【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及位置跟踪与形状感知领域，尤其涉及一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统及方法。
技术介绍
1、区别于传统的刚性骨骼结构，连续体不包含刚性连杆和确定的旋转关节，而是通过弹性变形产生连续弯曲，并通过平滑曲线的生成产生运动，因此具有更高的灵活性、柔性形变能力、更强的抗冲击和抗振动能力。连续体结构常用于柔性机器人的设计，其固有的顺应性和高灵活性使其能够通过曲折的通道执行如物体抓取、手术操作等对灵活性要求较高的任务。将连续体机器人应用于微创手术中可以大大提高微创医疗操作的准确性、安全性和自动化水平，进而减少对患者的创伤以及恢复时间。连续体也被用作液压系统中的密封件和软管，例如用于搜索和救援的蛇形机器人基于液压驱动，完全由消防水带的压力提供动力，可以到达消防员无法到达的危险或狭小的区域。
2、在连续体的应用过程中对其进行实时形状感知十分重要。例如，在微创手术中需要实时检测柔性机械臂的末端位置和形状信息。一方面，在外科手术期间，柔性机器人与人体生物组织相互作用，实时监测机器人的形状和位姿可以避免其对人体组织造成损伤；另一方面，向控制器实时提供位姿信息反馈便于对器械更精准的操控，这对执行手术过程中的准确控制是十分关键的。
3、现有的连续体形状感知方法中使用较广泛的是基于运动学模型的方法。常用的运动学模型一般基于分段恒曲率假设，不适用于连续体受到未知外部作用力或者载荷而发生局部曲率改变的情形，而在人体腔室中运动时连续体机器人所受的力和载荷都是未知的，所以通过这些方法无法准确感知在体内运动的连续体机器人的形状。基
技术实现思路
1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统及方法。
2、本专利技术所采用的技术方案是：
3、一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，包括：
4、柔性磁体，覆盖在连续体表面或直接用作部分连续体本体，用于产生形状感知所需的磁场；
5、磁场检测装置，用于检测由所述柔性磁体的运动和形状变化而带来的磁场变化信息；
6、处理器，根据检测到的磁场变化信息对柔性磁体位姿和形状进行计算，获取连续体的形状信息。
7、进一步地，所述连续体为连续体机器人、软体机器人、具有多关节的类连续体器械、柔性器械、柔性导管或者柔性内窥镜。
8、进一步地，所述柔性磁体的材料为掺杂了磁性材料(如钕铁硼)的高分子弹性材料；
9、所述柔性磁体与连续体的结合构型为空心柔性磁体紧密覆盖在被测连续体表面，或者直接在柔性器械本体中掺杂磁性材料。
10、进一步地，所述磁场检测装置包括：
11、磁传感器，用于将磁感应强度转化为电压信号；
12、信号处理单元，用于将电压信号进行预处理，并输出处理结果。
13、本专利技术所采用的另一技术方案是：
14、一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，包括以下步骤：
15、建立全局坐标系，以将所有器件使用统一坐标表示；
16、检测柔性磁体在进行运动和变形时引起的磁场变化信息；
17、根据磁场变化信息，采用离散磁体定位拟合法或者基于机器学习的直接形状感知方法获取连续体的形状信息。
18、进一步地，所述采用离散磁体定位拟合法获取连续体的形状信息，包括：
19、将连续柔性磁体离散为多段独立刚性磁体(磁偶极子)；
20、建立多段刚性磁体的运动学模型；
21、建立磁场测量值与离散刚性磁体位姿之间的数学关系模型；
22、结合运动学模型与磁场测量数学关系模型对磁场变化信息进行分析，采用位姿估计算法(如卡尔曼滤波算法)获得多段刚性磁体的位姿；
23、建立连续体形状的参数化模型，根据多段刚性磁体的位姿，采用曲线拟合方法(如贝塞尔曲线拟合法、多项式曲线拟合法)获得连续体形状。
24、进一步地，所述采用基于机器学习的直接形状感知方法获取连续体的形状信息，包括：
25、建立连续体形状的参数化模型；
26、建立基于机器学习模型(如神经网络模型)的磁场测量值与柔性磁体形状参数之间的数学关系模型；
27、使用数学关系模型对磁场变化信息进行分析，直接预测连续体的形状参数，获得连续体形状信息。
28、进一步地，所述连续体形状的参数化模型采用多项式表示法或者贝塞尔曲线表示法进行建立获得。
