅和第三腐蚀阶梯减径光纤光栅在纵向力F _y 作用时发生的形变为和，则弹性体仅受纵向力F _y 作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和为弹性体仅受纵向力F _y 作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度；

当环境温度发生变化时，由于光纤的热光效应、热膨胀效应以及内部热应力引起的弹光效应，光纤的中心波长会发生漂移，在温度的影响下三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和为三组腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段在温度作用下的波长漂移；腐蚀阶梯减径光纤光栅的相对温度灵敏度系数为，为腐蚀阶梯减径光纤光栅的热光系数，为腐蚀阶梯减径光纤光栅的线性热膨胀系数；和分别为弹性体仅受温度影响下的各腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段的温度灵敏度；

综合上述力与温度单独作用的情形，得到三组腐蚀阶梯减径光纤光栅反射谱的中心波长漂移量与三维力和温度的关系矩阵为：，其中为各腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段的中心波长漂移量，为力与温度灵敏度矩阵。

更进一步优选的，步骤S3的内容为：通过求解灵敏度矩阵的广义逆矩阵作为标定矩阵，通过各腐蚀阶梯减径光纤光栅的正常段和腐蚀阶梯减径段的中心波长漂移量、求解三维力和温度：。

再进一步优选的，步骤S4的内容为：采用卡尔曼滤波方法对历史测量的三维力传感器的三维力时间序列数据进行滤波，对滤波后的三维力时间序列数据进行归一化处理；将归一化处理后的三维力时间序列数据划分为训练集和测试集，其中训练集用于建立模型，测试集用于验证模型的泛化能力；滑动时间窗构建训练样本，搭建LSTM神经网络模型，利用训练集对LSTM神经网络模型的参数进行训练。

更进一步的优选的，步骤S5的内容为：采用随机森林算法，对夹钳头夹持的组织进行分类，以解耦计算得到的三维力为随机森林算法的输入集，以组织类别为输出，在随机森林算法的训练过程中，设置决策树数目为100，最小叶子数为1，每个树的特征选择的候选特征数量为2，将输入集中的70%作为训练集，将输入集中剩余的30%作为测试集，对训练后的随机森林算法进行验证。

进一步优选的，所述腐蚀阶梯减径光纤光栅的直径为125μm，栅区长度为3mm，正常段和腐蚀阶梯减径段各包含一半的栅区。

本发明提供的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）通过设置的弹性体感知模块实现了对三维力和温度的测量；利用减径光纤光栅作为感知元件，使传感器整体结构更加紧凑，能够排除温度变化对测量精度的影响并具有良好的抗电磁干扰性能；通过自封闭式的结构设计、兼具生物相容性和耐腐蚀性的钛合金弹性金属材料以及与增材制造工艺相结合封装方式，使传感器具有在组织液体侵蚀环境和高温消毒环境下的极强适应性；

（2）通过双层膜片的结构设计、引入减径段光纤光栅和对光纤光栅预紧使其悬置布置，使传感器获得极高的灵敏度，使弹性体与三组腐蚀阶梯减径光纤光栅构成的力感知模块同时对温度和三维力的变化更加敏感；

（3）通过引入金属增材技术实现传感器夹钳端、弹性体、集成端、柔性金属管和金属化减径光纤的一体式制造与封装，在3D打印的过程中直接将腐蚀阶梯减径光纤光栅嵌入，可以降低蠕变，提高弹性体和腐蚀阶梯减径光纤光栅整体的稳定性和精度；通过夹钳腕部力原位测量，可减少力的传递路径，降低光纤嵌入的扰动，提高传感器的精度和稳定性；

（4）腐蚀减径光纤光栅可以为传感器提供丰富的多通道中心波长数据，结合长短期记忆神经网络算法，赋予传感器容错式测量能力，进一步提高传感器的可靠性，即便一根或者两根腐蚀阶梯减径光纤光栅故障仍可继续可靠的使用；通过引入随机森林算法, 对夹持过程中不同机械性能的组织进行分类和预测，使传感器具有更加广泛的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法的三维力传感器与夹钳整体的立体图；

