CN1153952C - 拓扑和运动测量工具 - Google Patents

Abstract

以可弯曲基板的形式提供一种位置、取向、形状及运动的测量工具，弯曲和扭转传感器以已知间隔分布在其表面上。钢带型的基板是较佳的。根据检测到的弯曲和扭转值通过相互参考传感器的位置和取向可计算基板的几何构形。合适的应用包括供卡通制作用的人体运动捕获、向计算机的六个自由度输入、在大的无奇点的工作空间内的分布测量和位置跟踪。

Description

拓扑和运动测量工具

技术领域

本发明涉及传感器技术，具体地说，本发明涉及测量物体在空间中的几何位置和构形，本发明适合于机器人应用以及提取人的几何和运动参数。

较佳的应用是通过对人体运动的运动捕获而实现的卡通制作领域。

发明背景

可以采用多种不同技术来测量物体在空间的位置、取向和表面形状。

在机器人领域中，通过测量一系列刚性链接元件在各种接点上出现的旋转角度确定这些链接元件在空间的位置已众所周知，参见授予Rosenberg等人的美国专利5,576,727。

在人与机器之间接口的领域中，采用基于旋转电位计或应变仪的角度计来测量人体各部位之间的角度关系，参见授予Edwards等人的美国专利5,163,228。

美国专利4,988,981(Thomas Zimmerman等人)揭示了一种利用挠曲传感器，包括利用手套所携带的挠曲传感器传感人体位置的装置。这种手套已经广泛使用和报道。据报道，问题包括由于在多个自由度上出现手指运动所造成的响应的不确定性，以及由于手套与手的配合而造成的其它不精确度。美国专利5,097,252(Y.L.Harvill等人)报道了在手套中提供挠曲传感的类似方法。

美国专利5,316,017(Glenn Edwards等人)描述了专为对手指关节点活动的两个自由度进行传感而设计的可滑动连杆挠曲传感器。可滑动连杆允许传感器适应在挠曲期间在固定点之间的可变距离。

美国专利5,533,531(Glenn Edwards等人)解决了利用多个自由度(DOF)接触式传感器分离和识别具有多个自由度的运动：在定标过程中分别运用这些自由度DOF，它们提供传感器响应于已检测运动的输出之间的数学关系，这些检测运动能够被用于提供分别的DOF信号。美国专利5,531,257(Danisch)进一步涉及一种类似方法，其中，采用三个平行安装的其传感表面以不同方向展开的光纤传感器解决在弯曲结构中多个DOF的弯曲。然而，参考文献中既没有一个提到涉及处理的方法，扭转会引起上述专利传感器方法中任何一种的读数模糊度或者不能检测。也没有一个专利涉及仅基于挠曲测量来确定纵向延伸结构的整个位置和取向的问题。

弯曲中的旋转包括横穿基板纵向范围上的弯曲；和绕与基板纵向范围重合的轴产生的扭转。这两种类型的弯曲看作是“挠曲”。

在基于圆柱体、棒体、和其它具有较大截面尺寸的固体的传感器结构中，扭转通常忽略不计。然而，测量在平的钢带形挠曲中存在的扭转可能是十分有利的。这种挠曲对于加入到衣服中是十分方便的。

Virtual技术公司将装有手指关节上的弯曲传感器和测量拇指交叉、手掌弓形、手腕挠曲和手腕附加运动的其它传感器的纤维手套投放市场。通过将腕带耦合到6个自由度的空间位置跟踪机构上，手套及其传感器在空间的位置也是可以测量的。

General Reality公司投放市场的装备手套依赖于感测手套各点处弯曲的光纤弯曲传感器。

在卡通制作领域中，采用活动捕获过程来记录人体的位置和运动。一种方法涉及直观地捕获戴在演员四肢和躯干上的“目标”标记在空间的位置。另一种方法是提供一个“骨胳”机械结构，用作遵循人体所假设的运动和位置和提供记录其信号的机构。然而，准确度受骨胳保持稳定安装到人体上的能力限制。这种系统的困难是机械骨胳的收缩和笨重本性。此外，不是不可能，但是很难建造允许全部四肢运动或能够计入所有四肢旋转和其它微妙的多个自由度四肢运动的骨胳。再有，骨胳通常从测量表面移开一大段距离，导致它们不够准确和更加笨重。

