機器人輔助腹腔鏡手術中力感知技術的研究進展

張建勛 姚 斌 代 煜 夏光明

1.南開大學人工智能學院，天津，3003502.南開大學機器人與信息自動化研究所，天津，300350

0 引言

20世紀末期，由于電視內窺鏡技術的誕生，腹腔鏡手術(laparoscopic surgery，LS)進入了前所未有的飛速發展時代。LS使用細長器械，通過幾個直徑約1 cm的小切口進入腹腔。外科醫生通過插入其中一個切口的內窺鏡觀察正在治療的部位，監控手術過程。LS作為開放手術的一種有效替代方法，通過消除大切口，大幅度減小了患者身體的損傷和術后疼痛，縮短了住院時間[1-2]。然而，LS也存在弊端：一是眼手協調性低，手術器械經皮膚表面的小切口進入腹腔，醫生的視覺和操作不同向，造成手眼不協調，極易迷失方向感；二是可操作性低，醫生因疲勞造成的手或手腕震顫被細長的器械軸放大至器械末端，影響手術質量；三是器械靈活性低，器械大多只有4個自由度，不如人手靈活、準確。隨著機器人技術的進步，機器人輔助腹腔鏡手術(robot-assisted laparoscopic surgery，RLS)系統取得了長足進展。在臨床應用中，許多RLS系統被開發出來，例如最成功的商業手術機器人系統——達芬奇(Da Vinci)。RLS克服了LS的上述不足，RLS系統一般采用主從式結構，視覺與操作同向，眼手協調性高；醫生坐在控制臺前完成手術，不易疲勞，舒適性更高；醫生控制的主手運動經比例縮小后映射到從手的手術器械，操作精度更高；RLS系統的手術器械一般具有7個自由度，比LS的器械具有更多的自由度，可以執行更復雜的手術操作[3]。因此RLS正逐漸成為外科手術的首選方法。

但對于外科醫生來說，RLS系統仍然存在一些局限性，其中最重要的是外科醫生失去了他們自然的力感知能力[4]，迫使外科醫生僅僅依靠視覺信息估計力，帶來新的手術風險[5-6]。為了提高手術的安全性，RLS系統需要感知包括組織操作(例如抓取、提升過程中的輕負荷轉移)、組織移除(例如膽囊的移除)以及組織縫合時的力，以防止用力過度。國內外多項實驗研究結果均表明，在RLS系統中引入力反饋技術，能使得手術動作更精細，從而降低接觸力峰值和均值，減少無意損傷，提高手術操作的成功率[7-10]。此外，力感知技術也提供了在觸診中檢測病變組織的能力[7]。

綜上所述，實現精準力感知對提高RLS系統的性能非常關鍵。本文回顧了研究人員提出的多種技術方案，綜述了力感知技術的研究進展。

1 研究進展

在應用于RLS的背景下，除了要求高精度、高穩定性和高安全性外，狹小的空間、潮濕的環境、電磁干擾和多次消毒等也需要考慮進來。從LS的大規模應用開始，到RLS系統逐漸進入手術室，出現了多種力感知技術。根據是否使用了傳感元件，將RLS系統中的力感知技術分為有力傳感器和無力傳感器兩大類。

1.1 有傳感器的力感知

有傳感器的力感知通過在手術器械上設計和安裝力傳感器實現。常規手術器械力傳感器位置一般分布見圖1。對于鉗形手術工具A，傳感器一般分布在①鉗爪處、②腕關節處、③體內的器械軸上、④穿刺器處；對于觸診工具B，僅③位置分布有傳感器。在RLS系統中，理想狀態是測量所有自由度的力，但這會使得傳感元件數量較多、傳感器結構復雜度升高，因此，前人設計的傳感器并非均實現了全自由度的測量。

圖1 力傳感器分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of force sensor distribution

