[发明专利]细长柔性杆的空间形状检测装置和方法

权利要求书

1.一种细长柔性杆的空间形状检测装置，包括一根柔性细长杆(1)，其特征在于所述的柔性细长杆(1)外表面上粘贴光纤光栅传感器阵列(2)，而依次连接一个光纤光栅调制解调仪(3)、一个局域网路由器(4)、一个数据采集与形状重建模块(5)及显示设备(6)。

2.根据权利要求1所述的细长柔性杆的空间形状检测装置，其特征在于所述的光纤光栅传感器阵列(2)，每组为四根光纤光栅沿周向均布在柔性检测杆(1)上，每根光纤上有五个光栅点，且相邻的光纤在细长柔性杆(1)的截面上的夹角互为90°。

3.根据权利要求1所述的软性内窥镜三维曲线形状检测装置，其特征在于所述的光纤光栅阵列(2)中利用两个光栅点在圆形截面上成180度分布，使两个传感器采集到的数据进行差值，消除温度对数据的影响。

4.一种细长柔性杆的空间形状检测方法，采用权利要求1所述的细长柔性杆的空间形状检测装置进行检测，其特征在于检测步骤如下：

①光栅点的波长与曲率的比例因子的标定：曲率与光栅的波长的变化关系表示为：

C = Δ λ B ( 1 - P ) λ B r ]]>

式中P为弹光系数，λ_B为光栅的中心波长，r为细长柔性杆的半径，Δλ_B为波长的变化量，C为细长柔性杆的弯曲曲率；

采用了标定的方法：利用己知曲率半径的各个圆弧，将带有光纤光栅传感器阵列(2)的细长柔性杆(1)以不同的方位进行标定，通过测得光栅点在最大拉压处波长的变化量及中性面波长的变化量，利用所得到的数据采用插值的方法得到波长与曲率的比例因子K；利用线性拟合的方法得到该比例因子，其关系可以表示为：

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

式中C_i表示标定时的不同曲率值，Δλ_Bi表示在不同曲率半径下的波长变化量，K表示在得到的比例因子，e为得到的误差值：

②光电信号的采集：利用数据采集与形状重建模块(5)向光纤光栅调制解调仪(3)发送命令字，光纤光栅调制解调仪(3)将得到的光电信号转换为数字信号通过局域网路由器(4)传送到数据采集与形状重建模块(5)中指定的存储数组。

③计算5个检测点的空间曲率：利用得到的各个光栅点的波长，利用步骤①中得到的比例因子，得到5个检测点的曲率的大小和曲率在空间的方向；

④空间形状的绘制：根据光纤光栅调制解调仪(3)得到的波长信息，利用数据采集与形状重建模块(5)，利用离散点之间的位姿矢量变化关系重建出整个形状而在显示设备(6)上显示出来。

5.根据权利要求4所述的细长柔性杆的空间形状检测方法，其特征在于所述的步骤④中的利用离散点的位姿矢量变化关系重建其图形的方法是：首先得出前一个离散点相对于后一个离散点的位置变化，表达为：

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：平移矢量为：P_i′＝[dx dy dz]^T

后一点相对于前一点的坐标系的旋转变化，表达为：

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，后一离散点相对于前一离散点的位姿变化矩阵为：

T ′ i = R ′ i P ′ i 0 1 ]]>

将这些离散点依次进行叠加计算，从而构成整个细长柔性杆的空间形状。