[发明专利]一种柔性触手的形状检测系统及方法

说明书

一种柔性触手的形状检测系统及方法，涉及形状检测技术领域。本发明为了能够对一段以及多段柔性触手进行实时形状检测。所述检测系统包括工控上位机、九个拉线式位移传感器、三个控制器、无线蓝牙通讯模块、直流稳压电源、两个降压芯片和控制器；对柔性触手进行充气；主、从控制器STM32对脉冲信号解码并计数；通过无线蓝牙模块，将九根气动肌肉的长度数据无线传送到工控上位机；在工控上位机中使用MATLAB软件中的GUIDE制作串口助手界面，完成一段柔性触手运动学模型的建立以及多段柔性触手运动学模型的建立，仿真出柔性触手的三维空间形状。本发明能满足实时检测柔性触手三维形状的要求。

技术领域

本发明专利涉及形状检测技术领域，尤其是涉及了一种基于柔性触手的形状检测系统及方法。

背景技术

随着自动化技术的飞速发展，柔性触手已经渗透到人们日常生活的方方面面。传统的刚性柔性触手更是在制造中得到了广泛的应用，并且可以通过特定的程序设计，高效地执行单个任务。然而，由于它们刚性关节的结构特点，致使在狭窄、非结构化的环境中操作起来十分困难。因此，传统的刚性柔性触手已经无法满足人类日益增长的需求。

为了解决刚性柔性触手的结构弊端，研究者们在大自然中找到了答案。类似于章鱼，象鼻等体内存在一种“肌肉性静水骨骼”的软体组织，其高度灵活性与柔顺性完美得弥补了刚性柔性触手的不足。基于上述结构特征的启发，柔性触手逐渐崭露头角。

柔性触手是一种基于仿生学原理，由柔性材料构成的新型柔性触手。其无穷自由度的结构特征，大大增加了控制的灵活性与柔顺性，在工业生产、医疗手术、救灾探测等方面具有广阔应用前景，受到了国内外的广泛关注和研究。

然而，由于柔性触手在原则上具有无限多个自由度，使得其运动学模型的建立变得极其困难，在缺乏精确模型的状况下，柔性触手的控制精度与末端定位的效果大打折扣。从自动控制原理的角度来看，系统的控制精度取决于反馈环节的检测精度。因此，建立一套完善、高精度的形状检测系统以保证控制精度是目前亟待解决的重要问题。

目前柔性触手的形状检测系统主要有以下两种：

第一种是选择集中式的传感器如末端摄像头，仅能反馈局部的视觉信息，通过得到局部的反馈信息无法检测整条柔性触手的三维空间形状。此外，视觉检测对于环境要求较高，狭窄、光线较暗等环境均无法使用，而且该方法需要进行图像数据的采集与处理，存在大量的数值计算，这对于实时控制，也是不现实的。

第二种是选择内部传感器如光纤布拉格光栅(FBG)传感器，内部传感器无法对周围的环境进行实时灵敏的检测,导致柔性触手无法适应周围环境的动态变化,极大的影响了柔性触手的建模精度与控制策略，很大程度地降低了柔性触手自动化和智能化水平。此外，由于光纤的脆弱性，当柔性触手弯曲时，会发生FBG传感器的传播损耗。因此，当曲率上升到临界曲率时，应变测量无效。

发明内容

针对现有检测技术存在的不足，本发明专利选择气动柔性触手(三段)作为研究对象，其主要目的在于提出一种基于柔性触手的形状检测系统及方法，以能够对一段以及多段(三段)柔性触手进行实时形状检测。

本发明在常曲率的假设下，建立了运动学模型及开发形状检测算法，并通过MATLAB仿真验证。本发明专利通过以下技术方案来实现上述目的：

一种柔性触手的形状检测系统，所述柔性触手包括由底端至末端依次连接的第一段柔性触手、第二段柔性触手、第三段柔性触手(柔性触手为连续型柔性触手)；

每段柔性触手包括三根气动肌肉、底盘、三根气管；三根气动肌肉相隔120°放置并固定于底盘，其外侧通过弹性护套将三根气动肌肉束缚在一起；

第一段柔性触手的三根气动肌肉的底端与对应的底盘的固定，其末端与第二段柔性触手的底盘固定，以此类推；

除第一段柔性触手外其他段柔性触手的三根气管贯穿于三根气动肌肉围合形成的空间空隙内；