本節將力傳感器根據原理分為基于電信號和基于光信號兩類，分析了設計結構、測量范圍、測量精度和電磁兼容性等多項關鍵指標，并討論了它們的優勢和局限。

1.1.1基于電信號的力傳感器

基于電信號的力傳感器根據原理的不同被分為基于電阻變化、壓電效應和電容變化三類。

1.1.1.1 基于電阻變化的力傳感器

基于電阻變化的力傳感器是利用半導體材料的壓阻效應或者金屬材料的應變效應制成的傳感器。材料受物理應力會引起檢測元件的電阻率或物理尺寸的變化，而電阻的變化是其電阻率和物理尺寸的函數，因此通過測量電路就可以得到正比于力變化的電信號輸出。電阻應變計在測力領域具有應用廣泛、測量技術成熟和價格便宜等優點，因此最早被應用于RLS系統的力感知技術中。

加拿大康考迪亞大學DARGAHI等[11]設計了一款鉗爪，位置見圖1中①，并在設計的鉗爪上沿軸向粘貼了兩個微應變計，用于測量抓取力的大小和位置?？拷Q爪自由端被分為多個區域，這些區域用來描述力的位置。同時研究者設計了電子反饋系統，力的大小可以通過一排發光二極管反饋示出。當夾持力在10 N的范圍內時，與有限元模型仿真結果對比，力的大小和位置檢測的平均準確率為87%和93%。

美國約翰霍普金斯大學PRASAD等[12]開發了一種具有生物相容性的2自由度力套管，位置見圖1中③，承受力的極限為10 N，測量誤差不大于6.63%，可以模塊化應用到多種5 mm的腹腔鏡器械上。在這之后，該大學的FISCHER等[13]開發了一套可以進行3個自由度力感知的腹腔鏡夾持器，位置見圖1中③。為了提高力感知的敏感性，應變計布置在鉗爪經有限元方法分析后的最大應變處；為了不增加夾持器的尺寸，應變計分別布置在兩個鉗爪上，一個鉗爪上布置了惠斯通全橋和半橋來檢測兩個彎曲力，另一個鉗爪上由泊松電橋來檢測軸向力。

哈爾濱工業大學LI等[14]提出了用于組織觸診的微型3自由度力傳感器，位置見圖1中③，結構見圖2a。該傳感器以可彎曲和壓縮變形的三腳架結構為柔性結構，6片定制的應變計分別被粘貼在柔性結構的3根豎梁兩側，用來感知3個方向的力。研究者通過推導傳感器的線性特征矩陣，提出了一種考慮靈敏度各向同性的直接幾何參數化優化方法，使傳感器結構具有較高的靈敏度和足夠的剛度。該傳感器可以在軸向實現0～3.0 N的力檢測，在徑向實現0～1.5 N的力檢測，測量的分辨率分別是5%和1%。

筆者[15]設計了一款適用于RLS的3自由度力傳感器，位置見圖1中③。該傳感器最大限度地保持了手術器械的完整性，由8片應變計按照一定方式粘貼在體內的器械軸上構成。其中4片應變計沿軸向間隔90°接入兩個惠斯通半橋電路以檢測兩個彎曲方向的力，另外4片應變計構成惠斯通全橋電路以檢測沿器械軸向的力。為提高傳感器檢測的靈敏度，筆者設計了專用的信號放大及采集電路，并對信號進行降噪、濾波和解耦。傳感器的徑向力測量范圍為0～10 N，最大誤差不超過3.8%。最近，筆者[16]設計了4自由度力傳感器，用于測量3個方向上的力和軸向的扭矩，從應變計的布局、數據采集電路到數據處理方法都較之前的研究進行了優化，使得傳感器力的分辨力優于0.02 N。

1.1.1.2 基于壓電效應的力傳感器

壓電效應是指某些電介質沿一定方向受外力而變形時，在其相對的表面上產生電位差的現象?；趬弘娦牧鞲衅髡抢昧诉@種性質，通過對電壓的檢測實現對外力的測量。聚偏二氟乙烯的壓電性被發現之后，得益于其壓電常數大、頻帶響應寬、化學穩定性高等優點，很快被用于RLS力感知技術中。

