一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法技术

本发明专利技术涉及一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，在柔性体上安装三根沿螺旋线分布的光纤光栅，将柔性体一端固定，另一端依次运动至多个设定位置，光纤光栅测量柔性体到达每个位置时的第一位姿信息，同时利用双目视觉算法得到柔性体在每个位置的第二位姿信息，分析第一位姿信息和第二位姿信息的关系，对测量的第一位姿信息进行标定；其中，柔性体划分为多节，光纤光栅在每节处均设置栅点，计算得到柔性体每节的形变信息，利用计算得到的形变信息得到柔性体固定端和运动端坐标系的变换矩阵，根据得到的变换矩阵得到柔性载体运动端的第一位姿信息，本发明专利技术的方法能够使光纤光栅测量柔性体大变形空间位姿准确可靠。

A method of detecting and calibrating large deformation space pose of flexible body based on Fiber Bragg grating

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法
本专利技术涉及光纤光栅测量
，具体涉及一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法。
技术介绍
这里的陈述仅提供与本专利技术相关的
技术介绍
，而不必然地构成现有技术。多自由度、连续变形的柔性体结构作业时可实现弯曲、扭转、延伸、接触等操作，既具有高柔性和大变形能力，又可以承受和吸收较大的能量冲击，在军事侦查、执行地震救援、管道检查、微创手术等领域具有广阔的应用前景。对柔性体进行运动控制和操作规划的前提是已知柔性体空间位姿与力学特性，进而进行闭环控制柔性体各种运动操作。近年来机器视觉检测技术快速发展，使视觉检测具有非接触、精度高的优点，但专利技术人发现，在实际环境视野、光线受限，工况复杂不便携带的情况下，机器视觉无法达到检测目的。光纤光栅具有体小质轻、抗电磁干扰、灵敏度高的优点，分布式布置不仅可实现柔性体的空间位姿(拉伸、弯曲、扭转)的自动感知，也可检测柔性体内部形变。然而专利技术人发现光纤光栅本身测量范围小，无法直接用于检测柔性体大变形，且目前缺少对光纤光栅检测柔性体大变形空间位姿的精确标定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是为克服现有技术的不足，提供一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，能够利用光纤光栅对柔性体大变形空间位姿进行检测，并对检测结果进行标定，使得测量结果更加精确。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术的实施例提供了一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，在柔性体上安装三根沿螺旋线分布的光纤光栅，将柔性体一端固定，另一端依次运动至多个设定位置，光纤光栅测量柔性体到达每个位置时的第一位姿信息，同时利用双目视觉算法得到柔性体在每个位置的第二位姿信息，分析第一位姿信息和第二位姿信息的关系，对测量的第一位姿信息进行标定；其中，柔性体划分为多节，光纤光栅在每节处均设置栅点，计算得到柔性体每节的形变信息，然后利用计算得到的形变信息得到柔性体固定端和运动端坐标系的变换矩阵，根据得到的变换矩阵得到柔性载体运动端的第一位姿信息。结合第一方面，本专利技术实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，柔性体每节的形变信息包括拉伸应变、偏转角、曲率和弯曲角；根据柔性体每节的三个光纤光栅测量得到的柔性体总应变值计算三条光纤光栅的栅点所在的柔性体母线的应变值，根据得到的柔性体每节的母线应变值计算柔性体每节的拉伸应变；根据三条光纤光栅的栅点所在的柔性体母线的应变值、柔性体每节的初始长度及拉伸应变计算柔性体每节的偏转角及曲率；根据柔性体每节的初始长度、柔性体每节的拉伸应变及曲率得到柔性体每节的弯曲角。第二方面，本专利技术实施例提供了一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，在柔性体上安装沿螺旋线分布的三根第一光纤光栅及一根第二光纤光栅，第二光纤光栅与第一光纤光栅旋向相反，将柔性体一端固定，另一端依次运动至多个设定位置，光纤光栅测量柔性体到达每个位置时的第一位姿信息，同时利用双目视觉算法得到柔性体在每个位置的第二位姿信息，分析第一位姿信息和第二位姿信息的关系，对测量的第一位姿信息进行标定；其中，柔性体划分为多节，与第二光纤光栅交叉的第一光纤光栅在每节的交叉点处设置栅点，第二光纤光栅在与第一光纤光纤的交叉点处设置栅点，其余第一光纤光栅在每节处均设置栅点，计算得到柔性体每节的形变信息，然后利用计算得到的形变信息得到柔性体固定端和运动端坐标系的变换矩阵，根据得到的变换矩阵得到柔性载体运动端的第一位姿信息。结合第二方面，本专利技术实施例提供了第二方面的一种可能实施方式，柔性体每节的形变信息包括扭转角、拉伸应变、偏转角、曲率和弯曲角；根据交叉的第一光纤光栅和第二光纤光栅在柔性体每节测量得到的总应变值计算柔性体每节的扭转角；根据柔性体每节的三个第一光纤光栅测量得到的柔性体总应变值计算三条第一光纤光栅的栅点所在的柔性体母线的应变值，根据得到的柔性体每节的母线应变值计算柔性体每节的拉伸应变；根据三条第一光纤光栅的栅点所在的柔性体母线的应变值、柔性体每节的初始长度及拉伸应变计算柔性体每节的偏转角及曲率；根据柔性体每节的初始长度、拉伸应变及曲率得到柔性体每节的弯曲角。本专利技术的有益效果：本专利技术的利用光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，柔性体上设置光纤光栅，能够利用光纤光栅检测柔性体多节的曲率、扭转角、拉伸应变等形变信息，然后通过变换矩阵得到柔性体末端第一位姿信息，将柔性体与待检测的柔性零件固定连接后，即可对待检测柔性零件的大变形和空间位姿进行感知，同时计算曲率等信息时考虑了拉伸应变，即考虑了柔性零件轴向的变化，适用于柔性零件轴向发生变化时的检测，同时，利用双目视觉算法得到的第二位姿信息对第一位姿信息进行标定，使得测量结果更加精确，节省了人力物力。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。图1为本专利技术实施例1检测标定方法流程示意图；图2为本专利技术实施例1柔性体与标定装置装配示意图；图3为本专利技术图实施例2检测标定方法流程示意图；图4为本专利技术实施例2标定装置万向球关节位置示意图；其中，1.柔性体，2.底板，3.框架，4.X向线性移动机构，5.Y向线性移动机构，6.Z向线性移动机构，7.第一相机，8.第二相机，9.第二三轴联动机构，10.万向球关节。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。为了方便叙述，本专利技术中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。正如
技术介绍
所介绍的，目前光纤光栅不适用于测量柔性体的大变形位姿信息，且无法对光纤光栅的测量结果进行标定，针对上述问题，本申请提出了一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法。本申请的一种典型实施方式实施例1中，如图1-2所示，一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，在由橡胶材质制成的柔性体1的外周面上布置三根沿螺旋线分布的光纤光栅，柔性体为圆柱形结构，柔性体同一截面上，三根光纤光栅沿截面圆周均匀分布。即两个光纤光栅中心点与柔性载体截面圆周圆心连线夹角为120°。...