图2为图1的爆炸状态立体图；

图3为本发明一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法的弹性体以及腐蚀阶梯减径光纤光栅的示意图；

图4为本发明一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法的增程制造过程示意图；

图5为本发明一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法的腐蚀阶梯减径光纤光栅嵌入弹性体的受力前后的光谱图；

图6为本发明一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法的LSTM网络算法的数据恢复流程图；

图7为本发明一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法的基于随机森林算法的组织识别流程图。

附图标记：1、夹钳头；2、弹性体；3、集成端；4、柔性金属管；5、镍钛合金丝；6、销孔；7、腐蚀阶梯减径光纤光栅；8、光纤固定孔；9、销钉固定孔；10、夹钳端；11、膜片；12、双层筒体；13、弧形连接部；101、金属镀镍层；102-正常段；103-腐蚀阶梯减径段；104-第一腐蚀阶梯减径光纤光栅，105-第二腐蚀阶梯减径光纤光栅；106-第三腐蚀阶梯减径光纤光栅，107-子母销钉，108-驱动丝连接件，109-销钉；100、第一通孔；200、第二通孔；300、第三通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明提供了一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，包括如下步骤：

S1：预先制备三维力传感器，三维力传感器包括夹钳头1、弹性体2和传动部件，弹性体2轴向方向的一端与夹钳头1连接，夹钳头1用于夹取组织；弹性体2轴向方向的另一端设置有传动部件，传动部件穿过弹性体2与夹钳头1传动连接；弹性体2上呈中心对称分布设置有三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7。

图1中的虚线框为弹性体2的局部放大立体图、A-A向断面图和B-B向断面图。弹性体2的一端具有向外延伸的夹钳端10，夹钳端用于与夹钳头1连接；传动部件包括柔性金属管4、镍钛合金丝5、销钉固定孔9、驱动丝连接件108、和销钉109，弹性体2的另一端具有向外延伸的集成端3，用于装配传动部件，集成端3设置有柔性金属管4和镍钛合金丝5；夹钳头1为单开口设计，夹钳头1内配置有两个不同销钉固定孔9和驱动丝连接件108，通过采用激光焊接技术将销钉固定于夹钳端10，提高结构的可靠性。驱动丝连接件108的末端设置有镍钛合金丝固定孔，镍钛合金丝5顺次穿过柔性金属管4和弹性体2，且一端嵌入端部嵌入镍钛合金丝固定孔中，提高结构强度并简化安装过程。三维力传感器的传动部件的主体部分仅通过两颗子母销钉107和销钉109与销孔6配合，即可完成安装。夹钳头的活动部分通过销钉与固定部分铰连接，还通过销钉与镍钛合金丝5进行固定，从而实现夹钳头的开启和闭合加持功能。

如图1结合图2和图3所示，图1的A-A断面图和B-B断面图展示了弹性体2包括中空的双层筒体12、两膜片11和若干弧形连接部13；双层筒体12的外筒体内部中心处同轴的设置有内筒体，内筒体轴向延伸的两端部与外筒体轴向延伸的两端部分别固定连接；外筒体端部中心处设置有轴向贯通的第一通孔100，第一通孔100与内筒体内部连通；位于外筒体内表面和内筒体外表面之间的端面上开设有若干贯通的第二通孔200，第二通孔200沿着外筒体的轴向方向延伸且贯通设置；若干第二通孔200相对于第一通孔100呈中心对称设置。

两膜片11间隔的设置在外筒体轴向延伸的端部外侧，并与外筒体间隔设置，两膜片11中心处均设置有贯通的第三通孔300，两膜片11边缘还设置有若干光纤固定孔8，光纤固定孔8一方面沿着外筒体的轴向方向贯通设置，另一方面还沿着膜片11的径向方向向外延伸；第三通孔300与第一通孔100相互连通；若干第二通孔200与若干光纤固定孔8一一对应相互连通设置；两膜片11的直径与外筒体的直径相当。双层筒体12的结构，可以用于连通镍钛合金丝和保护光纤不受组织液体侵蚀，两膜片11结构可以提高三维力传感器轴向力灵敏度。

