CN111366094A - 一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法 - Google Patents
一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111366094A CN111366094A CN202010147313.5A CN202010147313A CN111366094A CN 111366094 A CN111366094 A CN 111366094A CN 202010147313 A CN202010147313 A CN 202010147313A CN 111366094 A CN111366094 A CN 111366094A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- flexible body
- section
- fiber
- flexible
- information
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000835 fiber Substances 0.000 title claims abstract description 129
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 45
- 230000009466 transformation Effects 0.000 claims abstract description 36
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 27
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 22
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims description 19
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 6
- 239000003292 glue Substances 0.000 claims description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000004323 axial length Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N (2s)-2-[[4-[2-(2,4-diaminoquinazolin-6-yl)ethyl]benzoyl]amino]-4-methylidenepentanedioic acid Chemical compound C1=CC2=NC(N)=NC(N)=C2C=C1CCC1=CC=C(C(=O)N[C@@H](CC(=C)C(O)=O)C(O)=O)C=C1 NAWXUBYGYWOOIX-SFHVURJKSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 238000002324 minimally invasive surgery Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
- G01B11/165—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge by means of a grating deformed by the object
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
- G01B21/02—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
- G01B21/04—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
- G01B21/045—Correction of measurements
Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明涉及光纤光栅测量技术领域，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。
背景技术
这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，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，但发明人发现，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。然而发明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。
发明内容
本发明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，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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。
本发明的有益效果：
本发明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为本发明实施例1检测标定方法流程示意图；
图2为本发明实施例1柔性体与标定装置装配示意图；
图3为本发明图实施例2检测标定方法流程示意图；
图4为本发明实施例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技术领域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，本发明中如果出现“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发明和简化描述，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发明的限制。
