CN109925069A - 三维位姿检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种三维位姿检测装置及方法，属于柔性材料技术领域。包括：柔性基体、若干个柔性传感器、信号采集设备及形态模拟设备；若干个柔性传感器沿柔性基体三维阵列分布，若干个柔性传感器与形态模拟设备通过信号采集设备连接；信号采集设备，用于接收若干个柔性传感器的传感信号，并将传感信号传递至形态模拟设备；形态模拟设备，用于根据传感信号模拟柔性基体的三维位姿。由于带有柔性传感器的柔性基体是具有柔性及可拉伸性的，从而使得被检测对象不会受到限制，适用范围更广。与此同时，用于制作柔性传感器的柔性材料本身还具有不受电磁干扰、医疗兼容性好、无放射性、安全可靠且制作成本低等优点。

Description

三维位姿检测装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及柔性材料技术领域，尤其涉及一种三维位姿检测装置及方法。

背景技术

柔性机器人具有极高的灵活性和适应性，能够向任何方向进行弯曲，从而能够适应更为复杂的环境，具有更好地安全性和人机交互性。因此，受到了广泛的关注。在微创手术、仿生机器人、环境监测和灾害救援等领域具有很好的应用前景。然而由于柔性机器人整体是柔性材料，具有整体变形大和无限的自由度等特点，带来了非常复杂的位姿检测问题,柔性姿态的检测和定位非常困难。例如，象鼻型的多段柔性体内窥镜或机器人，在自然腔道微创手术中，医生借助细长的柔性镜体实施手术操作，一端由医生控制，另一端通过腔道探入到人体内进行手术操作。但由于人体内自然腔道形状复杂，器械操作过程中器械在三维空间内呈现出复杂的弯曲状态，并且在外部器官的作用下柔性器械产生变形，柔性体的位姿检测和定位非常困难，而且位姿检测装置及方法是决定手术质量的重要因素，直接影响医生的操作难度和精确度，手术的成功率。

在相关技术中，通常是通过光栅光纤传感器进行位姿检测。由于光纤容易拉断，从而使用光栅光纤传感器的被检测对象直径都比较小，且测量曲率半径较大，适用范围窄。同时，光栅光纤传感器还需要庞大的后端检测设备，可移动性较差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的三维位姿检测装置及方法。

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种三维位姿检测装置，该装置包括：柔性基体、若干个柔性传感器、信号采集设备及形态模拟设备；若干个柔性传感器沿柔性基体三维阵列分布，若干个柔性传感器与形态模拟设备通过信号采集设备连接；

信号采集设备，用于接收若干个柔性传感器的传感信号，并将传感信号传递至形态模拟设备；形态模拟设备，用于根据传感信号模拟柔性基体的三维位姿。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种三维位姿检测方法，该方法包括：

获取若干个柔性传感器采集到的传感信号，若干个柔性传感器沿柔性基体三维阵列分布；

根据传感信号，模拟柔性基体的三维位姿。

本发明实施例提供的三维位姿检测装置及方法，由于带有柔性传感器的柔性基体是具有柔性及可拉伸性的，从而使得被检测对象不会受到限制，适用范围更广。与此同时，用于制作柔性传感器的柔性材料本身还具有不受电磁干扰、医疗兼容性好、无放射性、安全可靠且制作成本低等优点。其次，由于柔性传感器是沿柔性基体三维阵列分布的，本身可获取传感信号以用于后续检测，而无需额外的后端检测设备，从而移动性较佳。另外，由于柔性基体可以制作成不同厚度、形状和图案的传感器件，从而具有紧凑、可扩展性强、易于制作等优点。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述是示例性和解释性的，并不能限制本发明实施例。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本发明实施例提供的一种三维位姿检测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种柔性基体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种柔性传感器的三维排列分布图；

图4为本发明实施例提供的一种三维位姿检测方法的流程示意图；

图5为本发明实施例提供的一种柔性基体的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种驱动装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种闭环算法的信号流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

柔性机器人具有极高的灵活性和适应性，能够向任何方向进行弯曲，从而能够适应更为复杂的环境，具有更好地安全性和人机交互性。因此，受到了广泛的关注。在微创手术、仿生机器人、环境监测和灾害救援等领域具有很好的应用前景。然而由于柔性机器人整体是柔性材料，具有整体变形大和无限的自由度等特点，带来了非常复杂的位姿检测问题,柔性姿态的检测和定位非常困难。例如，象鼻型的多段柔性体内窥镜或机器人，在自然腔道微创手术中，医生借助细长的柔性镜体实施手术操作，一端由医生控制，另一端通过腔道探入到人体内进行手术操作。但由于人体内自然腔道形状复杂，器械操作过程中器械在三维空间内呈现出复杂的弯曲状态，并且在外部器官的作用下柔性器械产生变形，柔性体的位姿检测和定位非常困难，而且位姿检测装置及方法是决定手术质量的重要因素，直接影响医生的操作难度和精确度，手术的成功率。

