[發(fā)明專利]細長柔性桿的空間形狀檢測裝置和方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710043767.2
• 申請日: 2007-07-13
• 公開（公告）號: CN101099657A
• 公開（公告）日: 2008-01-09
• 發(fā)明（設計）人: 錢晉武;易新華;章亞男;沈林勇;張震
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: A61B1/00
• 分類號: A61B1/00;A61B5/06;G06F19/00;G06F17/16
• 代理公司: 上海上大專利事務所
• 代理人: 何文欣

1.一種細長柔性桿的空間形狀檢測裝置，包括一根柔性細長桿(1)，其特征在于所述的柔性細長桿(1)外表面上粘貼光纖光柵傳感器陣列(2)，而依次連接一個光纖光柵調制解調儀(3)、一個局域網(wǎng)路由器(4)、一個數(shù)據(jù)采集與形狀重建模塊(5)及顯示設備(6)。

2.根據(jù)權利要求1所述的細長柔性桿的空間形狀檢測裝置，其特征在于所述的光纖光柵傳感器陣列(2)，每組為四根光纖光柵沿周向均布在柔性檢測桿(1)上，每根光纖上有五個光柵點，且相鄰的光纖在細長柔性桿(1)的截面上的夾角互為90°。

3.根據(jù)權利要求1所述的軟性內(nèi)窺鏡三維曲線形狀檢測裝置，其特征在于所述的光纖光柵陣列(2)中利用兩個光柵點在圓形截面上成180度分布，使兩個傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行差值，消除溫度對數(shù)據(jù)的影響。

4.一種細長柔性桿的空間形狀檢測方法，采用權利要求1所述的細長柔性桿的空間形狀檢測裝置進行檢測，其特征在于檢測步驟如下：

①光柵點的波長與曲率的比例因子的標定：曲率與光柵的波長的變化關系表示為：

C = Δ λ B ( 1 - P ) λ B r ]]>

式中P為彈光系數(shù)，λ_B為光柵的中心波長，r為細長柔性桿的半徑，Δλ_B為波長的變化量，C為細長柔性桿的彎曲曲率；

采用了標定的方法：利用己知曲率半徑的各個圓弧，將帶有光纖光柵傳感器陣列(2)的細長柔性桿(1)以不同的方位進行標定，通過測得光柵點在最大拉壓處波長的變化量及中性面波長的變化量，利用所得到的數(shù)據(jù)采用插值的方法得到波長與曲率的比例因子K；利用線性擬合的方法得到該比例因子，其關系可以表示為：

C i = KΔ λ B i + e ( i = 80 mm , 100 mm , 200 mm , 300 mm , 500 mm , 800 mm ) ]]>

式中C_i表示標定時的不同曲率值，Δλ_Bi表示在不同曲率半徑下的波長變化量，K表示在得到的比例因子，e為得到的誤差值：

②光電信號的采集：利用數(shù)據(jù)采集與形狀重建模塊(5)向光纖光柵調制解調儀(3)發(fā)送命令字，光纖光柵調制解調儀(3)將得到的光電信號轉換為數(shù)字信號通過局域網(wǎng)路由器(4)傳送到數(shù)據(jù)采集與形狀重建模塊(5)中指定的存儲數(shù)組。

③計算5個檢測點的空間曲率：利用得到的各個光柵點的波長，利用步驟①中得到的比例因子，得到5個檢測點的曲率的大小和曲率在空間的方向；

④空間形狀的繪制：根據(jù)光纖光柵調制解調儀(3)得到的波長信息，利用數(shù)據(jù)采集與形狀重建模塊(5)，利用離散點之間的位姿矢量變化關系重建出整個形狀而在顯示設備(6)上顯示出來。

5.根據(jù)權利要求4所述的細長柔性桿的空間形狀檢測方法，其特征在于所述的步驟④中的利用離散點的位姿矢量變化關系重建其圖形的方法是：首先得出前一個離散點相對于后一個離散點的位置變化，表達為：

dx = 1 k · ( 1 - cos θ ) · cos φ · d s dy = 1 k · ( 1 - cos θ ) · sin φ · d s dz = 1 k · sin θ · d s ]]>

即：平移矢量為：P_i′＝[dx?dy?dz]^T

后一點相對于前一點的坐標系的旋轉變化，表達為：

R i ′ = n x n y n z o x o y o z a x a y a z = 1 - 2 b 2 - 2 c 2 2 ab - 2 sc 2 ac + 2 sb 2 ab + 2 sc 1 - 2 a 2 - 2 c 2 2 bc - 2 sa 2 ac - 2 sb 2 bc + 2 sa 1 - 2 b 2 - 2 b 2 ]]>

因此，后一離散點相對于前一離散點的位姿變化矩陣為：

T ′ i = R ′ i P ′ i 0 1 ]]>

將這些離散點依次進行疊加計算，從而構成整個細長柔性桿的空間形狀。