[发明专利]一种柔性体空间形状和位姿感知方法及系统

说明书

本公开提供了一种柔性体空间形状和位姿感知方法及系统，获取与柔性体连接且被划分为多节的柔性载体的传感数据；根据获取的传感数据，得到柔性载体每节的伸缩应变、偏转角、曲率、弯曲角和扭转角；根据得到的偏转角、曲率、弯曲角、扭转角和预设运动学模型，得到柔性载体各节位姿参数；根据柔性载体各节位姿参数，得到柔性体空间形状和位姿感知结果；本公开适用于柔性体运动变形过程中轴线方向长度发生变化时位姿信息的检测，分析了柔性材料对变形的影响，并对其他形状的柔性体位姿检测具有通用性，精确高效，反应灵敏，节省了人力物力。

技术领域

本公开涉及传感器技术领域，特别涉及一种柔性体空间形状和位姿感知方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

由柔性材料制成的柔性体在安全性和适应性方面都有优势，能够利用固有的柔性来完成传统刚性机器人无法完成的任务(如运动或操纵)，而对柔性体末端空间位置和位姿的实时检测是对柔性体进行运动调控和操作规划的基础。

发明人发现，目前用于检测柔性体空间位姿的刚性传感器会限制和影响柔性体的运动，视觉检测虽有高精度，但其视野、光源和设备尺寸均有局限；其次，现有的运动学模型主要集中在分段常曲率和刚性梁理论上，未考虑柔性材料本身非线性对运动变形的影响，并且所提到的模型仅适用于所设计的柔性体，对其他类型结构的柔性体不具备通用性。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种柔性体空间形状和位姿感知方法及系统，适用于柔性体运动变形过程中轴线方向长度发生变化时位姿信息的检测，分析了柔性材料对变形的影响，并对其他形状的柔性体位姿检测具有通用性，精确高效，反应灵敏，节省了人力物力。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种柔性体空间形状和位姿感知方法。

一种柔性体空间形状和位姿感知方法，包括以下过程：

获取与柔性体连接且被划分为多节的柔性载体的传感数据；

根据获取的传感数据，得到柔性载体每节的伸缩应变、偏转角、曲率、弯曲角和扭转角；

根据得到的偏转角、曲率、弯曲角、扭转角和预设运动学模型，得到柔性载体各节位姿参数；

根据柔性载体各节位姿参数，得到柔性体空间形状和位姿感知结果。

进一步的，根据各节及相邻节的旋转变换矩阵和平移变换矩阵得到柔性载体固定端坐标系和运动端坐标系之间的变换矩阵；

根据得到的变换矩阵得到柔性载体运动端中心的空间坐标和运动端端面的欧拉角，进而重构出柔性体的空间形状和位姿。

更进一步的，由基坐标系{A}至第一节起点{10}的变换矩阵为：

其中，φ₁为第一节所在平面的偏转角，ω₁为第一节所在平面的扭转角，δ为第一节由末端非线性形变引起的被动偏角，为绕基坐标系{A}的z轴旋转φ₁由基坐标系{A}至坐标系{B₁}的旋转矩阵，为绕坐标系{B₁}的x轴旋转ω₁由坐标系{B₁}至坐标系{C₁}的旋转矩阵，为绕坐标系{C₁}的y轴旋转δ由坐标系{C₁}至第一节起点坐标系{10}的旋转矩阵。

更进一步的，任意节起点坐标系{i0}至末点坐标系{i}的变换矩阵为：