目前想到的目标标识和骨胳两种方法在它们实施中是复杂和不方便的。需要一种重量轻、没有阻碍的位置和运动敏感装置，它能够方便地跟踪和识别目标在空间中的位置和几何构形。在这里，本发明可实现这一目的。

更具体地说，本发明的目的是提供一种装备有分布传感器的可挠曲参考平台，这里，传感器以这样的方式感测平台的形状变化，即通过基于传感器输出的计算能够发现平台的整个形状。

本发明的另一个目的是提供一种有装备的可挠曲构件，它足以顺应与弯曲物体的表面基本共形，传感器的作用是提供该表面形状的可处理的电子学数据。

这里，与本发明的技术或测量方法相关的现有专利和专利申请参考文献包括：

(1)GB-A-2,238,112，带有装备的手套

(2)DE-C-42 40 531，形成壳体的方法

(3)EP-A-344 322，测量大型物体中的变形。

目前，存在多种不同的测量物体中挠曲即弯曲和扭转的状态技术。特别适合于这种目的的一类常用技术依赖于光纤。

授予Danisch的美国专利5,321,257描述了一种改进光纤，在一部分光纤外表面上设置吸收光的区域，由此，由光纤的总体光传输能力的变化可以远距离检测在这一改进区域处的曲率。该专利描述了部署许多能够在三维空间检测弯曲的改进光纤(图12)。

专利合作条约申请PCT/CA 94/00314(1994年12月22日公布WO 94/29671)揭示了利用环形光纤光波导测量曲率。将光纤制成环形以提供穿过环形端的出射和返回波路径，在环形端处产生180度弯曲。在邻接环形弯曲部分处和之内对光纤表面进行处理，使之吸收光。在一种结构中，经过处理的光纤表面的侧面位于环形端的上部平面。一旦环形端经过这样的处理，那么，当偏离环路或穿过正常平整平面时，对其弯曲状态是敏感的。这种挠曲能够通过光纤上携带的返回光的强度变化遥控检测。这提供了环路区域中局部曲率的一种测量。

本发明人的有关这一主题的另一篇题目为“重叠光束环路”文章发表在SPIE Vol.2839，pp.311-322，1996中。该文的内容、上述的美国专利和公布的PCT申请PCT/CA 94/00314这里都被用作参考。

环形光纤传感器能够测量弯曲，按照下文中所描述的本发明，基于环路的定位和环路中或邻接于该环路或环路内的光纤表面的经过处理的光吸收区的位置可测量扭转。在光纤环形端上的敏感区能够被包含在3毫米至几厘米量级的连续长度内，这与所需的灵敏度和光纤直径有关。这提供了对光纤环形敏感端的平均弯曲状态的取样的相应跨距。

光纤技术便于用于传感器中，因为它是坚固的、良好的和廉价的。需要一种基于光纤的传感器系统，它能够提供物体在空间的位置、表面的形状以及依据表面形状的变化等遥控信息。本发明能够满足这一需要。

首先将从总体形式上描述本发明，然后，将参考以下的附图从具体实施例详细描述其实施。这些实施例试图演示本发明的原理和本发明实施的方式。然后，在包含在本说明书中的各项权利要求中，将以最宽和更特定的形式进一步描述和限定本发明。

发明内容

在一个宽的方面，本发明为一种形状和构造测量工具，它包括：

(1)能够在至少两个自由度上弯曲的可挠曲基板；

(2)隔开的弯曲传感器装置和扭转传感器装置，它们以已知的弯曲传感器装置和扭转传感器装置各自的隔开间隔耦合和定位在基板上，以提供表示在弯曲传感器装置和扭转传感器装置附着到基板的各自位置上在基板中存在的弯曲和扭转的局部状态的信号；

