随着人类社会的高速发展,“医工融合”在公众健康需求的驱动下逐步显示出不可替代的科研及商业价值,以“智能机器人、移动医疗、数字影像”等高新技术为引导的医疗产业,正逐步掀起跨学科医疗应用的热潮。针对手术机器人在狭窄应用空间所存在的不足,研究如何克服狭小空间限制、降低患者创伤、提高手术精度成为当下亟待考虑的问题。本课题将主要从FBG光纤传感的原理出发,建立中心波长变化量与外部受力以及连续体曲率之间的相对关系,构建完备的集触觉感知及形状感知为一体的FBG集成传感系统。首先,本课题建立FBG触觉及形状感知系统的结构及理论模型。设计一种全新的感知头构型以实现三维力感知的高灵敏度及理想的结构强度,建立融合温度解耦算法的力感知理论模型矩阵;设计通过钢丝绳索驱动的单自由度连续体机器人,并通过融合硅胶棒的一种崭新结构,建立形状重构系统;建立可行的多节点FBG重构理论并将其应用于形状感知;对设计的连续体平台进行正运动学建模,比较后得出FBG形状重构方法的优势之处。其次,针对FBG力感知系统进行光纤集成以及相关性能验证实验。搭建一种新型光纤集成平台以简化光纤粘贴过程,增加其牢固性,保证FBG光栅区域与柔性梁间保持相对同步的变形运动;设计自由度感知头“标定-验证”综合实验平台,为感知系统的标定及性能验证提供辅助作用;经标定实验后建立“力-波长偏移”标定矩阵,形成完备的力感知系统,其灵敏度可达90.32、96.48、16.54 pm/N;设计空间力验证实验、人体组织模拟实验以及抗冲击实验,从而验证FBG力感知系统在实际医疗操作中的可靠性与稳定性,最后验证温度解耦算法的可行性。最后,建立集成化FBG传感系统并验证其综合性能。将课题所设计的FBG力感知系统与形状感知平台通过光纤复用技术集成于一体化设备,结合外部视觉识别设备所提取的信息,对集成后的FBG形状感知系统进行曲率标定,并进行重构精度及误差的相关分析,综合误差可达4.22%以内;借助三轴力传感器模拟人体内部组织,针对集成后的整体FBG传感系统进行绝对坐标系下的三维力感知验证,判定其是否符合医疗触诊手术中的实际需求。