用于感知医用软体机械臂形状的系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种用于感知医用软体机械臂形状的系统及方法，系统包括激光器、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。所述方法包括根据软体机械臂的形变量计算各个光栅的布拉格波长；根据各个光栅的布拉格波长，计算出各个光栅的曲率和挠率；根据各个光栅的曲率和挠率，计算软体机械臂的实时形状。本发明专利技术对比度高、实时性佳，同时解决了传统内部传感器体积过大以及内部电路对患者的安全隐患问题。

【技术实现步骤摘要】
用于感知医用软体机械臂形状的系统及方法
本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。本专利技术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。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术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。根据本专利技术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。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。优选地，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。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：第一计算装置：用于对各个光栅，计算波长漂移△λB，计算式如下：△λB＝λB-λFBG；其中，λB表示软体机械臂未形变时各光栅的布拉格波长，λFBG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△λB、软体机械臂未发生形变时各光栅的布拉格波长λB和光栅的有效光弹性系数pe，计算出各个光栅处的应变εx，计算公式如下：ΔλB＝λB(1-pe)εx；其中，所述应变εx的物理意义为光纤伸缩量与光纤原长度的比值；第三计算装置：用于计算位于第i个节点的光栅处的曲率κi挠率τi以及和其中ε0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、第三光纤、第四光纤，dJ,i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心线的距离；βJ,i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，βA,i＝0；αi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；li表示光纤在第i个节点与第i+1个节点之间的原始长度，ai表示软体机械臂中心线参数方程即圆柱螺旋线参数方程中的参数，是计算κi,τi的中间变量，bi表示表示软体机械臂中心线参数方程即圆柱螺旋线参数方程中的参数，ai，bi由等式算出，其中由实际测量得出。κi表示位于第i个节点的光栅处的曲率，τi表示位于第i个节点的光栅处的挠率；表示下标J指代的标号所表示光纤在第i个节点与第i+1个节点之间的计算长度；表示下标J指代的标号所表示光纤在第i个节点与第i+1个节点之间的测量长度；εJ,i表示下标J指代的标号所表示光纤的第i个光栅处的应变εx；i为自然数；第四计算装置：用于对得到的各光栅处曲率κi、挠率τi信息进行三次B样条插值，插值所得到曲线中的每条曲线段的表达式如下式所示，这些曲线段组成了曲率曲线κ(s)、挠率曲线τ(s)：其中，p(t)表示插值得到的曲线方程，t表示归一化的弧长参数，p0表示第一个控制点，即第i个节点所在软体机械臂横截面处的曲率或挠率；p1表示第二个控制点，即第i+1个节点所在软体机械臂横截面处的曲率或挠率；p2表示第三个控制点，即第i+2个节点所在软体机械臂横截面处的曲率(或挠率)；p3表示第四个控制点，即第i+3个节点所在软体机械臂横截面处的曲率或挠率。优选地，所述计算机还包括如下装置：-第五计算装置：用于根据计算出的曲率κi、挠率τi，计算出各个节点的世界坐标，计算公式如下：其中，Ri表示第i个节点所在横截面在世界坐标系下的姿态，Ri-1表示第i-1个节点所在横截面在世界坐标系下的姿态，表示第i个节点所在横截面在局部坐标系下的姿态，pi表示第i个节点所在横截面的圆心在世界坐标系下的位置，pi-1表示第i-1个节点所在横截面的圆心在世界坐标系下的位置，表示第i个节点所在横截面的圆心在局部坐标系下的位置；式中：cαi表示cos(αi)，sαi表示sin(αi)，cθi表示cos(θi)，sθi表示sin(θi)，cΦi表示cos(Φi)，sΦi表示sin(Φi)，θi表示第i个节点与第i+1个节点之间片段的圆心角，Φi表示中间变量，Li表示软体机械臂的中心线在第i个节点与第i+1个节点之间片段的原始长度；其中，所述局部坐标系建立在各个节点所在横截面上，所述世界坐标系能够在所述软体机械臂分布的空间内移动。根据本专利技术提供的一种利用所述的用于感知医用软体机械臂形状的系统的感知医用软体机械臂形状的方法，包括如下步骤：步骤1：针对软体机械臂的不同形变情况检测各个光栅的布拉格波长；步骤2：根据各个光栅的布拉格波长，计算出各个光栅的曲率和挠率；步骤3：根据各个光栅的曲率和挠率，计算软体机本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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；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；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；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ΔλB，计算式如下：ΔλB＝λB-λFBG；其中，λB表示软体机械臂未形变时各光栅的布拉格波长，λFBG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ΔλB、软体机械臂未发生形变时各光栅的布拉格波长λB和光栅的有效光弹性系数pe，计算出各个光栅处的应变εx，计算公式如下：ΔλB＝λB(1-pe)εx；其中，所述应变εx的物理意义为光纤伸缩量与光纤原长度的比值；第三计算装置：用于计算位于第i个节点的光栅处的曲率κi、挠率τi、以及其中ε0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、第三光纤、第四光纤，dJ,i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心线的距离；βJ,i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，βA,i＝0；αi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；li表示光纤在第i个节点与第i+1个节点之间的原始长度，ai表示软体机械臂中心线参数方程即圆柱螺旋线参数方程中的参数，是计算κi、τi的中间变量，bi表示表示软体机械臂中心线参数方程即圆柱螺旋线参数方程中的参数，ai、bi由等式算出，其中由实际测量得出；κi表示位于第i个节点的光栅处的曲率，τi表示位于第i个节点的光栅处的挠率；表示下标J指代的标号所表示光纤在第i个节点与第i+1个节点之间的计算长度；表示下标J指代的标号所表示光纤在第i个节点与第i+1个节点之间的测量长度；εJ,i表示下标J指代的标号所表示光纤的第i个光栅处的应变εx；i为自然数；第四计算装置：用于对得到的各光栅处曲率κi、挠率τi信息进行三次B样条插值，插值所得到曲线中的每条曲线段的表达式如下式所示，这些曲线段组成了曲率曲线κ(s)、挠率曲线τ(s)：其中，p(t)表示插值得到的曲线方程，t表示归一化的弧长参数，p0表示第一个控制点，即第i个节点所在横截面处的曲率或挠率；p1表示第二个控制点，即第i+1个节点所在横截面处的曲率或挠率；p2表示第三个控制点，即第i+2个节点所在横截面处的曲率或挠率；p3表示第四个控制点，即第i+3个节点所在横截面处的曲率或挠率。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，所述计算机还包括如下装置：-第五计算装置：用于根据计算出的曲率κi、挠率τi，计算出各个节点的世界坐标，计算公式如下：其中，Ri表示第i个节点所在横截面在世界坐标系下的姿态，Ri-1表示第i-1个节点所在横截面在世界坐标系下的姿态，表示第i个节点所在横截面在局部坐标系下的姿态，pi表示第i个节点所在横截面的圆心在世界坐标系下的位置，pi-1表示第i-1个节点所在横截面的圆心在世界坐标系下的位置，表示第i个节点所在横截面的圆心在局部坐标系下的位置；式中：cαi表示cos(αi)，sαi表示sin(αi)，cθi表示cos(θi)，sθi表示sin(θi)，cΦi表示cos(Φi)，sΦi表示sin(Φi)，θi表示第i个节点与第i+1个节点之间片段的圆心角...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈卫东，王贺升，王超，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31