若干弧形连接部13设置在两膜片11与外筒体的端面之间，弧形连接部13分别与两膜片11与外筒体固定连接，弧形连接部13靠近外筒体的一端与第二通孔200的轮廓相切，弧形连接部13远离外筒体的一端与光纤固定孔8的边缘平齐；若干弧形连接部13的内表面位于同一虚拟圆柱上，虚拟圆柱与内筒体同轴设置，且虚拟圆柱的直径大于第一通孔100，虚拟圆柱的直径小于外筒体的内径。图3下方的示意图中，各第二通孔200的中心轴也分布在一个虚线圆上，为该虚线圆的半径，即第一通孔100到第二通孔200的距离。

传动部件顺次穿过第一通孔100和第三通孔300，并与夹钳头1传动连接；三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7穿过光纤固定孔8和第二通孔200，且两膜片11之间的阶梯减径光纤光栅处于悬置张紧状态，阶梯减径光纤光栅的悬置张紧段的长度与外筒体的轴向长度相同。

三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7均包括金属化光纤，金属化光纤上设置有栅区，栅区包括顺次设置的正常段102和腐蚀阶梯减径段103；栅区轴向延伸方向的两端间隔的设置有金属镀镍层101，金属镀镍层101与光纤固定孔8的内表面固定连接。腐蚀阶梯减径光纤光栅7与弹性体2的固定部分采用金属镀镍层101进行金属化，以保护光纤光栅，使其能够张紧悬置的嵌入弹性体2中。腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段用102表示，腐蚀阶梯减径段用103表示。将三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7分别命名为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅104、第二腐蚀阶梯减径光纤光栅105和第三腐蚀阶梯减径光纤光栅106。

作为一种优选的实施方式，腐蚀阶梯减径光纤光栅7的直径为125μm，栅区长度为3mm，正常段和腐蚀阶梯减径段各包含一半的栅区。第一腐蚀阶梯减径光纤光栅104、第二腐蚀阶梯减径光纤光栅105和第三腐蚀阶梯减径光纤光栅106均平行于弹性体的中心轴圆周均匀分布，相邻腐蚀阶梯减径光纤光栅的中心轴的夹角为120°，可以防止光纤啁啾，提高三维力传感器的机械性能，同时减小三维力传感器重复性误差。

参照图4所示，弹性体2的制备方法为：通过打印钛合金粉末的增材制造的方法加工出外筒体、内筒体、两膜片11和若干弧形连接部13，预留各第二通孔200和光纤固定孔8的一半，然后将腐蚀阶梯减径光纤光栅7放置在对应设置的半个第二通孔200和光纤固定孔8中，接着通过激光扫描打印钛合金粉末制备出完整的第二通孔200和光纤固定孔8将腐蚀阶梯减径光纤光栅7进行固定，进而依次将三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7和传动部件穿置在弹性体2上。即采用由下至少得打印方式，打印到第一通孔100、第二通孔和第三通孔300时，暂定打印，以便放置腐蚀阶梯减径光纤光栅7和镍钛合金丝5，在打印的过程中，即可完成腐蚀阶梯减径光纤光栅7的金属镀镍层101与膜片的固化过程。图4中标记的金属化光纤，即指代的是具有金属镀镍层101的腐蚀阶梯减径光纤光栅7。图5为腐蚀阶梯减径光纤光栅嵌入弹性体的受力前后的光谱图，当嵌入弹性体内的腐蚀阶梯减径光纤光栅受到同一个外力作用时，栅区的正常段102和腐蚀阶梯减径段103的中心波长会产生两个不同的偏移量。

类似的，夹钳端10、夹钳头1、驱动丝连接件108、弹性体2以及集成端3通过增材制造技术制备，材料为钛合金，这样制备的三维力传感器具有良好的生物相容性。

S2：当三维力传感器的夹钳头1夹取组织时，构建弹性体2的力学模型，得到三维力作用下的弹性体2的应变，结合三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的温度灵敏度系数，建立腐蚀阶梯减径光纤光栅7的中心波长漂移量与温度和三维力的关系，求得力与温度灵敏度矩阵。