(3)传感器数据处理装置，与弯曲传感器装置和扭转传感器装置相耦合，从中接收挠曲信号并提供有关基板在三维空间中的几何构形的数据；

这里，传感器数据处理装置是根据弯曲传感器装置和扭转传感器装置所提供的弯曲和扭转信号和这些传感器之间隔开间隔确定基板的几何构形而进行操作的。

本发明还提供一种具有形状监测参考表面的相对于参考位置测量待测量表面在三维空间中相对位置和取向的几何构形监测工具，它包括：

(1)能够在三维空间中挠曲的可挠曲基板，它载有所述形状监测参考表面和参考位置；

(2)以已知间隔沿所述基板分别隔开的多个弯曲传感器装置和扭转传感器装置，用作角度位移传感器，

由此，所述形状监测参考表面相对于所述参考位置在三维空间中的位置和取向是以几何测量方式由位于所述基板上各个位置上的角度位移传感器所提供的角度位移值结合使这些传感器分开的间隔值确定的。

本发明还提供一种提供限定在三维空间中延伸的路径的空间构形的数据的方法，包括使可挠曲的片形基板沿待限定的路径形成一定的空间构形；提供多个弯曲传感器装置和多个扭转传感器装置以预定间隔沿着待限定的路径和在其附近附着到所述基板上；从所述各个传感器装置收集弯曲信号和扭转信号；对所述信号进行处理，产生所述路径在广度空间中沿其广度的几何构形的数据，所述信号的所述处理是通过将所述弯曲传感器装置和扭转传感器装置的弯曲信号和扭转信号与它们之间隔开间隔相结合以产生这些数据而操作的。

本发明是以多个隔开间隔沿支承基板对曲率进行取样进行工作，基板是可弯曲的，最好是基本连续的、不可压缩和不可延伸的。这一基板的作用是装载传感器。本发明依赖于以已知间隔位于支承基板上的弯曲和扭转传感器装置的位置与相邻传感器的位置的交叉参考，所以，所有的传感器彼此之间相对的位置是已知的。弯曲传感器和扭转传感器可以是不同的。或者成对的传感器可以产生同时测量弯曲和扭转的信号。在这后一种情况中，成对的传感器，如同完全不同的传感器一样，可以说成是包括一个弯曲传感器装置和一个扭转传感器装置。

为确定基板的几何构形正在测量的挠曲状态基于测量基板中存在的弯曲和扭转状态。

挠曲可以通过以已知扭转和弯曲传感器间隔沿基板长度附着和定位于其上的扭转和弯曲传感器测量。这些传感器提供表示在传感器附着到基板的位置上在基板中存在的扭转和弯曲的局部状态的信号。

根据基板的自然特性，能够测量绕正交于基板纵向维度的一个或两个轴的弯曲。因此，钢索形基板则需要直接或间接地感测绕两个轴的弯曲。

通过提供一个仅在限定的自由度上可变形的基板，能够减少所需的传感器的数目。作为一种较佳的结构，可以将弯曲和扭转传感器焊接到钢带形式的基板上。在这种情况中，仅仅需要测量钢带以其允许弯曲模式弯曲的弯曲传感器。这可以减少单位长度上所需的弯曲传感器的数目。

钢带是一种基本上限于沿其长度绕横穿钢带纵向维度的轴弯曲而钢带保持自由地绕这个纵向扭转的物体。因此，一个弯曲传感器便足以能够测量钢带的某个位置上的弯曲。为了限定钢带形基板的几何构形，还必要采用以已知间隔沿钢带长度位于其上的扭转传感器测量扭转。这些弯曲和扭转传感器可以相互穿插或者在钢带上处于同一位置。

当基板为同时采用弯曲和扭转传感器的钢带形结构时，钢带在三维空间的几何结构的运动和跟踪的自由度是可以提供的，这是因为钢带产生扭转的能力允许一部分钢带在空间中重新定向到任何方向。

作为另一种结构，可以将弯曲和扭转传感器耦合在具有两个弯曲自由度的、同属于钢索的易弯曲的芯或基板。在这方面应用中，可以为每个扭转传感器提供两个弯曲传感器，以提供弯曲和扭转的平衡传感。

