用于感知医用软体机械臂形状的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感与机器人领域，具体地，涉及一种用于感知医用软体机械臂 形状的系统及方法，尤其涉及一种能在密闭环境中，感知软体机械臂形状的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 软体机器人区别于传统的刚性机器人，它由具有柔性的材料（如硅胶、镍钛合金） 等制成，有着良好的灵活性与安全性。因而，软体机器人非常适合用于微创手术、营救等领 域。在微创手术、营救等应用中，软体机器人往往要穿越狭小而密闭的环境才能到达目标位 置。这样的环境是复杂、非结构化的。软体机器人的构型会随着环境的改变而改变，同时， 密闭的环境使操作者（如外科医生）无法直接观察到软体机器人的形状。在缺乏形状反馈 的情况下，操作者很难进行下一步的操作。
[0003] 对软体机器人形状的感知依赖于各种传感器。对于应用于微创手术的软体机器人 来说，现有的医学图像手段，如超声、核磁共振等手段，可以检测出体内软体机器人的形状。 但是这些方法存在图像对比度过低，而且实时性太差。同时，受工作环境的限制，软体机械 臂尺寸的外径一般都比较小，因而安装在软体机械臂上的内部传感器的体积不能太大，而 且不能带有电路从而限制了可用的传感器种类。
[0004] 光纤光栅传感器体积小，同时其电磁惰性能保证不会引起电子干扰，而且传感 器内部没有电路元件，这些特性使得光纤光栅传感器广泛应用于建筑、医学等领域。在 内窥镜形状的测量方面，经检索发现，专利申请号为200510025854. 6，授权公告号为： CN1692871A，专利名称为软性内窥镜三维曲线形状检测装置和方法；专利申请号为 200710043767. 2,授权公告号为：CN101099657A，专利名称为细长柔性杆的空间形状检测装 置和方法；这两项专利中分别提出了一种内窥镜三维形状检测的装置及方法。由于结构的 限制，内窥镜无法轴向扭转，所以现有的方法里都没有挠率的检测装置，因而无法准确感知 弯曲加扭转等复杂的形状。此外现有技术中还提出了一种可以测量曲率和挠率的方法，但 是该方法只能适用于微小扭转的情形，不适用于软体手术机械臂。对于软体机械臂来说，轴 向的扭转能为末端带来更高的自由度，简化手术操作、提高手术效率。本发明在传统的形状 检测装置中引入了大挠率测量装置，并设计了相应的算法。仿真结果证明，该种方法能准确 的检测出复杂的空间形状。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种用于感知医用软体机械臂形状 的系统及方法。
[0006] 根据本发明提供的用于感知医用软体机械臂形状的系统及方法，包括激光器、光 谱仪、软体机械臂、传感器、计算机；其中，所述激光器发射激光信号作为入射信号进入安装 于软体机械臂的传感器形成反射信号，光谱仪将接收到的所述反射信号传递给计算机，计 算机根据所述反射信号处理得到软体机械臂的形状信息。
[0007] 优选地，所述传感器包括多个光纤光栅传感器，其中所述多个光纤光栅传感器都 沿软体机械臂的轴向均匀地埋在所述软体机械臂的内部；且所述多个光纤光栅传感器的横 截面呈正方形分布；光纤光栅传感器包括光纤、光栅，其中，每一光纤中分布有多个光栅； 入射信号进入光纤后，经光栅反射形成反射信号。
[0008] 优选地，所述计算机包括如下装置：
[0009] 第一检测装置：用于通过光谱仪检测出软体机械臂未发生形变时各光栅的布拉格 波长；
[0010] 第二检测装置：用于通过光谱仪检测出软体机械臂发生形变时各光栅的布拉格波 长。