美國麻省理工學院SOKHANVAR等[17-18]提出了一種壓電式力傳感器，位置見圖1中①，結構見圖2b。研究者使用壓電聚偏氟乙烯薄膜作為傳導元件，在鉗爪上設計了一排獨立的傳感單元，構成傳感陣列。這款傳感器不僅可以測量夾持力的大小和位置，還可以由夾持力的大小和被夾持物體的變形來推算夾持物體的硬度。研究者使用4種具有已知硬度的材料對該傳感器進行了標定，傳感器在材料區分和位置檢測方面均取得了良好的結果。由于壓電式傳感元件輸出的直流響應差，因此這類傳感器無法滿足靜態負載條件下的使用要求。

1.1.1.3 基于電容變化的力傳感器

一般來說，電容器是由兩個相對較小間隙的導電板構成的，如果在兩塊板上施加電位差，則兩個極板上會積聚等量相反的電荷。電容式力傳感器的工作原理是將被測參量的變化轉化為電容器的電容變化，再通過測量電路轉化為電量輸出。

美國加州大學DAI等[19]提出了一種電容式3自由度力傳感器，位置見圖1中①，結構見圖2c。電容式傳感器由3層組成，頂層和底層包含多個電極，中間層使用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)薄膜作為電介質。當夾持物體時，一部分電極的電介質層厚度會減小，這部分電極用來檢測夾持力；當執行牽拉或縫合等動作時，另一部分電極的重疊面積發生變化，這部分電極用來檢測兩個方向的剪切力。通過標定，傳感器的夾持力分辨力為0.06 N，兩個方向的剪切力分辨力為0.25 N和1.45 N。研究者使用的PDMS薄膜具有良好的彈性性能，并與人體組織和活細胞具有良好的生物相容性；差分電容的配置提高了信噪比和抗擾度，減小了寄生電容和雜散電容引起的誤差。

韓國成均館大學KIM等[20]提出了一種具有5自由度力感知能力的夾持器，可測量器械受到的3個方向上的力、軸向的扭矩和器械的夾持力，位置見圖1中①，結構見圖2d。兩個鉗爪外側均有一個微型3自由度電容式力傳感器，傳感器主要由印刷電路基板、電容器和柔性結構組成。當鉗爪受力時，柔性結構發生形變，使得電容器的電容值發生變化。校準傳感器可得每個鉗爪所受的3個方向上的力FXu、FYu、FZu、FXl、FYl和FZl。由這6個力矢量和夾持器的夾角并根據幾何關系推導出一個變換矩陣，可實現由兩個鉗爪受到6個力矢量到手術器械所受的5自由度力(FX、FY、FZ、TX和夾持力)的轉換。研究者根據電容與受力之間的關系建立模型標定3自由度力傳感器，得到0～5 N范圍內的平均誤差分別為2.6%、2.2%和1.3%。驗證實驗結果表明，所測FX、FY、FZ和TX與標準傳感器相比，其相對誤差的平均值分別為8.6%、6.4%、3.4%和5.7%。對于夾持力，研究者對比了它與夾持器夾角的關系，沒有給出定量的誤差分析。

此外，還有許多研究者進行了基于電信號傳感器的研究和開發[21-31]，本文將其總結于表1?；陔娦盘柕膫鞲衅麟y以做好靜電屏蔽、抗電磁干擾等措施，是這一類傳感器固有的缺陷。近年來，隨著光纖技術的發展，應用光纖類傳感器則可以解決電磁兼容性等問題。

1.1.2基于光信號的力傳感器

基于光信號的力傳感器依據調制方式的不同被分為基于強度調制和波長調制兩類。

1.1.2.1 基于光強度調制的力傳感器

強度調制型光纖傳感器是利用被測參量與敏感光纖相互作用而引起光纖中傳輸光功率改變的原理制作的，這類傳感器結構簡單、容易實現且成本較低，是最早進入實用化和商品化的光纖傳感器。