在相关技术中，通常是通过光栅光纤传感器进行位姿检测。由于光纤容易拉断，从而使用光栅光纤传感器的被检测对象直径都比较小，且测量曲率半径较大，适用范围窄。同时，光栅光纤传感器还需要庞大的后端检测设备，可移动性较差，位姿的计算方法较为复杂。

针对上述情形，本发明实施例提供了一种三维位姿检测装置。该装置可以用于医疗的胃镜，结肠镜等手术中，本发明实施例对此不作具体限定。具体地，当柔性基体在人体内发生变化时，医生可以实时地在显示设备上观察柔性基体的三维位姿，从而方便医生的手术操作。为了便于说明，现列明本发明实施例可能涉及到的组件及组件标号：

柔性基体1；信号采集设备2；形态模拟设备3；显示设备4；流体管5；流体腔6；柔性传感器7；柔性基体8。

参见图1，该装置包括：柔性基体1、信号采集设备2、形态模拟设备3及若干个柔性传感器；若干个柔性传感器沿柔性基体1三维阵列分布，若干个柔性传感器与形态模拟设备3通过信号采集设备2连接；信号采集设备2，用于接收若干个柔性传感器的传感信号，并将传感信号传递至形态模拟设备3；形态模拟设备3，用于根据传感信号模拟柔性基体1的位姿。需要说明的是，由于模拟出柔性基体1通常还需要展示给相关工作人员，从而该装置还可以包括显示设备4。

本发明实施例提供的三维位姿检测装置，由于带有柔性传感器的柔性基体1是具有柔性及可拉伸性的，从而使得被检测对象不会受到限制，适用范围更广。与此同时，用于制作柔性传感器的柔性材料本身还具有不受电磁干扰、医疗兼容性好、无放射性、安全可靠且制作成本低等优点。其次，由于柔性传感器是沿柔性基体1分布的，本身可获取传感信号以用于后续检测，而无需额外的后端检测设备，从而移动性较佳。另外，由于柔性基体1可以制作成不同厚度、形状和图案的传感器件，从而具有紧凑、可扩展性强、易于制作等优点。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若干个柔性传感器沿柔性基体1呈三维阵列分布。其中，柔性基体1的形状结构可参考图2，沿柔性基体1三维阵列分布的柔性传感器可如图3所示。柔性传感器在柔性基体1上呈三维阵列分布，可以更好地从各个方位检测柔性基体1的三维位姿。另外，柔性传感器采用三维阵列分布，可以自由组合排列，以检测任意复杂柔性基体的三维位姿，从而有更广的适用范围。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，柔性基体是由硅胶、聚二甲基硅氧烷或水凝胶所制成，所述柔性基体的制成方式为模具灌注、3D打印或化学反应。这些材料具有很强的柔性及可拉伸性，从而使得被检测对象不会受到限制，适用范围更广。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，柔性基体1的三维结构及形状是通过模具灌注、3D打印或化学反应的方式得到的。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若干个柔性传感器是由柔性材料制成的，柔性材料为石墨烯、液态金属或碳纳米管。基于上述柔性材料制作出的柔性传感器，具有重量轻、紧凑及可拓展性强等特点。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若干个柔性传感器是按照预设方式将柔性材料集成到柔性基体1上所制成的，预设方式为转印、浸润、印刷或光刻。通过上述方式，可以使得柔性传感器对柔性基体1具有更好的贴附性及亲和性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，信号采集设备2包括：若干个电阻测量模块；若干个电阻测量模块，用于检测若干个柔性传感器的电阻值，并作为传感信号。由于柔性传感器变形，即可引起自身电阻值变化，从而将电阻值作为传感信号便于采集。另外，基于电阻值后面计算三维位姿时相应的算法复杂度也低，从而能够达到较高的实时响应性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，形态模拟设备3，具体用于将若干个柔性传感器的电阻值输入至柔性材料的电阻值与长度之间的映射模型，输出若干个柔性传感器的长度，将若干个柔性传感器的长度输入至预设模型，输出柔性基体的三维姿态参量，预设模型是基于柔性传感器的样本长度及样本三维姿态参量训练得到的。

其中，三维姿态参量可以包括柔性基体1的曲率半径、曲率角及方位角，本发明实施例对此不作具体限定。具体地，可以预先对柔性传感器进行初始化及标定，再通过实验得到柔性传感器一系列的长度变化与对应电阻值。接着，利用长度变化与电阻值之间的实际映射关系，对理论数学模型进行修正和建模，从而得到映射模型。