正如背景技术所介绍的，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°。
将柔性体划分为多节，三根光纤光栅在每节处均设置栅点，栅点外周利用柔性胶水进行封装，控制柔性胶水的厚度、长度等，设计光栅和胶水之间的应变传递系数，使光纤光栅承担一小部分应变，初步增大光纤光栅的测量范围，光纤光栅螺旋分布弱化光纤光栅轴向应变的灵敏度，进一步增大光纤光栅的测量范围。
将设置有光纤光栅的柔性体与标定装置连接，所述标定装置包括底板2，所述底板与框架3的底部固定连接，所述框架的顶部固定有第一三轴联动机构，所述柔性体的底端通过螺栓与底板可拆卸连接，为固定端，柔性体的顶端与三轴联动机构可拆卸连接，为运动端，所述三轴联动机构采用现有的三轴联动机构即可，能够带动柔性体的运动端运动至空间内的任意设定位置。
本实施例中，所述第一三轴联动机构包括固定在框架顶部两端且水平设置的X向线性移动机构4，所述X向线性移动机构与水平设置的Y向线性移动机构5的两端连接，能够带动Y向线性移动机构沿X向移动，所述Y向线性移动机构与竖向设置的Z向线性移动机构6连接，能够带动Z向线性移动机构沿与X向垂直的Y向运动，Z向线性移动机构能够与柔性体的运动端连接，带动柔性体的运动端运动，对柔性体施加拉力和弯力。
优选的，所述X向线性移动机构、Y向线性移动机构及Z向线性移动机构均采用由电机驱动的丝杠传动机构。
所述框架的一侧设置有第一相机7和第二相机8，所述第一相机和第二相机均与第二三轴联动机构9连接，能够对空间位置进行微调，所述第二三轴联动机构采用现有的三轴联动机构即可，其具体结构在此不进行详细叙述。
所述第一相机和第二相机的镜头轴线与Y向线性移动机构平行，第一相机、第二相机均与上位机连接，能够将采集的柔性体图像信息传输给上位机，上位机能够根据采集的图像信息利用双目视觉算法计算柔性体运动后的位姿信息。
柔性体在标定装置上安装好后，将三根光纤光栅与外部设备连接，所述外部设备采用现有的用于光纤光栅测量的外部设备即可，包括解调仪、上位机等，在此不进行详细叙述。
启动第一三轴联动机构、第一相机及第二相机，第一三轴联动机构带动柔性体的运动端运动至设定位置，光纤光栅的波长产生变化，利用外部设备分析得到柔性体的第一位姿信息，第一相机和第二相机采集柔性体的图像并传输给上位机，上位机利用现有的双目视觉算法得到柔性体的第二位姿信息。
光纤光栅得到柔性体第一位姿信息的具体方法为：
步骤1：计算柔性体每节的形变信息，所述形变信息包括拉伸应变、偏转角、曲率和弯曲角。
柔性体第i节的拉伸应变εi总计算方法为：
其中：εi1、εi2、εi3分别为柔性载体第i节中，三条第一光纤光栅的栅点所在的柔性载体的母线总应变，可通过下述公式(2)、(3)、(4)求得。
εi1FBG、εi2FBG、εi3FBG分别为第i节处的三个光纤光栅的栅点分别测量得到的总应变值，工作人员能够通过三条光纤光栅连接的外部设备直接读取得到；α为光纤光栅所在螺旋线的螺旋角，μ为柔性体的泊松比。
柔性体第i节的偏转角φi的计算方法为：
其中：
li0为柔性体每节的初始长度，εi1、εi2、εi3为柔性体第i节中，三条光纤光栅的栅点所在柔性体母线的总应变，可通过公式(2)、(3)、(4)求得，εi总为柔性载体第i节的拉伸应变。
li1′、li2′、li3′分别为柔性载体第i节发生轴向长度变化后，三根第一光纤光栅栅点所在柔性载体第i节的母线长度。
柔性体第i节的曲率ki计算方法为：
其中：
r′＝r(1-μεi总) (8)
μ为柔性载体的泊松比，r为柔性载体初始状态下的半径，r′为柔性载体轴向长度发生变化后的半径；
li0为柔性载体每节的初始长度，εi1、εi2、εi3为柔性载体第i节中，三条第一光纤光栅的栅点所在柔性载体母线的总应变，εi总为柔性载体第i节的拉伸应变。
li1′、li2′、li3′分别为柔性载体第i节发生轴向长度变化后，三根第一光纤光栅栅点所在柔性载体第i节的母线长度。
柔性体第i节的弯曲角θi的计算方法为：
θi＝kili0(1+εi总) (9)
其中，ki为柔性载体第i节的曲率，li0为柔性载体第i节的初始长度，εi总为柔性载体第i节的拉伸应变。
偏转角、曲率及弯曲角的计算过程中，带入了柔性体每节的拉伸应变，考虑到了柔性体轴向长度发生变化的情况，计算结果更加精确。
步骤2：将步骤1中得到的偏转角、曲率和弯曲角代入柔性体相邻节坐标系的旋转变换矩阵
和平移变换矩阵
根据旋转变换矩阵和平移变换矩阵得到柔性体相邻节坐标系之间的变换矩阵
根据
计算柔性体固定端坐标系和运动端坐标系之间的变换矩阵T，其中，根据得到的变换矩阵T得到柔性体运动端中心的在固定端坐标系下的空间坐标值和运动端端面的欧拉角，即得到柔性体运动端的第一姿态信息。
变换矩阵T的计算方法为：
其中：
n为柔性载体划分的节数，φi为第i节的偏转角，θi为第i节的弯曲角，dx、dy、dz为柔性载体运动端中心点在固定端坐标系中的坐标值，
为柔性载体第i节和第i-1节坐标系的旋转变换矩阵，
为柔性载体第i节和第i-1节坐标系平移变换矩阵，i＝1、2…n。
柔性载体运动端端面的欧拉角α、β、γ的计算方法为：
将公式(11)、公式(12)代入公式(10)后，经过矩阵计算得到一个四行四列的矩阵，其中，ax、bx、cx、dx、ay、by、cy、dy、az、bz、cz、dz为该四行四列矩阵对应位置的数值。
利用第一三轴联动机构将柔性体的运动端运动至多个设定位置，得到多个第一位姿信息及相应的第二位姿信息，分析第一位姿信息与第二位姿信息之间的关系，利用第二位姿信息对第一位姿信息进行标定。
标定后，即可将柔性体从标定装置上拆下，将柔性体的两端与待测的柔性零件(如柔性机器人的柔性机械臂)的两端固定连接，使得柔性体能够与柔性零件做同步运动，即可利用光纤光栅准确的检测柔性零件的大变形空间位姿信息。
实施例2：