英國倫敦國王學院PUANGMALI等[32]設計了一種用于觸診的微型3自由度力傳感器，位置見圖1中③，結構見圖2e。該力傳感器主要由4組光纖(3組傳感光纖和1組參考光纖)和1個柔性結構組成。當執行觸診任務時，柔性結構的形變導致傳感光纖內傳輸的光功率發生變化，進而確定接觸時的力。參考光纖用于補償不確定因素引起的光信號變化，例如光纖彎曲、光源內阻或環境溫度變化引起的小強度漂移。該傳感器可以在軸向0～3 N和徑向0～1.5 N的范圍內實現力的感知，分辨力為0.02 N。該傳感器完全由非金屬部件組成，因此可以用于核磁共振掃描。

表1 基于電信號的力傳感器總結Tab.1 Summary of electrical signal-based force sensor

意大利那不勒斯大學FONTANELLI等[33]提出了一種將力傳感器置于穿刺器末端的方案，位置見圖1中④。這種解決方案可以在不改變儀器結構的情況下測量手術器械與環境之間的相互作用力，對不同的機器人平臺和手術工具具有廣泛的適應性。該傳感器使用了4個反射傳感元件，沿周向間隔90°布置在圓筒形柔性結構上。傳感器原型由3D打印技術實現，可以實現兩個彎曲方向力的檢測。與標準傳感器對比，其誤差小于12%。此外，ZEMITI等[34]也做了類似的研究，將一個商用傳感器ATI Nano43與穿刺器進行了集成。而實際手術過程中，集成于穿刺器處的力傳感器容易受手術器械與穿刺器相對運動的影響，導致測量精度降低。

加拿大康考迪亞大學BANDARI等[35]提出一種簡單、小型化具有夾持力感知功能的鉗爪，位置見圖1中①，結構見圖2f。鉗爪主要由柔性外殼、基板和光纖構成。用來抓取的柔性外殼固定在基板上，殼體的底面中跨處有一個底面半徑為0.5 mm的半圓柱形壓頭。單模光纖經過壓頭下方，兩端固定在基板上。施加在外殼上的力會通過壓頭使光纖發生微小的彎曲變形，從而降低光纖傳輸效率。研究者利用支持向量回歸算法對傳感器受到的力和光功率關系進行了標定，其平均絕對誤差的范圍為(0.12±0.08) N。但是該傳感器有死區，力小于0.14 N時不能被檢測。

1.1.2.2 基于光波長調制的力傳感器

波長調制型光學傳感器是利用被測參量與敏感光纖相互作用而引起光纖中傳輸光波長改變的原理制作的。在這類傳感器中，具有代表性的是光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，FBG)。與基于光強度調制的傳感器相比，這類傳感器具有更高的靈敏度，且不受光源強度波動的影響。

德國宇航中心HASLINGER等[36]提出了一種具有6自由度的光纖力/力矩傳感器，位置見圖1中②，結構見圖2g。6個傳感FBG和1個溫度補償FBG被完全密封在類似于Stewart平臺的柔性結構中構成傳感器。負載測試表明，傳感器可以承受20 N和15 N·cm的載荷。研究者從噪聲、串擾和遲滯方面分析了傳感器準確度。此外，該團隊曾提出過具有類似結構的力傳感器[22]，但傳感元件使用的是電阻應變計。相比于舊的方案，該傳感器具有更好的生物相容性、可消毒性和抗電磁干擾性。

韓國現代重工醫療系統研究部HOSEOK等[37]開發了一種基于FBG的3自由度力傳感器，位置見圖1中②，結構見圖2h。在腕關節處，4根均勻分布的梁構成柔性結構，FBG粘貼在梁表面以感知器械末端的受力。另有4個FBG放置在距傳感FBG稍遠的位置，與傳感FBG一一對應刻在4條光纖中，用來補償FBG的溫度效應。傳感器可以在10 N以上工作，分辨力為0.05 N，最大誤差是0.1 N，但是由于軸向剛度遠大于徑向剛度，因此傳感器軸向力的測量精度低于徑向力的測量精度。