本发明的这一结构还能够通过将钢带型形式的装有传感器的平面带应用到诸如软管的圆柱弯曲的外侧和内侧。在采用软管形载体时，传感器的通信可以通过芯传送。

如果挠曲传感器安装在载体基板的中性轴上，本发明将以更高的精确度进行。通过将两个基板部分组装成一个薄板，将传感器包含在两层之间，在这种钢带基板的情况中，这是能够实现的。通过利用具有类似弯曲能力的钢带层，传感器基本上位于中性轴上。

基于光纤技术，特别是环形端部光纤的弯曲传感器适合于对多个位置上曲率进行取样，相关的光纤端部全部连接到一个多光纤光源、光传感和信号处理单元上。弯曲和扭转传感器可以基于这样的光纤，通过使光纤外表面的合适的局部部分或区域吸收通过光纤的光，已经使光纤对其弯曲状态敏感。

在钢带基板的情况中，传感器可以基于具有弯曲敏感部分的光纤，在将经过处理的部分附着到基板上的位置上，这些弯曲敏感部分与钢带的平面平行对准。

为了测量弯曲，经过处理的光纤传感器的敏感部分通常可以与穿过出现弯曲的轴(例如钢带基板的长度的横向延伸的轴)的位置对准。

当采用环形端时，每个环路的表面上经过处理的光吸收部分可以仅位于环路的一半上，或者，如果在环路的两个一半上可以是任意的，那么位于环路的同一表面上，以测量弯曲。通过对两侧的处理，光纤的两个经过处理的部分将基于每个经过处理部分正在经历的弯曲的相同局部状态对光纤发射的光进行调制。这将提高“信号”与光纤光导中光背景“载体”的比率。

为了测量扭转，可以方便地采用环路跨过钢带基板的中心纵向中线的环形传感器。在环路的相对表面上，在一半区域上对光纤的表面进行处理，将处理施加到中线的相对两侧。环路中经过如此处理和定位的部分对弯曲产生相反的响应，但是对于扭转是累加的，因此唯一地测量扭转。

对于环形端部传感器，不必把环路的中心的最弯曲的部分处理成对光不透射的。对于接近环形端部的处理部分，足以能够从环形端部的滤波效应的模式中得益。

为了便于信号处理，当采用钢带基板时，利用两个可以是也可以不是环形光纤的弯曲传感器能够同时测量一个位置上扭转和弯曲。一对传感器中各传感器的处理部分的方向最好以基本相同的角度向钢带基板的纵向中线外侧取向，与基板纵向维度成45度角是较佳的。这允许采用两个光纤，通过对它们输出进行处理，提取它们和和差信号，作为扭转和弯曲的测量值，可同时测量单个位置上的弯曲和扭转。参考角度取向可简化信号处理。采用计算调节，其它角度仍然能够从八字张开的传感器对同时提供扭转和弯曲值。由于传感器通常是在它们的线性范围内工作的，因此，计算同时涉及线性方程式的和和差，非常适合高速自动计算。

尽管这一描述集中在纵向分布有传感器的不可延伸的钢带形弯曲上，但是，本发明包括基于不是不可延伸的、不是窄带的和不是平面的弯曲的结构。

通过组成传感器组，弯曲敏感区不仅可以直线地形成，如沿着支承钢索或钢板形基板，而且也可以利用可挠曲载体片作为基板形成在平面区上。例如，宽的平面形式能够是一个以诸如橡胶和纤维板的可挠曲平面载体形式的薄板，传感器群分布在其平面上。传感器群可以由弯曲和扭转传感器或者双向弯曲传感器组成，双向弯曲传感器能够完全描述面板的形状。利用有关每个敏感区上弯曲状态的数据，并已知传感器之间的间隔，信号检测系统能够构筑载体形状的图示。将载体片与未知形体的几何表面相接触，至少在载体片与表面接触的地方，能够测量这种表面的形状。

