带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法技术

本发明专利技术提供了一种带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，包括形状检测步骤：建立软体机械臂的分析模型，在软体机械臂内部埋设第一组光纤光栅传感器，将软体机械臂分为多个均匀的分段，通过第一组光纤光栅传感器检测每个软体机械臂分段的相关参数，所述相关参数能够表征软体机械臂的空间姿态；温度漂移补偿步骤：在软体机械臂中轴位置埋设第二组光纤光栅传感器，用于检测中轴的温度变化对中心波长位移的影响量，结合形状检测步骤消除温度对软体机械臂形态的影响。本发明专利技术在对软体机械臂柔性特性不产生损害的前提下，能够精确地检测出软体机械臂轴线的形状参数，并将温度对于软体机械臂形状检测精度的影响有效地消除。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光纤光栅传感领域和软体机器人领域，具体地，涉及一种带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法。
技术介绍
软体机械臂作为一种新型多自由度机械臂类型有着非常好的前景，受到了广泛关注，尤其在医疗领域具有非常大的使用空间，其在人体内脏的微创消融手术中有着高安全、低成本的特点。而如今于复杂手术中，对于软体机械臂的形状控制要求越来越高，更加精细的形状估计检测方法是目前急需攻克的技术难题。传统形状估计大体分为三类：其一为视觉控制，目前工作检测比较纯熟，但在内部环境中无法工作。其二为智能材料，能够在不破坏执行机构的情况下进行检测，但目前只能用于检测二维形状。其三是利用光纤光栅传感器，精度较高，对机械臂软体特性损伤小，但由于软体机械臂所处的工作环境温度具有多变性，且光纤光栅传感器对于温度敏感，将导致位置和形状检测有较大误差。目前没有发现同本专利技术类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。
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带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法。根据本专利技术提供的带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，包括如下步骤：形状检测步骤：建立软体机械臂的分析模型，在软体机械臂内部埋设第一组光纤光栅传感器，将软体机械臂分为多个均匀的分段，通过第一组光纤光栅传感器检测每个软体机械臂分段的相关参数，所述相关参数能够表征软体机械臂的空间姿态；温度漂移补偿步骤：在软体机械臂中轴位置埋设第二组光纤光栅传感器，用于检测中轴的温度变化对中心波长位移的影响量，结合形状检测步骤消除温度对软体机械臂形态的影响。优选地，所述形状检测步骤中的分析模型是指：将软体机械臂等效为由无数组初始情况下互相平行、距离相同且无法改变的刚性圆盘构成；其中，第一组光纤光栅传感器包括四根热膨胀系数、热光系数、有效弹光系数均相同的光纤光栅传感器，四根光纤光栅传感器沿软体机械臂的周向均匀放置在软体机械臂内部，且四根光纤光栅传感器与软体机械臂的中轴平行。优选地，所述形状检测步骤中的相关参数是指：软体机械臂分段的曲率、挠率、初始角度以及软体机械臂对应分段绕轴线扭转的角度。优选地，所述形状检测步骤包括：基于软体机械臂的分析模型，计算第一组光纤上光栅传感器穿过刚性圆盘位置处的应变值；具体地，将第一组光纤上光栅传感器穿过刚性圆盘的位置设为对应点，则第一组光纤光栅传感器中第i根光纤光栅传感器对应点的理论应变值εi′的计算公式如下：式中所有参数均为软体机械臂在考虑分段内的相关参数，其中：l为光纤光栅传感器光栅的自然长度，Δl表示软体机械臂该分段内体积微元模型中中心轴线的真实长度；表示软体机械臂该分段内体积微元模型中上截面相对于下截面绕中轴线旋转的角度；βi为考虑分段内第i根光纤上位于该分段的光栅处与所在截面圆心的连线相对于该分段建立的初始坐标系x轴的下平面的的连线和直角坐标系x轴的夹角，i＝1,2,3,4，其中下截面圆心为直角坐标系的原点O，上截面圆心为O’；r为光纤光栅传感器光纤分布处距软体机械臂轴线的距离，为在O’截面上位置为(d,α)的面元到O平面上对应面元的距离。优选地，所述温度漂移补偿步骤中的第二组光纤光栅传感器包括：两根中心波长相同，热膨胀系数、热光系数、有效弹光系数均不相同的光纤光栅传感器紧贴并排放置于软体机械臂的中轴处，相同中心波长光纤光栅传感器的光栅位置相同，且所述第二组光纤光栅传感器的光栅与第一组光纤光栅传感器相同中心波长的光栅对齐。优选地，第二组光纤光栅传感器的光栅处应变值随温度变化的计算公式如下： Δλ B 1 λ B 1 = ( 1 - P e 1 ) · ϵ + ( α 1 + ξ 1 ) · Δ T Δλ B 2 λ B 2 = ( 1 - P e 2 ) · ϵ + ( 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，其特征在于，包括如下步骤：形状检测步骤：建立软体机械臂的分析模型，在软体机械臂内部埋设第一组光纤光栅传感器，将软体机械臂分为多个均匀的分段，通过第一组光纤光栅传感器检测每个软体机械臂分段的相关参数，所述相关参数能够表征软体机械臂的空间姿态；温度漂移补偿步骤：在软体机械臂中轴位置埋设第二组光纤光栅传感器，用于检测中轴的温度变化对中心波长位移的影响量，结合形状检测步骤消除温度对软体机械臂形态的影响。

