用于安全的多芯纤维中冗余弯曲的计算制造技术

一种纤维包括M个主要纤芯和N个冗余纤芯，其中M是大于2的整数，并且N是大于1的整数。当光学纤维被置于感测位置时，干涉电路检测与M个主要纤芯和N个冗余纤芯相关联的干涉图案数据。数据处理电路基于纤维中的M个主要纤芯和N个冗余纤芯的预定几何结构以及检测到的与M个主要纤芯和N个冗余纤芯相关联的干涉图案数据，计算M个主要纤芯的主要纤芯纤维弯曲值和N个冗余纤芯的冗余纤芯纤维弯曲值。在比较中比较主要纤芯纤维弯曲值和冗余纤芯纤维弯曲值。基于该比较，确定针对M个主要纤芯检测到的数据是可靠的还是不可靠的。响应于确定不可靠而产生信号。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于安全的多芯纤维中冗余弯曲的计算本申请要求2016年7月8日提交的名称为“CALCULATIONOFREDUNDANTBENDINMULTI-COREFIBERFORSAFETY”的美国临时专利申请62/359,716的优先权和权益，其全部内容通过引用合并于此。
技术介绍
多芯光学纤维可以用于确定光学纤维的弯曲角度。具有三个纤芯的多芯纤维可以用于将纤维的变形分成两个弯曲角度(俯仰和偏转)和纤维伸长(应变)。在基于光学纤维的弯曲角度感测中，多信道分布式应变感测系统可以用于检测多芯光学弯曲感测纤维内的若干纤芯中的每一个的应变变化，例如US8,773,650中所述，其通过引用并入本文。可以通过方程组来组合多个分布式应变测量值，以产生一组物理测量值，物理测量值包括曲率和轴向应变，如US8,531,655中所述，其通过引用并入本文。这些物理测量值可以用于确定光学纤维的分布式弯曲角度。弯曲感测纤维的一些应用在弯曲感测输出的精度和可靠性方面需要高度的置信度或安全性。示例应用是在外科手术或其他环境中使用的机器人臂。提高这些机器人臂操作的置信度和安全性的一种方法是使用冗余。例如，不是仅使用一个位置编码器来确定机器人臂关节的当前角位置，而是可以使用两个位置编码器并且比较输出以确定两个编码器是否生成相同的位置或具有允许裕度的相同位置。如果输出不在允许的裕度内，则可以生成安全或故障信号以警告操作者错误情况。冗余纤维可以是一些弯曲感测应用的选择，以确保安全并且可靠的弯曲感测输出信息。但是在其他情况下，冗余纤维是不可能或不可取的，例如，由于空间限制、成本限制等。例如，在外科手术机器人臂中，包含弯曲感测纤维的导管空间可能太紧而不能容纳两个纤维。所需要的是另一种技术方案，其确保安全并且可靠的弯曲感测输出信息，但不需要冗余纤维。
技术实现思路
干涉测量系统测量包括M个主要纤芯和N个冗余纤芯的光学纤维，其中M是大于2的整数，并且N是大于1的整数。(在一个示例实施方式中，M＝3且N＝3，并且在另一个示例实施方式中，M＝4且N＝2)。当光学纤维被置于感测位置时，干涉检测电路检测与M个主要纤芯和N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据。基于M个主要纤芯和N个冗余纤芯的预定几何结构以及检测到的与M个主要纤芯和N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据，数据处理电路计算M个主要纤芯的主要纤芯纤维弯曲值和N个冗余纤芯的冗余纤芯纤维弯曲值。其还执行主要纤芯纤维弯曲值和冗余纤芯纤维弯曲值的比较，基于该比较确定检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是可靠的还是不可靠的，并且响应于确定不可靠而产生信号。在一个示例实施例中，当主要纤芯纤维弯曲值和冗余纤芯纤维弯曲值之间的差值超过预定阈值时，数据处理电路确定检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是不可靠的。信号可以表示以下中的一个或多个：(a)光学和/或电子感测和处理电路的操作中的错误，(b)与光学纤维的连接中的错误，(c)针对光学纤维确定的校准数据中的错误，(d)由纤维所经受的力引起的错误，否则数据处理电路不会对其进行补偿，或(e)算法的处理或执行中导致弯曲误算的错误。该错误可以是由光学纤维夹紧和/或由一个或多个环境条件引起的力。该信号还可以表示检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据的可靠性或不可靠性。在具体示例中，数据处理电路计算在M个主要纤芯和N个冗余纤芯中的每一个中测量的相位的导数，并且将M个主要纤芯的相位导数乘以主要纤芯转换矩阵并且将N个冗余纤芯的相位导数乘以冗余纤芯转换矩阵。