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A High-Sensitivity Fiber Bragg Grating-Based Distal Force Sensor for Laparoscopic Surgery

光纤布拉格光栅 线性 悬臂梁 灵敏度(控制系统) 材料科学 有限元法 光纤传感器 光纤 光学 声学 纤维 电子工程 结构工程 工程类 物理 复合材料
作者
Chaoyang Shi,Ming Li,Changhu Lv,Jianmin Li,Shuxin Wang
出处
期刊:IEEE Sensors Journal [IEEE Sensors Council]
卷期号:20 (5): 2467-2475 被引量:35
标识
DOI:10.1109/jsen.2019.2951782
摘要

This paper presents a Fiber Bragg Grating (FBG)-based distal force sensor with a high sensitivity and a relatively large measurement range to provide force feedback for laparoscopic surgery. The proposed sensor design mainly consists of a force-sensitive flexure, one tightly suspended optical fiber embedded with an FBG sensing element and a contact head. The proposed flexure has been miniaturized based on improvement and optimization of a parallel structure form and a serial cantilever beam-based structure to achieve an excellent axial linear force-deformation relationship and a large measurement range. The optical fiber adopts a two-point pasting method, and has been tightly stretched and glued along the flexure’s central line to achieve improved sensitivity and avoid FBG chirping failure. Finite element method (FEM)-based simulation has been performed to investigate both static and dynamic performances of the proposed design. The simulation-enabled optimization has been implemented to achieve optimal structural parameters and enhanced sensitivity. The optimized design has been prototyped and calibrated to demonstrate an excellent linearity with a small linearity error of 0.14% and achieve a high resolution of 21mN within a measurement range of [0, 12N]. The further optimized version with the removal of small deformation constraint can reach a higher resolution of 9.3 mN within an operating range of [0, 7N]. Dynamic loading experiments have been conducted to validate the effectiveness of the proposed designs.

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