用于感知醫(yī)用軟體機械臂形狀的系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感與機器人領域，具體地，涉及一種用于感知醫(yī)用軟體機械臂 形狀的系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種能在密閉環(huán)境中，感知軟體機械臂形狀的系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002] 軟體機器人區(qū)別于傳統(tǒng)的剛性機器人，它由具有柔性的材料（如硅膠、鎳鈦合金） 等制成，有著良好的靈活性與安全性。因而，軟體機器人非常適合用于微創(chuàng)手術、營救等領 域。在微創(chuàng)手術、營救等應用中，軟體機器人往往要穿越狹小而密閉的環(huán)境才能到達目標位 置。這樣的環(huán)境是復雜、非結(jié)構(gòu)化的。軟體機器人的構(gòu)型會隨著環(huán)境的改變而改變，同時， 密閉的環(huán)境使操作者（如外科醫(yī)生）無法直接觀察到軟體機器人的形狀。在缺乏形狀反饋 的情況下，操作者很難進行下一步的操作。
[0003] 對軟體機器人形狀的感知依賴于各種傳感器。對于應用于微創(chuàng)手術的軟體機器人 來說，現(xiàn)有的醫(yī)學圖像手段，如超聲、核磁共振等手段，可以檢測出體內(nèi)軟體機器人的形狀。 但是這些方法存在圖像對比度過低，而且實時性太差。同時，受工作環(huán)境的限制，軟體機械 臂尺寸的外徑一般都比較小，因而安裝在軟體機械臂上的內(nèi)部傳感器的體積不能太大，而 且不能帶有電路從而限制了可用的傳感器種類。
[0004] 光纖光柵傳感器體積小，同時其電磁惰性能保證不會引起電子干擾，而且傳感 器內(nèi)部沒有電路元件，這些特性使得光纖光柵傳感器廣泛應用于建筑、醫(yī)學等領域。在 內(nèi)窺鏡形狀的測量方面，經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn)，專利申請?zhí)枮?00510025854. 6，授權(quán)公告號為： CN1692871A，專利名稱為軟性內(nèi)窺鏡三維曲線形狀檢測裝置和方法；專利申請?zhí)枮?200710043767. 2,授權(quán)公告號為：CN101099657A，專利名稱為細長柔性桿的空間形狀檢測裝 置和方法；這兩項專利中分別提出了一種內(nèi)窺鏡三維形狀檢測的裝置及方法。由于結(jié)構(gòu)的 限制，內(nèi)窺鏡無法軸向扭轉(zhuǎn)，所以現(xiàn)有的方法里都沒有撓率的檢測裝置，因而無法準確感知 彎曲加扭轉(zhuǎn)等復雜的形狀。此外現(xiàn)有技術中還提出了一種可以測量曲率和撓率的方法，但 是該方法只能適用于微小扭轉(zhuǎn)的情形，不適用于軟體手術機械臂。對于軟體機械臂來說，軸 向的扭轉(zhuǎn)能為末端帶來更高的自由度，簡化手術操作、提高手術效率。本發(fā)明在傳統(tǒng)的形狀 檢測裝置中引入了大撓率測量裝置，并設計了相應的算法。仿真結(jié)果證明，該種方法能準確 的檢測出復雜的空間形狀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種用于感知醫(yī)用軟體機械臂形狀 的系統(tǒng)及方法。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明提供的用于感知醫(yī)用軟體機械臂形狀的系統(tǒng)及方法，包括激光器、光 譜儀、軟體機械臂、傳感器、計算機；其中，所述激光器發(fā)射激光信號作為入射信號進入安裝 于軟體機械臂的傳感器形成反射信號，光譜儀將接收到的所述反射信號傳遞給計算機，計 算機根據(jù)所述反射信號處理得到軟體機械臂的形狀信息。
[0007] 優(yōu)選地，所述傳感器包括多個光纖光柵傳感器，其中所述多個光纖光柵傳感器都 沿軟體機械臂的軸向均勻地埋在所述軟體機械臂的內(nèi)部；且所述多個光纖光柵傳感器的橫 截面呈正方形分布；光纖光柵傳感器包括光纖、光柵，其中，每一光纖中分布有多個光柵； 入射信號進入光纖后，經(jīng)光柵反射形成反射信號。
[0008] 優(yōu)選地，所述計算機包括如下裝置：
[0009] 第一檢測裝置：用于通過光譜儀檢測出軟體機械臂未發(fā)生形變時各光柵的布拉格 波長；
[0010] 第二檢測裝置：用于通過光譜儀檢測出軟體機械臂發(fā)生形變時各光柵的布拉格波 長。