步骤S2的具体内容为：

三维力传感器受到轴向力Fz、横向力F _X 、纵向力F _y 和温度的影响。

当力作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅7两段栅区产生不同程度的应变，结合材料力学可知力作用下正常段102与腐蚀阶梯减径段103的应变值应满足：，其中为第个悬置张紧的腐蚀阶梯减径光纤光栅7产生的应变，和表示第个悬置张紧的腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段102与腐蚀阶梯减径段103的应变，。

当三维力传感器仅受轴向力Fz作用时，弹性体2发生轴向形变，结合结构力学得到弹性体2）的拉压变形：，其中是外筒体的轴向长度，是弧形连接部13的轴向长度，是外筒体除开两端部封闭区域的厚度，是腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段102的轴向长度，是腐蚀阶梯减径光纤光栅7的腐蚀阶梯减径段103的轴向长度，和分别是弹性体2的弹性模量和腐蚀阶梯减径光纤光栅7的弹性模量，是弧形连接部13的径向截面积，是外筒体非端部位置的截面积，为膜片11的径向截面积，为腐蚀阶梯减径光纤光栅7的径向截面积，为膜片11的厚度，为弹性体2的弹性模量，为弹性体2的径向截面积。

假设膜片在轴向力Fz作用下发生小挠度变形，仅考虑膜片垂直方向的弯曲变形，可得极坐标下的弯曲微分方程：其中膜片的弯曲刚度，为膜片11的泊松比；施加荷载；，为膜片11边界尺寸，代入边界条件：，解得膜片中心产生的最大挠度，考虑膜片中心处有第三通孔300，取边界条件为：。

得到膜片的最大挠度为：，其中为膜片11的外径； 为两膜片11间的弹性体2的外径；

弹性体2采样双模片结构，外筒体和内筒体对膜片12产生反作用力Fz，根据最小变形理论求得反作用力Fz作用下的膜片11的最大挠度为：；

联立上述内容，得到三维力传感器仅受轴向力Fz作用时三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的悬置张紧段的应变均为；；则弹性体2仅受轴向力Fz作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和分别为悬置张紧的腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段产生的中心波长波长漂移量，和分别为悬置张紧的腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段的初始中心波长；腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段的应变灵敏度比值；和为弹性体2仅受轴向力Fz作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度；为光纤纤芯的有效弹光系数。

当三维力传感器受横向力F _X 作用时，弹性体2发生横向形变，第一腐蚀阶梯减径光纤光栅104发生与第二腐蚀阶梯减径光纤光栅105方向相反的形变，且第二腐蚀阶梯减径光纤光栅105的形变为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅104形变的一半；第二腐蚀阶梯减径光纤光栅105发生与第三腐蚀阶梯减径光纤光栅106大小相等方向相同的形变。满足，其中为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅104发生的形变，为第二腐蚀阶梯减径光纤光栅105发生的形变，为第三腐蚀阶梯减径光纤光栅106发生的形变。

当三维力传感器受横向力F _X 作用时，弹性体2的第一处弧形连接部13在x方向的位移为：，其中和分别是第一处弧形连接部13和腐蚀阶梯减径光纤光栅7的惯性矩；为横向力受力点到相邻膜片的距离；

当三维力传感器受横向力F _X 作用时，弹性体2的第一个膜片在x方向的位移为：，其中是膜片的惯性矩；

当三维力传感器受横向力F _X 作用时，弹性体2的双层筒体12在x方向的位移为：，其中是双层筒体12的惯性矩；

当三维力传感器受横向力F _X 作用时，弹性体2的第二个膜片在x方向的位移为：；

当三维力传感器受横向力F _X 作用时，弹性体2的第一处弧形连接部13在x方向的位移为：。

根据小变形理论，可以得到第一悬置光纤的应变为：满足，结合上式求得、和。

因此，三维力传感器仅受横向力F _X 作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和为弹性体2仅受横向力F _X 作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度；