【技术保护点】
1.一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，其特征在于，在柔性体上安装三根沿螺旋线分布的光纤光栅，将柔性体一端固定，另一端依次运动至多个设定位置，光纤光栅测量柔性体到达每个位置时的第一位姿信息，同时利用双目视觉算法得到柔性体在每个位置的第二位姿信息，分析第一位姿信息和第二位姿信息的关系，对测量的第一位姿信息进行标定；/n其中，柔性体划分为多节，光纤光栅在每节处均设置栅点，计算得到柔性体每节的形变信息，然后利用计算得到的形变信息得到柔性体固定端和运动端坐标系的变换矩阵，根据得到的变换矩阵得到柔性载体运动端的第一位姿信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，其特征在于，在柔性体上安装三根沿螺旋线分布的光纤光栅，将柔性体一端固定，另一端依次运动至多个设定位置，光纤光栅测量柔性体到达每个位置时的第一位姿信息，同时利用双目视觉算法得到柔性体在每个位置的第二位姿信息，分析第一位姿信息和第二位姿信息的关系，对测量的第一位姿信息进行标定；
其中，柔性体划分为多节，光纤光栅在每节处均设置栅点，计算得到柔性体每节的形变信息，然后利用计算得到的形变信息得到柔性体固定端和运动端坐标系的变换矩阵，根据得到的变换矩阵得到柔性载体运动端的第一位姿信息。


2.如权利要求1所述的一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，其特征在于，所述柔性体用于运动的一端与三轴联动机构连接，三轴联动机构能够带动柔性体端部运动至空间内的多个设定位置。


3.如权利要求1所述的一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，其特征在于，柔性体每节的形变信息包括拉伸应变、偏转角、曲率和弯曲角；
根据柔性体每节的三个光纤光栅测量得到的柔性体总应变值计算三条光纤光栅的栅点所在的柔性体母线的应变值，根据得到的柔性体每节的母线应变值计算柔性体每节的拉伸应变；
根据三条光纤光栅的栅点所在的柔性体母线的应变值、柔性体每节的初始长度及拉伸应变计算柔性体每节的偏转角及曲率；
根据柔性体每节的初始长度、柔性体每节的拉伸应变及曲率得到柔性体每节的弯曲角。


4.如权利要求3所述的一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，其特征在于，将计算得到的偏转角、曲率和弯曲角代入柔性体相邻节坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵，得到柔性体相邻节坐标系之间的变换矩阵，根据得到的相邻节之间的变换矩阵计算柔性体固定端和运动端的变换矩阵。


5.一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法，其特征在于，在柔性体上安装沿螺旋线分布的三根的第一光纤光栅及一根第二光纤光栅，第二光纤光栅与第一光纤光栅旋向相反，将柔性体一端固定，另一端依次运动至多个设定位置，光纤光栅测量柔性体到达每个位置时的第一位姿信息，同时利用双目视觉算法得到柔性体在每个位置的第二位姿信息，分析第一位姿信息和第二位姿信息的关系，对测量的第一位...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯秋林，路长厚，孙雨，任旭，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37