本实施例公开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，如图3-4所示，在由橡胶材质制成的柔性体的外周面上布置三根沿螺旋线分布的第一光纤光栅及一根第二光纤光栅，柔性体为圆柱形结构，柔性体同一截面上，三根第一光纤光栅沿截面圆周均匀分布。即两个第一光纤光栅中心点与柔性载体截面圆周圆心连线夹角为120°。第二光纤光栅的旋向与第一光纤光栅相反。
将柔性体划分为多节，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，栅点外周利用柔性胶水进行封装。
将柔性体装入标定装置，本实施例的标定装置与实施例1相比，其区别在于所述Z向线性移动机构上安装有万向球关节10，所述万向球关节安装有预扭力螺母，万向球关节能够通过锁紧螺钉与柔性体的运动端固定连接。其他结构与实施例1相同，在此不进行详细叙述。
柔性体在标定装置上安装好后，将第一光纤光栅、第二光纤光栅与外部设备连接，所述外部设备采用现有的用于光纤光栅测量的外部设备即可，包括解调仪、上位机等，在此不进行详细叙述。
利用万向球关节对柔性体施加设定的扭力，启动第一三轴联动机构、第一相机及第二相机，第一三轴联动机构带动柔性体的运动端运动至设定位置，光纤光栅的波长产生变化，利用外部设备分析得到柔性体的第一位姿信息，第一相机和第二相机采集柔性体的图像并传输给上位机，上位机利用现有的双目视觉算法得到柔性体的第二位姿信息。
光纤光栅得到柔性体第一位姿信息的具体方法为：
步骤a：计算柔性体每节的形变信息，所述形变信息包括扭转角、拉伸应变、偏转角、曲率和弯曲角。
柔性体第i节的扭转角的计算方法为：
且εi1＝εi4
εi1FBG、εi4FBG分别为交叉的第一光纤光栅和第二光纤光栅栅点测量得到的总应变值，由操作人员在与第一光纤光栅和第二光纤光栅连接的外部设备读取得到，εi1为与第二光纤光栅交叉的第一光纤光栅栅点所在柔性体母线的总应变，εi4为第二光栅栅点所在柔性载体母线总应变,
为扭转角，α为第一光纤光栅或第二光纤光栅所在螺旋线的螺旋角，μ为柔性载体的泊松比。
柔性载体第i节的拉伸应变εi总计算方法为：
其中，εi1、εi2、εi3分别为柔性载体第i节中，三条第一光纤光栅的栅点所在的柔性载体的母线总应变，可通过下述公式(17)、(18)、(19)求得。
εi1FBG、εi2FBG、εi3FBG分别为第i节处的三个第一光纤光栅的栅点分别测量得到的总应变值，
为柔性载体第i节的扭转角，α为第一光纤光栅或第二光纤光栅所在螺旋线的螺旋角，μ为柔性载体的泊松比。
柔性体第i节的偏转角、曲率及弯曲角的计算方法与实施例1相同，计算公式中的εi1、εi2、εi3利用公式(17)、(18)、(19)求得，在此不进行详细叙述。
步骤b:将步骤a中得到的扭转角、偏转角、曲率和弯曲角代入柔性体相邻节坐标系的旋转变换矩阵Ri i-1和平移变换矩阵Pi i-1，根据旋转变换矩阵和平移变换矩阵得到柔性体相邻节坐标系之间的变换矩阵Ti i-1，根据Ti i-1计算柔性体固定端坐标系和运动端坐标系之间的变换矩阵T，其中，根据得到的变换矩阵T得到柔性体运动端中心的在固定端坐标系下的空间坐标值和运动端端面的欧拉角，即得到柔性体运动端的第一姿态信息。
变化矩阵T的计算方法为：
其中，
φi为第i节的偏转角，θi为第i节的弯曲角，ki为第i节的曲率，
为第i节的扭转角，dx、dy、dz为柔性载体运动端中心点在固定端坐标系中的坐标值，
为柔性载体第i节和第i-1节坐标系的旋转变换矩阵，
为柔性载体第i节和第i-1节坐标系平移变换矩阵，i＝1、2…n。
将公式(21)、公式(22)代入公式(20)后，经过矩阵计算得到一个四行四列的矩阵，其中，ax、bx、cx、dx、ay、by、cy、dy、az、bz、cz、dz为该四行四列矩阵对应位置的数值。
柔性载体运动端端面的欧拉角α、β、γ的计算方法与实施例1相同，在此不进行详细叙述。
标定后，即可将柔性体从标定装置上拆下，将柔性体的两端与待测的柔性零件(如柔性机器人的柔性机械臂)的两端固定连接，使得柔性体能够与柔性零件做同步运动，即可利用光纤光栅准确的检测柔性零件的大变形空间位姿信息。
采用实施例1或实施例2的检测方法，适用于柔性零件轴线方向长度发生变化时的位移信息检测，而且预先进行了标定，检测结果准确，节省了人力物力。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (10)
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。
6.如权利要求5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通过万向球关节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，万向球关节能够对柔性体施加扭力。
7.如权利要求5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。
8.如权利要求7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，将计算得到的扭转角、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。
9.如权利要求1或5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，所述柔性体的一侧设置有平行设置的第一相机和第二相机，所述第一相机和第二相机均与上位机连接，能够采集柔性体的图像并传输给上位机，上位机能够利用双目视觉算法得到柔性体的位姿信息。