29、进一步地，在多项式表示法中，将连续体投影到两个正交平面，分别使用多项式函数和表示连续体在两平面中的投影曲线，其中ai和bi是待确定参数。
30、进一步地，贝塞尔曲线表示法，使用贝塞尔曲线显式表达式来表示连续体：
31、
32、其中pi为待确定参数。
33、进一步地，所述建立磁场测量值与离散刚性磁体位姿之间的数学关系模型，包括：
34、将连续柔性磁体看作多段刚性磁体，并对单个永磁体使用磁偶极子模型近似：
35、
36、磁传感器实际测得的是多个刚性永磁体所产生的和磁场，即：
37、
38、其中，μ0是真空介电常数，l表示离散刚性磁体个数，rj表示第j个永磁体中心到传感器中心的位置矢量，mj表示第j个永磁体产生的磁矩。
39、进一步地，所述多段刚性磁体的运动学模型基于恒速度模型建立，待估计的状态量参数包括柔性磁体的三维坐标、三轴方向的速度分量、柔性磁体的姿态向量，表示如下：
40、x＝[p v u]t
41、其中，p＝[x y z]t表示柔性磁体的三轴位置向量，v＝[vx vy vz]t表示柔性磁体的三轴速度分量，u＝[m n p]t表示柔性磁体的姿态向量；
42、磁场测量值由磁传感器阵列给出：
43、y＝[bx1 by1 bz1 bx2 by2 bz2 ... bxs bys bzs]t
44、其中，s表示所使用的传感器个数，[bxi byi bzi]表示第i个传感器的三轴磁场测量值；
45、建立系统的状态方程和磁场测量方程：
46、xk＝φk-1xk-1+gwk-1
47、yk＝h(xk)+ck
48、其中，xk表示k时刻待估计的状态参数，φk-1表示(k-1)时刻的状态转移矩阵，g本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，其特征在于，所述连续体为连续体机器人、软体机器人、具有多关节的类连续体器械、柔性器械、柔性导管或者柔性内窥镜。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，其特征在于，所述柔性磁体的材料为掺杂了磁性材料的高分子弹性材料；
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，其特征在于，所述磁场检测装置包括：
5.一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，其特征在于，所述采用离散磁体定位拟合法获取连续体的形状信息，包括：
7.根据权利要求5所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，其特征在于，所述采用基于机器学习的直接形状感知方法获取连续体的形状信息，包括：
8.根据权利要求6或7所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，其特征在于，所述连续体形状的参数化模型采
9.根据权利要求6所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，其特征在于，所述建立磁场测量值与离散刚性磁体位姿之间的数学关系模型，包括：
10.根据权利要求6所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，其特征在于，所述多段刚性磁体的运动学模型基于恒速度模型建立，待估计的状态量参数包括柔性磁体的三维坐标、三轴方向的速度分量、柔性磁体的姿态向量，表示如下：
...【技术特征摘要】
1.一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，其特征在于，所述连续体为连续体机器人、软体机器人、具有多关节的类连续体器械、柔性器械、柔性导管或者柔性内窥镜。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，其特征在于，所述柔性磁体的材料为掺杂了磁性材料的高分子弹性材料；
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知系统，其特征在于，所述磁场检测装置包括：
5.一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的一种基于柔性磁体的连续体形状感知方法，其特征在于，所述采用离散磁体定位拟合法获取连续体的形状信息...
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