[0011] 优选地，软体机械臂沿轴向具有多个节点，软体机械臂在相邻节点之间沿一段平 面圆弧延伸，软体机械臂的扭转全部集中在节点处；所述计算机还包括如下装置：
[0012] 第一计算装置：用于对各个光栅，计算波长漂移Λ λB，计算式如下：
[0013] Λ λ B= λ「λ·;
[0014] 其中，λ ；3表不软体机械臂未形变时各光栅的布拉格波长，λ ^表不软体机械臂形 变时各光栅的布拉格波长；
[0015] 第二计算装置：用于根据波长漂移Λ λ Β、软体机械臂未发生形变时各光栅的布拉 格波长λ Β和光栅的有效光弹性系数，计算出各个光栅处的应变εχ，计算公式如下：
[0016] Δ λΒ= λ B(I-Pe) ε χ;
[0017] 其中，所述应变ε χ的物理意义为光纤伸缩量与光纤原长度的比值；
[0018] 第三计算装置：用于计算位于第i个节点的光栅处的曲率K i挠率τ i以及和 ，其中ε C1为测量误差；计算公式如下：
【主权项】
1. 一种用于感知医用软体机械臂形状的系统，其特征在于，包括激光器、光谱仪、软体 机械臂、传感器、计算机；其中，所述激光器发射的激光信号作为入射信号进入安装于软体 机械臂的传感器形成反射信号，光谱仪将接收到的所述反射信号传递给计算机，计算机根 据所述反射信号处理得到软体机械臂的形状信息。
2. 根据权利要求1所述的用于感知医用软体机械臂形状的系统，其特征在于，所述传 感器包括多个光纤光栅传感器，其中所述多个光纤光栅传感器沿软体机械臂的轴向均匀地 埋在所述软体机械臂的内部；且所述多个光纤光栅传感器的横截面呈正方形分布；光纤光 栅传感器包括光纤、光栅，其中，每一光纤中分布有多个光栅；入射信号进入光纤后，经光栅 反射形成反射信号。
3. 根据权利要求2所述的用于感知医用软体机械臂形状的系统，其特征在于，所述计 算机包括如下装置： 第一检测装置：用于通过光谱仪检测出软体机械臂未发生形变时各光栅的布拉格波 长； 第二检测装置；用于通过光谱仪检测出软体机械臂发生形变时各光栅的布拉格波长。
4. 根据权利要求3所述的用于感知医用软体机械臂形状的系统，其特征在于，软体机 械臂沿轴向具有多个节点，软体机械臂在相邻节点之间沿一段平面圆弧延伸，软体机械臂 的扭转全部集中在节点处；所述计算机还包括如下装置： 第一计算装置：用于对各个光栅，计算波长漂移AA,，计算式如下； A入B-入厂入FBG; 其中，Ac表示软体机械臂未形变时各光栅的布拉格波长，AW。表示软体机械臂形变时 各光栅的布拉格波长； 第二计算装置：用于根据波长漂移AAc、软体机械臂未发生形变时各光栅的布拉格波 长和光栅的有效光弹性系数P。，计算出各个光栅处的应变计算公式如下； A入B=入B(l-Pe)eX; 其中，所述应变e,的物理意义为光纤伸缩量与光纤原长度的比值； 第S计算装置：用于计算位于第i个节点的光栅处的曲率K1、提率T1、W及， 其中e。为测量误差；计算公式如下；
式中；标号A、B、C、D分别表示埋入软体机械臂的第一光纤、第二光纤、第=光纤、第四 光纤，du表示下标J指代的标号所表示光纤的第i个光栅到软体机械臂中屯、线的距离； 0U表示下标J指代的标号所表示光纤的第i个光栅与第一光纤的第i个光栅之间在所在 软体机械臂的横截面内沿顺时针方向的夹角，0M= 0 ; ai表示软体机械臂在第i个节点与第i+1个节点之间部分的偏转平面角；1i表示光 纤在第i个节点与第i+1个节点之间的原始长度，a,表示软体机械臂中屯、线参数方程即圆 柱螺旋线参数方程中的参数，是计算Ki、Ti的中间变量，bi表示表示软体机械臂中屯、线参 数方程即圆柱螺旋线参数方程中的参数，a,、bi由等式/；r 算出，其中Gr由实际测量 得出；Ki表示位于第i个节点的光栅处的曲率，Ti表示位于第i个节点的光栅处的提率； 表示下标J指代