10.如权利要求1或5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，所述栅点外周利用柔性胶水进行封装。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010147313.5A CN111366094B (zh) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | 一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010147313.5A CN111366094B (zh) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | 一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111366094A true CN111366094A (zh) | 2020-07-03 |
| CN111366094B CN111366094B (zh) | 2021-02-12 |
Family
ID=71208623
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010147313.5A Expired - Fee Related CN111366094B (zh) | 2020-03-05 | 2020-03-05 | 一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111366094B (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113218291A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-08-06 | 珠海澳大科技研究院 | 一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置 |
| CN113361082A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-09-07 | 山东大学 | 一种柔性体空间形状和位姿感知方法及系统 |
| CN113983943A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-01-28 | 北京航空航天大学 | 基于fbg传感器的极微小变形标定方法 |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003315215A (ja) * | 2002-04-18 | 2003-11-06 | Shimizu Corp | 構造物の損傷検知センサ |
| CN103267567A (zh) * | 2013-06-05 | 2013-08-28 | 南京理工大学 | 基于机器视觉的柔性悬臂梁振动的测量装置及方法 |
| CN103453844A (zh) * | 2013-09-25 | 2013-12-18 | 天津亿利科能源科技发展股份有限公司 | 一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法 |
| CN104990658A (zh) * | 2015-06-19 | 2015-10-21 | 南京航空航天大学 | 一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件 |
| CN106625774A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-10 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种空间机械臂几何参数标定方法 |
| CN107421626A (zh) * | 2017-07-18 | 2017-12-01 | 华南理工大学 | 基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置与方法 |
| CN110695993A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-01-17 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种柔性机械臂同步测量方法、系统及装置 |
-
2020
- 2020-03-05 CN CN202010147313.5A patent/CN111366094B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003315215A (ja) * | 2002-04-18 | 2003-11-06 | Shimizu Corp | 構造物の損傷検知センサ |
| CN103267567A (zh) * | 2013-06-05 | 2013-08-28 | 南京理工大学 | 基于机器视觉的柔性悬臂梁振动的测量装置及方法 |
| CN103453844A (zh) * | 2013-09-25 | 2013-12-18 | 天津亿利科能源科技发展股份有限公司 | 一种基于光纤光栅的柔性管道变形在线监测方法 |
| CN104990658A (zh) * | 2015-06-19 | 2015-10-21 | 南京航空航天大学 | 一种针对大变形柔性体应力测量的传感器组件 |
| CN106625774A (zh) * | 2016-12-27 | 2017-05-10 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种空间机械臂几何参数标定方法 |
| CN107421626A (zh) * | 2017-07-18 | 2017-12-01 | 华南理工大学 | 基于多相机的柔性臂空间振动特性分析装置与方法 |
