Towards FBG-Based Shape Sensing for Micro-Scale and Meso-Scale Continuum Robots With Large Deflection

偏转(物理) 机器人 曲率 光纤布拉格光栅 材料科学 计算机科学 声学 光学 机械工程 物理 人工智能 工程类 光纤 数学 几何学
作者
Yash Chitalia,Nancy J. Deaton,Seokhwan Jeong,Nahian Rahman,Jaydev P. Desai
出处
期刊:IEEE robotics and automation letters 卷期号:5 (2): 1712-1719 被引量:46
标识
DOI:10.1109/lra.2020.2969934
摘要

Endovascular and endoscopic surgical procedures require micro-scale and meso-scale continuum robotic tools to navigate complex anatomical structures. In numerous studies, fiber Bragg grating (FBG) based shape sensing has been used for measuring the deflection of continuum robots on larger scales, but has proved to be a challenge for micro-scale and meso-scale robots with large deflections. In this letter, we have developed a sensor by mounting an FBG fiber within a micromachined nitinol tube whose neutral axis is shifted to one side due to the machining. This shifting of the neutral axis allows the FBG core to experience compressive strain when the tube bends. The fabrication method of the sensor has been explicitly detailed and the sensor has been tested with two tendon-driven micro-scale and meso-scale continuum robots with outer diameters of 0.41 mm and 1.93 mm respectively. The compact sensor allows repeatable and reliable estimates of the shape of both scales of robots with minimal hysteresis. We propose an analytical model to derive the curvature of the robot joints from FBG fiber strain and a static model that relates joint curvature to the tendon force. Finally, as proof-of-concept, we demonstrate the feasibility of our sensor assembly by combining tendon force feedback and the FBG strain feedback to generate reliable estimates of joint angles for the meso-scale robot.

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