作为非平面形体的另一种情况，传统的测量钢尺(例如用于测量木器的直线距离)具有准平面形状，当轴向平坦时，具有连续的横向弯曲。这给它们更大刚性，在不连续的轴向位置上集中轴向弯曲，除非钢尺被限制在卷轴上(当钢尺被重新缠绕到其托架中)。在这后一种情况中，横向弯曲消除，变形为沿钢尺的中心轴弯曲。横向弯曲惯用形式也是本发明的一种可能形式。

作为非平面形式的另一种情况，可以采用圆柱形式的基板或载体，由于埋入的金属线或螺旋肋，阻止扭转。这种基板将以2个自由度弯曲，不允许扭转。这种形式只能用于确定受到限制的三维位置和2个自由度取向信息。

在所有的形式中，要求弯曲传感器与扭转传感器不同处一个位置，以及要求弯曲传感器与它们不同取向的弯曲敏感配对不同处一个位置(除非同时测量弯曲和扭转，如上所述)。对于将以已知间隔沿基板分布的这些传感器，足以允许待确定的基板的配置。

虽然这里主要参考是针对不可延伸的挠曲，但是，在基板中允许存在延伸性。因此，本发明的可能的形式可以是可拉伸的挠曲，这里不仅测量弯曲，可能还有扭转，而且还测量延伸。必须测量延伸的程度以保证挠曲传感器之间的间隔是已知的。延伸传感器可以包括对延伸敏感的导电弹性体。为了方便和提高顺应性起见，可以将延伸限制于长度上的小幅增量，超过这个增量，挠曲变为不可延伸的。

虽然这里参考的“基板”是作为挠曲传感器的载体，词“基板”其含义中不限于与传感器的严格位置关系。虽然传感器可以位于基板的外表面上，它们也可以埋入或包含在基板体内。基板起传感器的载体作用，维持它们的传感器之间间隔和它们相对于基板体的取向便足够了。

采用对待测量的一部分物体或目标在空间的位置、形状或取向的限制方式，可以将这一形状或分布的测量工具耦合在全部和部分物体范围上。因此，能够提供表示耦合部分位置、形状、取向和运动的信息。这些信息可以从所有的传感器，包括未耦合的部分传感器获得，尽管目的是仅仅在耦合部分中获取数据。

因为本发明提供沿其整个长度的位置信息，因此，准许一部分基板不与其整个范围各部分上测量的物体耦合。至少对于附着到物体上的一部分传感器，确定这部分物体相对于传感器在别处的参考点的位置和取向是足够的。能够采用耦合部分的“标记”特征，如特定传感器之间的不变正比信号来识别和跟踪耦合部分。

本发明的工作情况与蛇能够知道它头部和它整个身体的位置相对于它尾部位置意义相同。通过对相关传感器的位置的相互交叉参考，能够相对于其它的传感器确定每个传感器的位置和取向。

当本发明用于实施人体体形的运动捕获时，允许这一位置、取向和形状测量工具的一部分沿其长度的一部分不与测量的物体或目标耦合的这一能力是特别有利的。

由于本发明的形状测量工具具有沿其长度均等地跟踪任何一点表面段的能力，本发明不需要装备工具相对于待测量角度位置的接点的精确位置。因此，例如，在运动期间其位置在手上漂移的松散拟合的形状测量手套如果是按照本发明实现的，尽管如此，对佩戴者的手的各个关节的位置和取向，仍能够提供准确的输出信号。

本发明的另一个可能的应用是“键盘”或基于接触和施加压力输入信号的装置。安装在可压缩的下支承上，钢带传感器能够提供表示接触位置、施加压力的程度的输出，以及提供根据产生的扭转量的第三信号。位于可压缩的下支承上的装备平面阵列能够提供两维接触点的位置信息。在某一点正被施加的压力的程度能够提供这种“键盘”用户感觉的进一步尺度。

以上综合了本发明的原理特征和一些任选方面。接下来，通过结合附图对较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明，