在干涉测量系统的示例应用中，当光学纤维插入具有马达操作运动的机器人医疗器械的导管中时，(1)数据处理电路基于该比较确定检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是可靠的，以及(2)数据处理电路使用可靠的检测到的与M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据作为用于致动马达的反馈，以将机器人医疗器械移动到特定形状或方位。在一些示例实施例中，M个主要纤芯除了确定主要纤芯纤维弯曲值之外，还足以确定与纤维相关的扭转或温度。附图说明图1示出了可以用于量化六芯光学纤维的纤芯放置和应变响应的数学参数。图2示出了基于光频域反射(OFDR)的弯曲感测系统的第一示例实施例的示意图，该基于光频域反射的弯曲感测系统使用弯曲角度的冗余测量来识别错误。图3是用于校准第一示例实施例中的光学弯曲感测纤维的流程图。图4是用于检测第一示例实施例的弯曲感测系统中的错误的流程图。图5示出了可以用于量化六芯光学纤维的纤芯放置和应变响应的数学参数，其中一个纤芯对于主要计算和冗余计算是共享的。图6示出了所公开的技术在外科手术机器人器械中的示例应用。具体实施方式以下描述阐述了具体细节，例如出于解释而非限制的目的的特定实施例。但是，本领域技术人员将理解，可以除去这些具体细节采用其他实施例。在某些情况下，省略了对公知的方法、接口、电路和装置的详细描述，以免不必要的细节模糊描述。单独块在附图中示出为对应于各种节点。本领域的技术人员将理解，可以使用以下设备来实现那些块的功能：使用单独的硬件电路；使用软件程序和数据结合适当编程的数字微处理器或通用计算机；和/或使用专用集成电路(ASIC)；和/或使用一个或多个数字信号处理器(DSP)。软件程序指令和数据可以存储在非暂时性计算机可读存储介质上，并且当指令由计算机或其他合适的处理器控件执行时，计算机或处理器执行与那些指令相关联的功能。概述多芯光学纤维包含主要光学纤芯组，主要光学纤芯组用于结合OFDR器械提供纤维弯曲角度的基于干涉的测量。在示例实施例中，多芯光学纤维还包含第二多纤芯组，第二多纤芯组用于确定纤维弯曲角度的冗余的基于干涉的测量。将纤维弯曲角度的冗余测量与纤维弯曲角度的主要测量进行比较，以便增加主要测量的置信度和可靠性。冗余纤芯在相同多芯纤维内位于与用于主要测量的纤芯不同的位置，并且冗余纤芯检测由任何主要纤芯中的不正确的分布式应变测量引起的错误，以及由分布式应变测量到弯曲角度的不正确映射引起的错误。此外，由于附加纤芯需要部分独立于主要纤芯的电路，因此也可以检测由独立电路引起的任何错误。以下出于说明而非限制的目的描述示例多芯纤维。所描述的原理也适用于多芯纤维，其中多个主要纤芯和冗余纤芯沿光学纤维的长度具有不同的相对位置。该技术适用于纺成纤维，其中纤芯被螺旋缠绕以便测量纤维上的扭转(twist)这些原理也适用于具有六个以上纤芯的多芯纤维。第一示例实施例图1示出了六芯光学纤维以及可以用于量化纤芯放置和应变响应的数学参数。尽管使用了术语纤芯，但该技术适用于可以用于纤维的其他类型的波导。注意，可以使用不同数量的纤芯，并且为了简单，所有纤芯处于距多芯纤维的中心相同的半径处。存在三个主要测量纤芯a1、b1和c1以及三个冗余测量纤芯a2、b2和c2。主要测量纤芯的数量可以概括为正整数M，并且冗余测量纤芯的数量可以概括为正整数N。M和N可以与图1中的相同，即M＝3和N＝3，或者与图5中的相同，即M＝4和N＝2，如下所述。穿过多芯纤维的中心的竖直轴线穿过两个外纤芯或外围纤芯a1和a2。这些外纤芯a1和a2被称为“参考纤芯”，因为若干参数相对于这些纤芯a1和a2来表示了。因此，在此用字母“a”标识的(一个或多个)纤芯用作一个或多个参考纤芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量光学纤维的干涉测量系统，所述光学纤维包括M个主要纤芯和N个冗余纤芯，其中M是大于2的整数，并且N是大于1的整数，所述干涉测量系统包括：干涉检测电路，其配置为当所述光学纤维被置于感测位置时，检测与所述M个主要纤芯和所述N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据；以及数据处理电路，其配置为：基于所述M个主要纤芯和所述N个冗余纤芯的预定几何结构以及检测到的与所述M个主要纤芯和所述N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据，计算所述M个主要纤芯的主要纤芯纤维弯曲值和所述N个冗余纤芯的冗余纤芯纤维弯曲值，执行所述主要纤芯纤维弯曲值和所述冗余纤芯纤维弯曲值的比较，基于所述比较，确定检测到的与所述M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是可靠的还是不可靠的，并且响应于确定不可靠而产生信号。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.07.08 US 62/359,7161.