当三维力传感器仅受纵向力F _y 作用时，弹性体2发生纵向形变，第一腐蚀阶梯减径光纤光栅104位于中性层上，第二腐蚀阶梯减径光纤光栅105发生与第三腐蚀阶梯减径光纤光栅106大小相等方向相反的形变，令第二腐蚀阶梯减径光纤光栅105和第三腐蚀阶梯减径光纤光栅106在纵向力F _y 作用时发生的形变为和。

。

则三维力传感器仅受纵向力F _y 作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和为弹性体2仅受纵向力F _y 作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度。

当环境温度发生变化时，由于光纤的热光效应、热膨胀效应以及内部热应力引起的弹光效应，光纤的中心波长会发生漂移，在温度的影响下三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和为三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段在温度作用下的波长漂移；腐蚀阶梯减径光纤光栅7的相对温度灵敏度系数为，为腐蚀阶梯减径光纤光栅7的热光系数，为腐蚀阶梯减径光纤光栅7的线性热膨胀系数；和分别为弹性体2仅受温度影响下的各腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段的温度灵敏度；

综合上述力与温度单独作用的情形，得到三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7反射谱的中心波长漂移量与三维力和温度的关系矩阵为：，其中为各腐蚀阶梯减径光纤光栅7的正常段和腐蚀阶梯减径段的中心波长漂移量，为力与温度灵敏度矩阵。

S3：通过求解力与温度灵敏度矩阵的广义逆矩阵作为标定矩阵，对三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的中心波长数值解耦测得三维力与温度。

具体内容为：通过求解灵敏度矩阵的广义逆矩阵作为标定矩阵，通过各腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的中心波长漂移量求解三维力和温度：。

S4：对三维力时间序列数据进行滤波并构造训练样本，采用长短期记忆神经网络LSTM进行网络参数训练；训练完成后，根据当前输入的三维力数据对应的样本，结合历史无故障三维力数据和当前时刻之前的无故障三维力数据，对当前时刻的三维力数据预测并恢复后续交互力测量数据，实现腐蚀阶梯减径光纤光栅7故障下的三维力解耦的容错输出。

步骤S4的内容为：采用卡尔曼滤波方法对历史测量的三维力传感器的三维力时间序列数据进行滤波，对滤波后的三维力时间序列数据进行归一化处理；将归一化处理后的三维力时间序列数据划分为训练集和测试集，其中训练集用于建立模型，测试集用于验证模型的泛化能力；滑动时间窗构建训练样本，搭建LSTM神经网络模型，利用训练集对LSTM神经网络模型的参数进行训练。如图6所示，图片展示了向经过训练的LSTM网络算法输入故障前的三维力时间序列数据进行当前时刻三维力数据恢复的流程图。

S5：结合三组腐蚀阶梯减径光纤光栅7的中心波长漂移量信息，通过随机森林算法对夹钳夹取的组织的类型进行分类输出。

步骤S5的内容为：采用随机森林算法，对夹钳头1夹持的组织进行分类，如图7所示，图示提供了基于随机森林算法的组织识别流程图。以解耦计算得到的三维力为随机森林算法的输入集，以组织类别为输出，在随机森林算法的训练过程中，设置决策树数目为100，最小叶子数为1，每个树的特征选择的候选特征数量为2，将输入集中的70%作为训练集，将输入集中剩余的30%作为测试集，对训练后的随机森林算法进行验证。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：预先制备三维力传感器，所述三维力传感器包括夹钳头（1）、弹性体（2）和传动部件，弹性体（2）轴向方向的一端与夹钳头（1）连接，夹钳头（1）用于夹取组织；弹性体（2）轴向方向的另一端设置有传动部件，传动部件穿过弹性体（2）与夹钳头（1）传动连接；弹性体（2）上呈中心对称分布设置有三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）；