| CN110695993A (zh) * | 2019-09-27 | 2020-01-17 | 哈尔滨工业大学（深圳） | 一种柔性机械臂同步测量方法、系统及装置 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 吕宇翔 等: "柔体大变形参数的光纤光栅集成检测方法", 《仪表技术与传感器》 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113218291A (zh) * | 2021-05-08 | 2021-08-06 | 珠海澳大科技研究院 | 一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置 |
| CN113218291B (zh) * | 2021-05-08 | 2021-10-29 | 珠海澳大科技研究院 | 一种用于变形测量杆标定的空间变形施加与读取装置 |
| CN113361082A (zh) * | 2021-05-24 | 2021-09-07 | 山东大学 | 一种柔性体空间形状和位姿感知方法及系统 |
| CN113983943A (zh) * | 2021-10-25 | 2022-01-28 | 北京航空航天大学 | 基于fbg传感器的极微小变形标定方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111366094B (zh) | 2021-02-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111366094B (zh) | 一种光纤光栅对柔性体大变形空间位姿的检测标定方法 | |
| Xiong et al. | Six-dimensional force/torque sensor based on fiber Bragg gratings with low coupling | |
| US11027435B2 (en) | Automated work piece testing system and method for same | |
| CN111289020B (zh) | 一种柔性体大变形空间位姿的感知方法 | |
| CN108593161A (zh) | 一种基于光纤光栅的微创外科手术机器人三维力传感器 | |
| US20030070311A1 (en) | Six degrees of freedom precision measuring system | |
| Zhou et al. | Method of designing a six-axis force sensor for stiffness decoupling based on Stewart platform | |
| Li et al. | Distributed curvature sensing and shape reconstruction for soft manipulators with irregular cross sections based on parallel dual-FBG arrays | |
| DE112011100308T5 (de) | Eingebettete Arm-Dehnungssensoren | |
| DE102010052692B4 (de) | In-Vivo Spannungskalibrierung in sehnengetriebenen Manipulatoren | |
| Romdhani et al. | Methodology for the assessment of measuring uncertainties of articulated arm coordinate measuring machines | |
| Gao et al. | A self-calibration method for articulated arm coordinate measuring machines | |
| CN111232239B (zh) | 曲面挠变位移场重构方法、装置及设备 | |
| Romiti et al. | Force and moment measurement on a robotic assembly hand | |
| CN105241411A (zh) | Stewart平台支腿长度测量装置及Stewart平台位姿测试系统、方法 | |
| Wang et al. | An inspection continuum robot with tactile sensor based on electrical impedance tomography for exploration and navigation in unknown environment | |
| CN111568431A (zh) | 一种脊柱弯曲生物力学和活动度测试装置及方法 | |
| CN110849358A (zh) | 一种阵列天线相位中心的测量装置、测量方法及安装方法 | |
| CN112220558B (zh) | 一种手术机械臂及其形状测量方法 | |
| Luo et al. | Sensor-based reconstruction of slender flexible beams undergoing large-scale deflection | |
| Hou et al. | Sensing model FBG-based used for position and orientation detection of soft manipulator | |
| Fu et al. | Six-axis load head with application to electrical conductor nonlinear dynamics | |
| CN211262168U (zh) | 一种用于柔性体传感器空间位姿检测的标定装置 | |
| CN113405456B (zh) | 面向关节式坐标测量机的实时接触力测量方法及装置 | |
| CN114485519B (zh) | 一种柔性杆式双向水平位移传感器的标定装置和标定方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20210212 |