手术机器人在执行手术操作时,存在力觉反馈能力缺失的问题,无法将手术器械与人体组织的交互力反馈给医生,导致医生在执行一些精细操作时,无法施加精确的作用力,给手术质量和效率带来不利影响。为此,手术机器人器械的交互力测量成为研究热点,科研人员基于电磁、光纤光栅等敏感元件开展了一系列多维力测量研究,但目前仍存在测量维数不足、维间耦合严重、测量范围和精度较低、器械兼容性差等问题,难以满足手术机器人器械力觉信息的测量要求。本文面向手术机器人器械的两个关键测量部位——器械腕部和器械末端,系统的研究了基于光纤光栅原理的多维力测量方法,涉及到光纤光栅封装、温度补偿、多维力感知、自解耦测量等关键内容,论文的具体研究工作如下:(1)分析了多维力测量系统的误差因素,结合光纤光栅温度-应变交叉敏感的特点,阐明了光纤光栅温度补偿对多维力测量误差的重要影响。建立了光纤光栅封装与温度补偿效应的理论模型,通过补偿误差的对比实验研究,揭示了光纤光栅温度补偿误差与光栅封装方法、温度变化速率之间的定量关联特性,得出了多维力测量中误差最小的光纤光栅温度补偿方法,为后续的研究提供了理论和技术支撑。(2)提出了一种器械腕部三维力的光纤光栅自解耦、温度自补偿测量方法。分析了十字梁弹性体在三维力载荷下的应变分布规律,结合光纤光栅敏感元件的感知特点,创新提出了一种优化布点与波长差分测量的传感方法。静态标定实验确定了三维力传感器样机的测量范围和测量精度,动态实验验证了该样机执行动态三维力测量的有效性。该研究仅用五个光纤光栅即实现了自解耦和温度自补偿的三维力测量。(3)研究了一种器械腕部六维力/力矩分层感知的光纤光栅低耦合测量方法。提出了一种六维力/力矩的分层感知结构和光栅差分输出的测量方法,分析了六维力/力矩在构型弹性体上的传递特征,建立了弹性体力学解析模型,结合有限元分析,阐明了所提出的测量方法的自解耦特性。通过传感器样机制备和测试标定,得到了六维力/力矩的测量范围、测量精度及低耦合测量性能。通过将传感器样机与现有六维力传感器进行同步的力/力矩测量结果对比,验证了该样机执行动态六维力/力矩测量的有效性。(4)研究了器械末端探针多维力的光纤光栅测量方法。建立了末端探针径向和轴向变形的刚度分析模型,阐明了探针轴向力测量困难的根本原因,据此提出了一种弹簧结构的轴向力敏感设计方法。以现有探针为载体,研究了其二维力的光纤光栅测量方法,进一步地,结合所提出的轴向力敏感设计方法,设计了具有三维力测量功能的探针。通过测力原理分析及标定测试,验证了所研制的探针三维力测量的有效性。考虑器械生物相容性的特殊工作要求,提出了采用磁控溅射镀金属钛膜来隔离光栅封装胶体的方法,通过实验验证了该方法在高压蒸汽灭菌环境下的适用性。(5)建立了光纤光栅多维力测量系统,将所研发的多维力/力矩传感器和多维力探针样机进行集成。在机器人辅助模式下,分别研究了传感器和探针样机在模拟钝性分离手术和眼科手术中的实时测量性能,得到了两种模拟手术过程中器械腕部和器械末端多维力大小、走势等重要信息,验证了所研发的样机对器械腕部和器械末端多维力的测量有效性。