天津大學LYU等[38]設計了基于FBG的觸診力傳感器，可以感知器械軸向力的大小，位置見圖1中③，結構見圖2i。傳感器主要由1個柔性體、1根刻有FBG的光纖以及相關的連接器和固定裝置組成。柔性結構是一種微型的、改進的并聯結構，沿其圓周方向以90°的均勻間隔布置4個柔性支鏈。光纖的兩端被固定裝置固定在中性軸上，中部處于拉緊懸空狀態。通過仿真優化，傳感器具有了良好的力-變形的線性關系和較大的測量范圍，實現了0～5 N范圍內2.55 mN的分辨力。

圖2 用于機器人輔助腹腔鏡手術系統中的力傳感器Fig.2 Force sensors for robot-assisted laparoscopic surgery system

筆者[16,39]設計了一種3自由度力傳感器。該傳感器由3條間隔120°的刻有FBG的光纖構成，沿軸向粘貼于手術器械位于體內的器械軸上，位置見圖1中③。筆者采用神經網絡的解耦方法補償測量系統中存在的非線性成分，使得傳感器在兩個彎曲方向和軸向力的平均誤差低至0.05 N、0.07 N和0.18 N。此外，考慮到實際手術時手術器械在穿刺器內的移動，筆者對這種移動可能帶來的影響進行了理論和實驗分析。

此外，還有許多基于光信號傳感器的研發工作[40-48]，如表2所示。強度調制型光纖傳感器易受光源強度的波動和光傳輸損耗變化的影響，導致測量精度較低。波長調制型光纖傳感器克服了強度調制型光纖傳感器的缺點，有很強的抗干擾能力，且適合埋入復合材料結構中，便于集成設計。

表2 基于光信號的力傳感器總結Tab.2 Summary of optical signal-based force sensor

針對有傳感器的力感知，根據前文描述，將不同類型的傳感器在結構尺寸、測量范圍、測量精度和電磁兼容性方面的表現總結于表3。

表3 不同類型力傳感器的優缺點Tab.3 Advantages and disadvantages of different types of force sensors

1.2 無傳感器的力感知

RLS系統中力傳感器設計受到苛刻環境的影響和狹小空間的限制，國內外學者已經提出了一些不用傳感元件實現力感知的方法。本文將無傳感器的力感知分為基于視覺和基于動力學模型兩類。

1.2.1基于視覺的力感知

要實現基于視覺的力感知，一般首先需要利用圖像在二維或三維的空間上重建組織或器官的變形，然后根據其生物力學特性計算接觸力；或者利用視覺信息訓練深度神經網絡直接輸出力矢量。

美國伊利諾伊大學NOOHI等[49]提出使用單目內窺鏡圖像來估計力的方法，該方法包括器官的變形重建算法和力的估計兩步。研究者提出了一個虛擬模板的算法，該算法的應用可以實現對器械末端的跟蹤，得到形變中心的近似位置。然后根據由生物力學特性得到的力與形變中心深度的關系，估計出交互力。在器官表面光滑時，該方法可以估計變形方向上力的大小，均方誤差為0.07 N。

德國漢堡工業大學GESSERT等[50]研究了一種直接從光學相干斷層掃描(optical coherence tomography，OCT)圖像中估計力的新方法。OCT掃描頭用于捕獲感興趣區域的圖像體積。首先獲取組織沒有發生形變的體積作為參考體積，然后獲取組織發生形變的體積作為當前體積。參考體積和當前的體積樣本量都被輸入一個被訓練過的三維卷積神經網絡(three dimensional convolution neural network，3D CNN)，它預測作用在組織上的力矢量。力的估計完全基于圖像，與執行運動的機器人系統無關。使用該方法的平均誤差為(7.70±4.3) mN，單次3D CNN的處理時間為(16.9±1.3) ms。對比前期依賴于從表面重建或表面提取獲得形變的方法，該方法具有更高的精度。這表明用OCT捕捉皮下組織體積可以被學習到更豐富的特征，但是需要針對特定的手術工具和組織類型進行3D CNN的訓練。