附图简述

图1是由设置有接点传感器的旋转弯曲接点和连杆组成的平面机构的示意图，这里，能够确定末端相对于基准端的空间位置；

图2是在图1中存在一个附加旋转-扭转接点的机构；

图3是在图1中每个旋转-弯曲接点相关联的旋转-扭转接点的机构；

图4是在图3所示的机构中分别设置扭转和弯曲接点的机构；

图5是载有弯曲和扭转传感器的钢带的图解表示；

图6是将图5所示钢带弯曲成曲线的侧视图；

图7是载有弯曲和扭转传感器的“钢索”基板的示意图；

图8是钢带在表示弯曲和扭转的空间中的图解表示；

图9是上表面处理成吸收光的直线光纤的侧视图；

图10是图9所示光纤处于弯曲状态中；

图11是上表面处理成吸收光的环形光纤在平面结构中的平面图；

图12是图11的侧视图；

图13和14与图11和12相对应，其环形端位于曲面结构中；

图15和16类似于图11和12，但是，经过处理的表面仅出现在环路的一半上；

图17是图15和16所示环形光纤的右视图；

图18、19和21示出在相对的相反侧面对环路进行处理的图15、16和17所示的环形光纤；

图20是图18、19和10所示环形光纤在扭转结构中的右视图；

图22A是静止在刚性体上的起皱钢带的侧视图；

图22B类似于图22A，但是第二刚性体从上方施加压力；

图22C示出图22A和22B中所示的钢带的改进形式，钢带为锯齿形式；

图22D是平板上切割的钢带传感器的平面图；

图22E是具有更薄的铰链截面的盘旋形式；

图22F是沿图22E的线A-A或B-B穿过铰链截面的截面图；

图22G示出安装在可挠曲导管中的传感器钢带；

图22H是图22G的排列的端视图；

图23示出与信号处理运算放大器连接的钢带上的一对嵌套环路传感器，给数据处理计算机和视频显示器提供输入；

图24是在未处理的载体长度中通过图23所示钢带的截面端视图；

图25是在处理的环路传感器处通过图23所示钢带的截面端视图；

图26是由半刚性导管支承的图23所示传感器的图解表示；

图27是钢带形式传感器与交叉折转操作弯曲传感器的平面图；

图28是图27的截面侧视图；

图29和29a是钢带基板上分布传感器的半个阵列的平面图，将一个放置到另一个上以形成一个叠层传感器；

图30是组装成一个叠层传感器的图29和29a的阵列的截面侧视图；

图31是以“Y”结构部署的成对的嵌套环路传感器的钢带形式传感器的平面图；

图32是图31的截面侧视图；

图33是以“X”结构部署的成对的嵌套环路传感器的钢带形式传感器的平面图；

图34是以成对的嵌套环路传感器线性阵列的钢带形式传感器的平面图；

图35是由图34的传感器组装形成的平面阵列的平面图；

图36是图35的侧视图；

图37是由图33的传感器组装形成的平面阵列的平面图；

图38是佩戴钢带型传感器在视频显示器上捕获运动的人的图解表示；

图39是类似于图38的图解表示，可挠曲的传感器钢带缠绕在手臂上；

图40是钢带型传感器的操纵杆应用的侧视图。

具体实施方式

图1代表在具有平行轴的接点3处耦合的刚性连杆2的机构1。因此，这一机构1可在单个平面内自由移动或弯曲。其一端被锚系在参考点4上，其另一端有一个端部试验器5。所有的接点3装备有提供诸如接点3角度取向的信息的传感器(未示出)。

对来自传感器的信号进行处理以及已知每个连杆2的长度，通过计算能够确定在相对于参考点4的空间中至端部试验器5的距离和端部试验器5的位置。

实际上，通过内插法能够计算所有接点3的位置以及特定连杆2之间的位置。

采用刚性连杆和机械接点，过去一直不能将这种元件增加到数目大到足以提供具有与不规则曲面贴合的大容量的测量工具的形状或位置的个数。此外，图1所示的机构限于在单个平面内的运动。

图2示出对图1所示机构的改进机构22，包括一个附加“扭转”接点6，该接点也装有传感器，以表示其旋转位置。这个扭转接点6使得端部试验器5能够旋转到限定图1所示机构1的平面以外，得以获得三维空间的体积。