S2：当三维力传感器的夹钳头（1）夹取组织时，构建弹性体（2）的力学模型，得到三维力作用下的弹性体（2）的应变，结合三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的温度灵敏度系数，建立腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的中心波长漂移量与温度和三维力的关系，求得力与温度灵敏度矩阵；

S3：通过求解力与温度灵敏度矩阵的广义逆矩阵作为标定矩阵，对三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的中心波长数值解耦测得三维力与温度；

S4：对三维力时间序列数据进行滤波并构造训练样本，采用长短期记忆神经网络LSTM进行网络参数训练；训练完成后，根据当前输入的三维力数据对应的样本，结合历史无故障三维力数据和当前时刻之前的无故障三维力数据，对当前时刻的三维力数据预测并恢复后续交互力测量数据，实现腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）故障下的三维力解耦的容错输出；

S5：结合三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的中心波长漂移量信息，通过随机森林算法对夹钳夹取的组织的类型进行分类输出。

2.根据权利要求1所述的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，所述弹性体（2）包括中空的双层筒体（12）、两膜片（11）和若干弧形连接部；双层筒体（12）的外筒体内部中心处同轴的设置有内筒体，内筒体轴向延伸的两端部与外筒体轴向延伸的两端部分别固定连接；外筒体端部中心处设置有轴向贯通的第一通孔（100），第一通孔（100）与内筒体内部连通；位于外筒体内表面和内筒体外表面之间的端面上开设有若干贯通的第二通孔（200），第二通孔（200）沿着外筒体的轴向方向延伸且贯通设置；若干第二通孔（200）相对于第一通孔（100）呈中心对称设置；

两膜片（11）间隔的设置在外筒体轴向延伸的端部外侧，并与外筒体间隔设置，两膜片（11）中心处均设置有贯通的第三通孔（300），两膜片（11）边缘还设置有若干光纤固定孔（8），光纤固定孔（8）一方面沿着外筒体的轴向方向贯通设置，另一方面还沿着膜片（11）的径向方向向外延伸；第三通孔（300）与第一通孔（100）相互连通；若干第二通孔（200）与若干光纤固定孔（8）一一对应相互连通设置；两膜片（11）的直径与外筒体的直径相当；

若干弧形连接部设置在两膜片（11）与外筒体的端面之间，弧形连接部分别与两膜片（11）与外筒体固定连接，弧形连接部靠近外筒体的一端与第二通孔（200）的轮廓相切，弧形连接部远离外筒体的一端与光纤固定孔（8）的边缘平齐；若干弧形连接部的内表面位于同一虚拟圆柱上，虚拟圆柱与内筒体同轴设置，且虚拟圆柱的直径大于第一通孔（100），虚拟圆柱的直径小于外筒体的内径；

所述传动部件顺次穿过第一通孔（100）和第三通孔（300），并与夹钳头（1）传动连接；三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）穿过光纤固定孔（8）和第二通孔（200），且两膜片（11）之间的阶梯减径光纤光栅处于悬置张紧状态，阶梯减径光纤光栅的悬置张紧段的长度与外筒体的轴向长度相同。

3.根据权利要求2所述的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，所述三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）均包括金属化光纤，金属化光纤上设置有栅区，栅区包括顺次设置的正常段和腐蚀阶梯减径段；栅区轴向延伸方向的两端间隔的设置有金属镀镍层，金属镀镍层与光纤固定孔（8）的内表面固定连接。

4.根据权利要求3所述的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，所述弹性体（2）的制备方法为：通过打印钛合金粉末的增材制造的方法加工出外筒体、内筒体、两膜片（11）和若干弧形连接部，预留各第二通孔（200）和光纤固定孔（8）的一半，然后将腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）放置在对应设置的半个第二通孔（200）和光纤固定孔（8）中，接着通过激光扫描打印钛合金粉末制备出完整的第二通孔（200）和光纤固定孔（8）将腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）进行固定，进而依次将三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）和传动部件穿置在弹性体（2）上。