[0011] 優(yōu)選地，軟體機械臂沿軸向具有多個節(jié)點，軟體機械臂在相鄰節(jié)點之間沿一段平 面圓弧延伸，軟體機械臂的扭轉(zhuǎn)全部集中在節(jié)點處；所述計算機還包括如下裝置：
[0012] 第一計算裝置：用于對各個光柵，計算波長漂移Λ λB，計算式如下：
[0013] Λ λ B= λ「λ·;
[0014] 其中，λ ；3表不軟體機械臂未形變時各光柵的布拉格波長，λ ^表不軟體機械臂形 變時各光柵的布拉格波長；
[0015] 第二計算裝置：用于根據(jù)波長漂移Λ λ Β、軟體機械臂未發(fā)生形變時各光柵的布拉 格波長λ Β和光柵的有效光彈性系數(shù)，計算出各個光柵處的應變εχ，計算公式如下：
[0016] Δ λΒ= λ B(I-Pe) ε χ;
[0017] 其中，所述應變ε χ的物理意義為光纖伸縮量與光纖原長度的比值；
[0018] 第三計算裝置：用于計算位于第i個節(jié)點的光柵處的曲率K i撓率τ i以及和 ，其中ε C1為測量誤差；計算公式如下：
【主權(quán)項】
1. 一種用于感知醫(yī)用軟體機械臂形狀的系統(tǒng)，其特征在于，包括激光器、光譜儀、軟體 機械臂、傳感器、計算機；其中，所述激光器發(fā)射的激光信號作為入射信號進入安裝于軟體 機械臂的傳感器形成反射信號，光譜儀將接收到的所述反射信號傳遞給計算機，計算機根 據(jù)所述反射信號處理得到軟體機械臂的形狀信息。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于感知醫(yī)用軟體機械臂形狀的系統(tǒng)，其特征在于，所述傳 感器包括多個光纖光柵傳感器，其中所述多個光纖光柵傳感器沿軟體機械臂的軸向均勻地 埋在所述軟體機械臂的內(nèi)部；且所述多個光纖光柵傳感器的橫截面呈正方形分布；光纖光 柵傳感器包括光纖、光柵，其中，每一光纖中分布有多個光柵；入射信號進入光纖后，經(jīng)光柵 反射形成反射信號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于感知醫(yī)用軟體機械臂形狀的系統(tǒng)，其特征在于，所述計 算機包括如下裝置： 第一檢測裝置：用于通過光譜儀檢測出軟體機械臂未發(fā)生形變時各光柵的布拉格波 長； 第二檢測裝置；用于通過光譜儀檢測出軟體機械臂發(fā)生形變時各光柵的布拉格波長。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于感知醫(yī)用軟體機械臂形狀的系統(tǒng)，其特征在于，軟體機 械臂沿軸向具有多個節(jié)點，軟體機械臂在相鄰節(jié)點之間沿一段平面圓弧延伸，軟體機械臂 的扭轉(zhuǎn)全部集中在節(jié)點處；所述計算機還包括如下裝置： 第一計算裝置：用于對各個光柵，計算波長漂移AA,，計算式如下； A入B-入廠入FBG; 其中，Ac表示軟體機械臂未形變時各光柵的布拉格波長，AW。表示軟體機械臂形變時 各光柵的布拉格波長； 第二計算裝置：用于根據(jù)波長漂移AAc、軟體機械臂未發(fā)生形變時各光柵的布拉格波 長和光柵的有效光彈性系數(shù)P。，計算出各個光柵處的應變計算公式如下； A入B=入B(l-Pe)eX; 其中，所述應變e,的物理意義為光纖伸縮量與光纖原長度的比值； 第S計算裝置：用于計算位于第i個節(jié)點的光柵處的曲率K1、提率T1、W及， 其中e。為測量誤差；計算公式如下；
式中；標號A、B、C、D分別表示埋入軟體機械臂的第一光纖、第二光纖、第=光纖、第四 光纖，du表示下標J指代的標號所表示光纖的第i個光柵到軟體機械臂中屯、線的距離； 0U表示下標J指代的標號所表示光纖的第i個光柵與第一光纖的第i個光柵之間在所在 軟體機械臂的橫截面內(nèi)沿順時針方向的夾角，0M= 0 ; ai表示軟體機械臂在第i個節(jié)點與第i+1個節(jié)點之間部分的偏轉(zhuǎn)平面角；1i表示光 纖在第i個節(jié)點與第i+1個節(jié)點之間的原始長度，a,表示軟體機械臂中屯、線參數(shù)方程即圓 柱螺旋線參數(shù)方程中的參數(shù)，是計算Ki、Ti的中間變量，bi表示表示軟體機械臂中屯、線參 數(shù)方程即圓柱螺旋線參數(shù)方程中的參數(shù)，a,、bi由等式/；r 算出，其中Gr由實際測量 得出；Ki表示位于第i個節(jié)點的光柵處的曲率，Ti表示位于第i個節(jié)點的光柵處的提率； 表示下標J指代