【技术特征摘要】
1.一种带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，其特征在于，包括如下步骤：形状检测步骤：建立软体机械臂的分析模型，在软体机械臂内部埋设第一组光纤光栅传感器，将软体机械臂分为多个均匀的分段，通过第一组光纤光栅传感器检测每个软体机械臂分段的相关参数，所述相关参数能够表征软体机械臂的空间姿态；温度漂移补偿步骤：在软体机械臂中轴位置埋设第二组光纤光栅传感器，用于检测中轴的温度变化对中心波长位移的影响量，结合形状检测步骤消除温度对软体机械臂形态的影响。2.根据权利要求1所述的带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，其特征在于，所述形状检测步骤中的分析模型是指：将软体机械臂等效为由无数组初始情况下互相平行、距离相同且无法改变的刚性圆盘构成；其中，第一组光纤光栅传感器包括四根热膨胀系数、热光系数、有效弹光系数均相同的光纤光栅传感器，四根光纤光栅传感器沿软体机械臂的周向均匀放置在软体机械臂内部，且四根光纤光栅传感器与软体机械臂的中轴平行。3.根据权利要求1所述的带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，其特征在于，所述形状检测步骤中的相关参数是指：软体机械臂分段的曲率、挠率、初始角度以及软体机械臂对应分段绕轴线扭转的角度。4.根据权利要求2所述的带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，其特征在于，所述形状检测步骤包括：基于软体机械臂的分析模型，计算第一组光纤上光栅传感器穿过刚性圆盘位置处的应变值；具体地，将第一组光纤上光栅传感器穿过刚性圆盘的位置设为对应点，则第一组光纤光栅传感器中第i根光纤光栅传感器对应点的理论应变值ε′i的计算公式如下：式中所有参数均为软体机械臂在考虑分段内的相关参数，其中：l为光纤光栅传感器光栅的自然长度，Δl表示软体机械臂该分段内体积微元模型中中心轴线的真实长度；表示软体机械臂该分段内体积微元模型中上截面相对于下截面绕中轴线旋转的角度；βi为考虑分段内第i根光纤上位于该分段的光栅处与所在截面圆心的连线相对于该分段建立的初始坐标系x轴的下平面的的连线和直角坐标系x轴的夹角，i＝1,2,3,4，其中下截面圆心为直角坐标系的原点O，上截面圆心为O’；r为光纤光栅传感器光纤分布处距软体机械臂轴线的距离，为在O’截面上位置为(d,α)的面元到O平面上对应面元的距离。5.根据权利要求1所述的带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，其特征在于，所述温度漂移补偿步骤中的第二组光纤光栅传感器包括：两根中心波长相同，热膨胀系数、热光系数、有效弹光系数均不相同的光纤光栅传感器紧贴并排放置于软体机械臂的中轴处，相同中心波长光纤光栅传感器的光栅位置相同，且所述第二组光纤光栅传感器的光栅与第一组光纤光栅传感器相同中心波长的光栅对齐。6.根据权利要求5所述的带温度漂移补偿的软体机械臂形状估计方法，其特征在于，第二组光纤光栅传感器的光栅处应变值随温度变化的计算公式如下： Δλ B 1 λ B 1 = ( 1 - P e ...

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