5.根据权利要求3所述的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，步骤S2的具体内容为：

三维力传感器受到轴向力Fz、横向力F _X 、纵向力F _y 和温度的影响；

当三维力传感器仅受轴向力Fz作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的悬置张紧段的应变为：；则弹性体（2）仅受轴向力Fz作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和分别为悬置张紧的腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段产生的中心波长波长漂移量，和分别为悬置张紧的腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的初始中心波长，；C为腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的应变灵敏度比值；和为弹性体（2）仅受轴向力Fz作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度；为光纤纤芯的有效弹光系数；

当三维力传感器仅受到横向力F _X 作用时，弹性体（2）发生横向形变，将三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）分别命名为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅、第二腐蚀阶梯减径光纤光栅和第三腐蚀阶梯减径光纤光栅；第一腐蚀阶梯减径光纤光栅发生与第二腐蚀阶梯减径光纤光栅方向相反的形变，且第二腐蚀阶梯减径光纤光栅的形变为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅形变的一半；第二腐蚀阶梯减径光纤光栅发生与第三腐蚀阶梯减径光纤光栅大小相等方向相同的形变，满足，其中为第一腐蚀阶梯减径光纤光栅发生的形变，为第二腐蚀阶梯减径光纤光栅发生的形变，为第三腐蚀阶梯减径光纤光栅发生的形变；因此，当弹性体（2）仅受横向力F _X 作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和为弹性体（2）仅受横向力F _X 作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度；

当三维力传感器仅受纵向力F _y 作用时，弹性体（2）发生纵向形变，第一腐蚀阶梯减径光纤光栅位于中性层上，第二腐蚀阶梯减径光纤光栅发生与第三腐蚀阶梯减径光纤光栅大小相等方向相反的形变，令第二腐蚀阶梯减径光纤光栅和第三腐蚀阶梯减径光纤光栅在纵向力F _y 作用时发生的形变为和，则弹性体（2）仅受纵向力F _y 作用时，三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：，其中和为弹性体（2）仅受纵向力F _y 作用时腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的力灵敏度；

当环境温度发生变化时，由于光纤的热光效应、热膨胀效应以及内部热应力引起的弹光效应，光纤的中心波长会发生漂移，在温度的影响下三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段对应的波长漂移为：

，其中和为三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段在温度作用下的波长漂移；腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的相对温度灵敏度系数为，为腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的热光系数，为腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的线性热膨胀系数；和分别为弹性体（2）仅受温度影响下的各腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的温度灵敏度；

综合上述力与温度单独作用的情形，得到三组腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）反射谱的中心波长漂移量与三维力和温度的关系矩阵为：

，其中为各腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的中心波长漂移量，为力与温度灵敏度矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，步骤S3的内容为：通过求解灵敏度矩阵的广义逆矩阵作为标定矩阵，通过各腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的正常段和腐蚀阶梯减径段的中心波长漂移量求解三维力和温度：。

7.根据权利要求6所述的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，步骤S4的内容为：采用卡尔曼滤波方法对历史测量的三维力传感器的三维力时间序列数据进行滤波，对滤波后的三维力时间序列数据进行归一化处理；将归一化处理后的三维力时间序列数据划分为训练集和测试集，其中训练集用于建立模型，测试集用于验证模型的泛化能力；滑动时间窗构建训练样本，搭建LSTM神经网络模型，利用训练集对LSTM神经网络模型的参数进行训练。

8.根据权利要求7所述的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，步骤S5的内容为：采用随机森林算法，对夹钳头（1）夹持的组织进行分类，以解耦计算得到的三维力为随机森林算法的输入集，以组织类别为输出，在随机森林算法的训练过程中，设置决策树数目为100，最小叶子数为1，每个树的特征选择的候选特征数量为2，将输入集中的70%作为训练集，将输入集中剩余的30%作为测试集，对训练后的随机森林算法进行验证。

9.根据权利要求3所述的一种金属增材引导的光纤内生共体夹钳的三维力检测方法，其特征在于，所述腐蚀阶梯减径光纤光栅（7）的直径为125μm，栅区长度为3mm，正常段和腐蚀阶梯减径段各包含一半的栅区。