一种用于测量光学纤维的干涉测量系统，所述光学纤维包括M个主要纤芯和N个冗余纤芯，其中M是大于2的整数，并且N是大于1的整数，所述干涉测量系统包括：干涉检测电路，其配置为当所述光学纤维被置于感测位置时，检测与所述M个主要纤芯和所述N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据；以及数据处理电路，其配置为：基于所述M个主要纤芯和所述N个冗余纤芯的预定几何结构以及检测到的与所述M个主要纤芯和所述N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据，计算所述M个主要纤芯的主要纤芯纤维弯曲值和所述N个冗余纤芯的冗余纤芯纤维弯曲值，执行所述主要纤芯纤维弯曲值和所述冗余纤芯纤维弯曲值的比较，基于所述比较，确定检测到的与所述M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是可靠的还是不可靠的，并且响应于确定不可靠而产生信号。2.根据权利要求1所述的干涉测量系统，其中所述信号表示包含以下中的一个或多个的错误：(a)光学感测和处理电路的操作中的错误，或电子感测和处理电路的操作中的错误，(b)与所述光学纤维的连接中的错误，(c)针对所述光学纤维确定的校准数据中的错误，(d)由所述纤维所经受的力引起的错误，否则所述数据处理电路不会对其进行补偿，或者(e)算法的处理或执行中导致弯曲值误算的错误。3.根据权利要求2所述的干涉测量系统，其中所述错误是由所述光学纤维的夹紧引起的。4.根据权利要求2所述的干涉测量系统，其中所述错误是由一个或多个环境条件引起的。5.根据权利要求1所述的干涉测量系统，或根据权利要求2到4中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中M＝3且N＝3。6.根据权利要求1所述的干涉测量系统，或根据权利要求2到4中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中M＝4且N＝2。7.根据权利要求1所述的干涉测量系统，或根据权利要求2到4中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中所述数据处理电路配置为：通过计算在所述M个主要纤芯和所述N个冗余纤芯中的每一个中测量的相位的导数来计算相位导数，并且将所述M个主要纤芯的所述相位导数乘以主要纤芯转换矩阵，并且将所述N个冗余纤芯的所述相位导数乘以冗余纤芯转换矩阵。8.根据权利要求1所述的干涉测量系统，或根据权利要求2到4中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中所述信号表示检测到的与所述M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据的可靠性或不可靠性。9.根据权利要求1所述的干涉测量系统，或根据权利要求2到4中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中所述数据处理电路进一步配置为，当所述主要纤芯纤维弯曲值和所述冗余纤芯纤维弯曲值之间的差值超过预定阈值时，确定检测到的与所述M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据的不可靠性。10.根据权利要求1所述的干涉测量系统，或根据权利要求2到4中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中当所述光学纤维插入具有马达操作运动的机器人医疗器械的导管中时，所述数据处理电路配置为：基于所述比较，确定检测到的与所述M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据是可靠的，并且使用可靠的检测到的与所述M个主要纤芯相关联的测量干涉图案数据作为用于致动马达的反馈，以将所述机器人医疗器械移动到特定形状或方位。11.根据权利要求1所述的干涉测量系统，或根据权利要求2到4中的任一权利要求所述的干涉测量系统，其中所述M个主要纤芯除了确定所述主要纤芯纤维弯曲值之外，还足以确定与所述纤维相关联的扭转或温度。12.一种用于测量光学纤维的方法，所述光学纤维包括M个主要纤芯和N个冗余纤芯，其中M是大于2的整数，并且N是大于1的整数，所述方法包括：当所述光学纤维被置于感测位置时，使用干涉检测电路检测与所述M个主要纤芯和所述N个冗余纤芯相关联的测量干涉图案数据；基...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·罗伊，M·弗罗格特，D·吉福德，
申请(专利权)人：直观外科手术操作公司，
类型：发明
国别省市：美国,US