在早期，基于視覺的力感知是分步進行的，首先是利用目標區域的視覺信息重建其變形的大小和深度，然后根據目標組織或器官的彈性特性將變形的大小和深度與作用力結合起來。這種方式中變形重建策略的設計和優化對最終結果有至關重要的影響。而目前，基于視覺的力感知大都采用深度神經網絡進行學習和標定，輸入為連續的圖像序列，輸出的結果為最終的力。深度神經網絡一般包含卷積神經網絡層及其變種或循環神經網絡層(recurrent neural network，RNN)及其變種，它們分別用來提取變形特征和記憶變形的變化趨勢。為提高力感知的精度和實時性，樣本的數量和有效性以及網絡的結構和優化方式都需要合理設計。人體內環境中視野的清晰度和目標與非目標組織或器官的粘連程度都會對基于視覺的力感知產生重要影響。由于基于視覺的方法所建立的模型普遍可解釋性差，因此模型的魯棒性是決定這類方法能否從實驗室走向臨床應用的關鍵。

1.2.2基于動力學模型的力感知

基于動力學模型的力感知一般利用機器人上驅動電機的電流、電機的位置、電機的速度和電機的加速度中的一個或幾個參數，并結合具體的操作機械臂建模分析。

美國華盛頓大學ROSEN等[51]開發了一種根據位置測量力的技術，可以測量遙操作中的夾持力。在從手端驅動夾持器的扁平線圈驅動器、編碼器和比例微分控制器形成一套伺服系統，主手端配置相似的控制結構。在操作過程中，夾持器尖端位置將與主手控制產生的參考輸入進行比較。如果在抓取組織時檢測到位置誤差，則將其標定為抓取力并反饋給主手。由于力是根據兩個位移測量值的差來估計的，因此誤差較大。

天津工業大學SANG等[52]提出一種基于動力學模型的外力估計與實現方法。研究者通過對病人側操作臂機械結構和驅動機構的深入分析，建立了線性參數化的動力學模型，并推導了外力的估算公式。在具體實現上，利用達芬奇手術系統工具包接口函數中的關節位置、關節速度和關節力矩完成了動態參數辨識實驗和外力估計實驗。通過對數據的離線分析，3個方向上力的均方根誤差分別為2.29%、3.19%和3.35%。

在基于動力學模型的力感知中，早期有一些基于運動學的方法僅利用位移和力的關系建立簡單的模型。這種方式在感知靜態力時因其計算復雜度低和穩定性高而優勢明顯。根據牛頓運動學定律可知，由持續性的手術操作所造成的動態接觸力使這種簡單的基于運動學的方法不再適用。要實現基于完整的動力學模型的力感知相對復雜，需要解決的問題包括機構描述、運動學分析、動力學建模和動力學參數辨識等。機構描述和運動學分析可以根據歐拉角、四元數、Denavit-Hartenberg(DH)矩陣、旋量法、李群和李代數等理論完成。機器人操作臂動力學方程的非線性和強耦合性使得對它的動力學建模較為復雜和困難，目前以牛頓-歐拉及拉格朗日或以這兩種方法為基礎的動力學建模方法應用最為普遍。動力學參數的辨識流程涉及參數的獨立性處理、關節運動軌跡規劃以及辨識算法的選區等過程。在實際的力感知需求中，加持力的感知只有一個自由度，相對容易實現，接觸力的反饋涉及多個自由度，實現起來更為復雜。