在实际测量得到分布在柔性基体1上的每一柔性传感器的电阻值后，即可将电阻值输入至映射模型，即可得到每一柔性传感器的长度。另外，还可以预先建立柔性材料的长度与柔性基体1三维位姿之间的预设模型。在得到每一柔性传感器的长度后，可将每一柔性传感器的长度输入至预设模型，以得到柔性基体1的三维位姿，也即三维姿态变量。在得到三维姿态变量，可模拟柔性基体的三维位姿并在显示设备4中显示。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例还提供了一种三维位姿检测方法。参见图4，该方法包括：

401、获取若干个柔性传感器采集到的传感信号，若干个柔性传感器沿柔性基体三维阵列分布；

402、根据传感信号，模拟柔性基体的三维位姿。

本发明实施例提供的方法，通过获取若干个柔性传感器采集到的传感信号，根据传感信号，模拟柔性基体的三维位姿。由于带有柔性传感器的柔性基体是具有柔性及可拉伸性的，从而使得被检测对象不会受到限制，适用范围更广。与此同时，用于制作柔性传感器的柔性材料本身还具有不受电磁干扰、医疗兼容性好、无放射性、安全可靠且制作成本低等优点。其次，由于柔性传感器是沿柔性基体三维阵列分布的，本身可获取传感信号以用于后续检测，而无需额外的后端检测设备，从而移动性较佳。另外，由于柔性基体可以制作成不同厚度、形状和图案的传感器件，从而具有紧凑、可扩展性强、易于制作等优点。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，若干个柔性传感器由柔性材料制成，传感信号为若干个柔性传感器的电阻值；相应地，本发明实施例不对根据传感信号，模拟柔性基体的三维位姿的方式作具体限定，包括但不限于：将若干个柔性传感器的电阻值输入至柔性材料的电阻值与长度之间的映射模型，输出若干个柔性传感器的长度；将若干个柔性传感器的长度输入至预设模型，输出柔性基体的三维姿态参量，预设模型是基于柔性传感器的样本长度及样本三维姿态参量训练得到的。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，三维姿态参量包括柔性基体的曲率半径、曲率角及方位角。

其中，构建映射模型及预设模型的主要过程可参考上述实施例的内容，此处不再赘述。需要说明的是，柔性基体的形状不同，构建映射模型的方式也不相同。以柔性基体呈圆柱体为例，可将柔性传感器均匀印刷在柔性基体撒谎那个，从而得到沿圆周等间距分布的三个柔性传感器。其中，每一柔性传感器与圆柱体的母线平行，彼此之间的夹角是120°，具体可参考图5。

以图5中三个柔性基体呈圆柱体为例，首先，可确定柔性传感器的长度与电阻值之间的关系，以建立映射模型，并测量自然状态下柔性传感器的长度及电阻值作为标定值使用。该映射模型具体可以为：

其中，R₀表示电阻的标定值，l₀表示长度的标定值，即自然状态下柔性传感器的电阻和长度。R表示当前的电阻值，l表示当前的长度。通过实验可以验证该结论或对这一模型进行修正。接着，可以建立三个柔性传感器的长度与三维位姿之间的关系，具体可参考如下公式：

根据上述关系，可得到三维位姿变量的计算表达式，也即预设模型，具体参考如下公式：

其中，l₁、l₂、l₃分别表示三个柔性传感器的长度，R表示柔性传感器与底面圆心之间的距离，θ及r分别表示柔性基体上下表面圆心之间的曲率角及曲率半径，表示柔性基体的曲率半径与x轴之间的夹角。

为了便于理解，以图2中所示的复杂的柔性基体为例，图3为柔性传感器的三维阵列分布。利用微元法的思想，可以首先将复杂柔性基体分段，彼此之间的柔性传感器用绝缘层隔开。然后利用上述柔性传感器的阵列分布分别检测每一小段的三维位姿，基于上述预设模型的公式，计算三维第i小段的三维位姿参量，可参考如下公式：

其中，l_i1、l_i2、l_i3分别表示第i小段的三个柔性传感器的长度，R_i表示第i小段的柔性传感器与底面圆心之间的距离。θ_i及r_i分别表示第i小段柔性基体上下表面圆心之间的曲率角和曲率半径，表示第i小段柔性体的方位角。