图3示出对图2所示机构22的一般扩展，这里，沿改进机构23的长度设置了多个扭转接点6，图中示出与弯曲接点3位置重合。图4示出一个类似的一般扩展，以提供机构24，这里，弯曲接点3和扭转接点6沿机构24的长度分布，不必是位置重合的。

图3和4所示的机构具有在一定程度上贴合到三维弯曲的表面上的机械能力。然而，采用刚性连杆和机械接点，过去不能将这种元件加以增多，以提供具有顺应不规则曲面的大容量的测量工具。

再参考图1，基于每个连杆2的长度和每个接点3的角度设定值26，利用简单的几何关系可以计算端部试验器5和每个接点3相对于参考点4的两维位置。简单而言，对于图2、3和4所示的机构22、23、24，能够在三维空间中计算这些参数。为了表示这些参数，在每幅图中相对于端部试验器5提供了x、y和z坐标的符号。

本发明通过给用作载体的可挠曲基板8、21提供一系列沿其长度分布的挠曲检测传感器10、11，使这一方法付诸实施。如图5、6所示，这一基板可以有一个参考表面28，可以将其施加在物体的外表面上，根据从传感器接收的表示其角度取向的信号从中提取分布情况。

被测量的弯曲和扭转不允许在大梯度上取得，或者如果传感器间隔十分地小以致于对梯度适当地取样，那么，能够应用利用带有参考表面28的可弯曲基板8通过对弯曲和扭转的取样测量形状的这一技术。传感器的间隔和各个范围确定传感器阵列的允许操作范围。

在图5中，示出一个形状和位置测量工具7，它依赖于以钢带8的形式成形的可弯曲基板8，这里，“钢带”描述一种基本上不能伸展的柔性材料体，与其宽度13和深度14相比，其纵向尺寸12是相当长的，其宽度13远大于其深度14，以致于材料体的弯曲基本上限于绕横穿钢带纵向尺寸12的轴15、15a的弯曲。然而，钢带可以自由扭转，为此，横向弯曲轴15、15a不一定是平行的。

图8示出以箭头表示弯曲和扭转的钢带8。

在图5中，钢带基板8上分布有一系列的分别分布的弯曲传感器10和扭转传感器11，它们被附着在其暴露表面9上。这些传感器在图中基本上示出为点状体。实际上，所有这些传感器10、11与一个信号处理单元(图5中未示出)相耦合，接收来自这些传感器10、11的信号。

图6示出图5所示钢带8当在单个平面内弯曲而不存在扭转时的侧视图。靠近弯曲传感器10的两个接点16、17之间的曲率可以近似为绕圆心19的圆弧18。如果钢带8以良好的方式弯曲，例如钢带8具有相对恒定的厚度14和弯曲特性，以及如果传感器10沿基板8上的分布足够地密，这一近似足以提供合理的精确度。

由位于点16、17上弯曲传感器10、10测量的这两点上所测曲率的状态能够估测点16与17之间的曲率。如果这些曲率不同，那么，可以取平均曲率或者基于进一步的相邻曲率测量结果的曲率值作为弧度18的近似曲率。

已知圆弧18的曲率值和圆弧长度(基本上为沿钢带8分布的传感器10的间隔)，通过参考相邻的点16能够计算连贯的点17的位置。这种相互参考计算能够从钢带的基准端继续到终端。这种计算加上对钢带8上任何中间位置的外推，将提供所有传感器10在空间中位置的几何值。

为了简单起见，以上说明仅仅参考弯曲传感器10。类似的计算能够与从扭转传感器11接收的数据结合，提供三维空间中的几何数据。

如果基板8的平的未扭转部分具有两个平行端，那么，扭转定义为在施加扭转时在这两个端之间的角度差。当基板8还被弯曲时，扭转被解释为与薄圆柱主动轴沿其长轴存在的扭转相同，即当轴被弯曲时扭转保持不变。当这种情况发生时，端线不再处于平行平面内。