此外還有許多無傳感器力感知技術的研究[53-63]，本文將其總結于表4。無傳感器力感知能解決手術器械的消毒、尺寸和電磁兼容性等有傳感器力感知存在的問題?；谝曈X的力感知利用了組織的生物力學特性和組織變形，一般僅能感知一個方向的力，且精度受環境影響較大。對于基于動力學模型的力感知，一些因素(如關節處的摩擦、傳動絲中的摩擦和機構間隙)會對其精度產生不利的影響。

表4 無傳感器力感知總結Tab.4 Summary of sensorless force sensing

2 現狀分析與發展趨勢

RLS的出現和迅速發展體現了外科手術的發展趨勢——精確和微創。力感知作為一種重要的反饋機制，對手術機器人的發展起著關鍵作用。力感知能力的缺失，使得RLS、機器人輔助骨科手術，機器人輔助心臟外科手術和機器人輔助眼科手術等不足以勝任復雜的動作和操作。目前，其他類型的機器人輔助手術中仍以有傳感器的力感知為主要研究方向。機器人輔助骨科手術力傳感器一般安裝在機械臂與持鉆工具之間，該位置空間較大，對傳感器的尺寸設計要求較低。而在機器人輔助眼科和心臟外科手術中由于末端器械較為細小，對傳感器尺寸要求高，因此查閱到的文獻中均采用基于光信號的傳感器。在機器人輔助手術中，由于末端工具的不同和所要測量力信息的差別，力傳感器的尺寸、形狀和量程都有明顯的區別，但實現的原理與設計所用的方法在多種機器人輔助手術中類似。目前，力感知技術的研究還處于實驗階段，要想應用于臨床仍需進一步研究。

對于有傳感器的力感知，光纖傳感器的應用會越來越廣泛。光纖傳感技術的發展使傳感器不僅尺寸減小，而且具有靈敏度高、電絕緣性高和生物兼容性好等優點。FBG傳感器是最具影響力的光纖傳感器之一，單條光纖刻入多個FBG節點解決了測量力的維數和引線復雜度之間的矛盾，有利于傳感器的小型化和減少傳感器引線數量，有效地促進了RLS系統中力感知技術的臨床應用。目前，光傳輸效率受光纖彎曲影響較大，使得在尺寸較小的柔性結構布置單條光纖的多個FBG節點存在一定的技術障礙。隨著材料科學的進步，生產工藝水平的提高，光纖傳感器的可彎曲半徑會不斷減小。

對于無傳感器的力感知，精度問題是其應用的主要障礙?；谝曈X的力感知一般使用深度學習架構，屬于數據驅動方式，這意味著需要大量的訓練數據，并且無法很好地感知沒有學習過的環境，但硬件計算能力的提高和深度學習的發展使得使用機器提取特征來表示數據成為可能，這將進一步增強基于視覺的力感知的魯棒性和準確性。對于基于動力學模型的力感知，從手主動關節的動力學模型和動力學參數辨識均會帶來誤差。但隨著機械加工工藝的提升，機器人關節加工精度會更高，機構間隙對動力學模型的影響也會更小。對動力學參數進行辨識時，可通過選取更優異的辨識激勵軌跡并考慮系統的強非線性，設計并采用更合適的參數辨識方法來提高精度。

目前，人工智能的發展賦予了無傳感器尤其是基于視覺的力感知巨大的潛力。如前文所述，有傳感器和無傳感器兩類感知方式均有優勢和局限。解決好數據融合問題，同時利用這兩類感知方式冗余和互補的特性來提高力的檢測精度和穩定性，也可能會出現在未來的研究中。

3 結論

本文回顧了現有的有傳感器和無傳感器力感知技術。通過分析其各自的實現方式、優缺點和技術障礙，在歸納和總結這兩類技術的現狀的基礎上，展望了未來的發展趨勢。隨著機器人輔助腹腔鏡手術系統中力感知技術的發展，外科手術的安全性和效率將會越來越高。