通过上述测量方法获得每一小段的位姿参量，然后通过所有小段状态的组合得到整个复杂柔性体的位姿，并在显示器上进行显示。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，多个三维姿态检测装置可以通过组合和阵列排布的方式，以检测复杂柔性体的三维姿态。基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，实际应用中，本发明实施例提供的检测装置及方法可以与机器人技术结合，实现机器人姿态的检测，并可根据柔性传感器的反馈实现机器人的闭环控制，最终实现柔性基体的定向运动和检测。具体地，可将检测装置和软体多自由器械或机器人结合。如图6所示，图6为实现机器人姿态检测的驱动装置。该驱动装置中包括流体管5，流体腔6，柔性传感器7及柔性基体8。通过流体管5可以向流体腔6内充入气体或液体，在气压或液压的作用下，流体腔6沿管体方向伸长或收缩，通过控制多个流体腔6中的压力，实现柔性基体8在空间内弯曲和伸缩，同时柔性传感器7随之运动，可以实现柔性基体三维位姿的检测。如果通过闭环算法对检测到的三维位姿参量进行反馈，即可实现柔性基体的定向运动和实时的显示。如图7所示，图7为实现控制姿态的闭环算法信号流程图。首先确定目标姿态，柔性传感器检测柔性基体的实际姿态，利用集成在柔性基体上的柔性传感器对柔性体的三维位姿参量进行捕获，然后反馈给计算机并对柔性体的三维姿态进行显示，根据反馈信息计算理论的流体腔压力分配和速率，机器人姿态调整通过控制流体腔压力，利用压强传感器对实际压强进行捕获，然后将测量得到的压强值反馈给计算机，并与目标压力进行比较，结合理论上进行标定的压强模型，选择合适的步进速率和压力，使得柔性基体产生定向运动。另外，软体多自由度器械或机器人可以使用气压驱动、绳驱动或液压驱动，与三维位姿检测装置构成了一个整体的系统，可以同时实现柔性体的驱动和三维位姿检测。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三维位姿检测装置，其特征在于，包括：柔性基体、若干个柔性传感器、信号采集设备及形态模拟设备；所述若干个柔性传感器沿所述柔性基体三维阵列分布，所述若干个柔性传感器与所述形态模拟设备通过所述信号采集设备连接；

所述信号采集设备，用于接收所述若干个柔性传感器的传感信号，并将所述传感信号传递至所述形态模拟设备；所述形态模拟设备，用于根据所述传感信号模拟所述柔性基体的三维位姿。

2.根据权利要求1所述的三维位姿检测装置，其特征在于，所述若干个柔性传感器沿所述柔性基体呈三维阵列分布。

3.根据权利要求1所述的三维位姿检测装置，其特征在于，所述柔性基体是由硅胶、聚二甲基硅氧烷或水凝胶所制成，所述柔性基体的制成方式为模具灌注、3D打印或化学反应。

4.根据权利要求1所述的三维位姿检测装置，其特征在于，所述若干个柔性传感器是由柔性材料制成的，所述柔性材料为石墨烯、液态金属或碳纳米管。

5.根据权利要求1所述的三维位姿检测装置，其特征在于，所述若干个柔性传感器是按照预设方式将所述柔性材料集成到所述柔性基体上所制成的，所述预设方式为转印、浸润、印刷或光刻。

6.根据权利要求1所述的三维位姿检测装置，其特征在于，所述信号采集设备包括：若干个电阻测量模块；所述若干个电阻测量模块，用于检测所述若干个柔性传感器的电阻值，并作为所述传感信号。

7.根据权利要求6所述的三维位姿检测装置，其特征在于，所述形态模拟设备，具体用于将所述若干个柔性传感器的电阻值输入至所述柔性材料的电阻值与长度之间的映射模型，输出所述若干个柔性传感器的长度，将所述若干个柔性传感器的长度输入至预设模型，输出所述柔性基体的三维姿态参量，所述预设模型是基于柔性传感器的样本长度及样本三维姿态参量训练得到的。

8.一种基于权利要求1至7中任一项所述的三维位姿检测装置的三维位姿检测方法，其特征在于，包括：

获取若干个柔性传感器采集到的传感信号，所述若干个柔性传感器沿柔性基体三维阵列分布；

根据所述传感信号，模拟所述柔性基体的三维位姿。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述若干个柔性传感器由柔性材料制成，所述传感信号为所述若干个柔性传感器的电阻值；相应地，所述根据所述传感信号，模拟所述柔性基体的三维位姿，包括：

将所述若干个柔性传感器的电阻值输入至所述柔性材料的电阻值与长度之间的映射模型，输出所述若干个柔性传感器的长度；

将所述若干个柔性传感器的长度输入至预设模型，输出所述柔性基体的三维姿态参量，所述预设模型是基于柔性传感器的样本长度及样本三维姿态参量训练得到的。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述三维姿态参量包括所述柔性基体的曲率半径、曲率角及方位角。