如果仅仅将扭转施加到基板8的直线部分，那么，扭转将不影响纵轴线12的位置直至该部分达到弯曲为止。

基于以上微积分学，在计算机中可以构造基板形状的模型。直观地呈现这一模型的常用方法是利用小的亚圆弧线段依次画弧线，以致于即使是直线弧线段扭转也是看得见的。利用内插、平均和其它的常用曲线拟合技术可以增加精细度。

图6已经演示了本发明，为了简单起见，参考如上定义的钢带基板8。为了视觉效果，图7直观地示出“钢索”20，设置的弯曲和扭转传感器10、11沿其整个长度分别分布。此外，基于从这些传感器接收的信号的类似计算结果能够计算完全可弯曲基板在空间的几何取向。虽然“钢索”20是图解表示，实际上完全可挠曲的基板21可以是其中可以嵌埋传感器的长的拉伸橡胶或可挠曲聚合物材料。如果这一挠曲具有空心的心，可以利用这个心来安排引线的路线，该引线载有来自挠曲传感器的信号。另一种方法是将钢带形式的基板放到圆柱形管中，如用于屏蔽电线的纵向分段起皱管。这限制基板在绕物体弯曲时必须是更易于处理的或者“性能好的”。

再一种方法是采用具有有限弯曲自由度的基板，如利用具有正方形截面的棒，将其处理成带有横向槽，以便允许弯曲同时保持抗扭转。存在这种“机械滤波”的情况下，仅仅需要采用弯曲传感器。

在图6中，对于每个扭转传感器11示出两个弯曲传感器10。这是为了保证能够对两个方向的而不仅仅是在单个平面内的弯曲进行检测。虽然示出的两个弯曲传感器10在同一位置上，但这不是必需。分布在基板21上的所有传感器10、11必须足够多以致于它们的信号值能够与其它传感器的信号值相组合，从而能够计算基板21的几何位置。

适合于弯曲和扭转测量的传感器包括光纤弯曲和应变传感器；通常称为力敏感电阻器(FSR)、弯曲敏感电阻器(BSR)和压电电阻传感器的弯曲和延伸的传导弹性体传感器；包括焊接引线和半导体形式的电应变仪；以及其它任何能够测量弯曲、延伸、和扭转的传感器，包括电容、磁性和压电方式。

光纤传感器，如美国专利5,321,257和PCT公布号WO 94/29671(申请号PCT/94CA/00314)中所述的这些传感器非常适合于这种应用，因为这些传感器不受电磁干扰的影响并在挠曲的中性轴上起作用，这里没有应变。在这些公开出版物中涉及的这种类型的光纤传感器能够被分类为“弯曲增强光纤”。

弯曲增强光纤传感器(BEF)是基于来自光导的光在这样一个区域中的损耗，在该区域中已经对芯/包层界面进行处理和改进，以致于落在改进区上的光被芯所损耗，不再返回。在BEF传感器中，在一侧上对名义上为直线的光纤进行处理，使得光损耗随光导弯曲以致直线处理区变为凸面而增大，随光导以另一种方式弯曲而减小。

图9和10分别示出直线30和弯曲31BEF传感器。在上表面上的处理部分32以黑色示出。几何关系是这样的，穿过光纤30、31的光的强度的调制与光纤的曲率成线性关系。输出是关于直线形状的双极形。现已测得在处理区中由曲率产生的调制是未处理光导的曲率产生的调制的3000倍。

在环路传感器中，处理是在光导环路33的一个表面上(见图11和12)，当环路33弯曲到其平面34之外(见图13和14)时产生调制。在图11和13中经过处理的表面32以阴影表示。在图12和14中，它们示出为黑线。

图15、16和17示出环路传感器35，这里处理区32仅出现在一部分环路33上，直到反转弯曲36的区域。对于这一反转区36，不必进行处理，当然这是任选的。另外，环路33的相对另一半可以保持不处理。

对于环路传感器，输出量和调制效率特别高。光导表面上的处理区32与急弯的环路的组合是叠加的。在光导的顶部上的处理区32以环路笔直时在急弯环路附近光不会自由地通过的模式增加光的损耗，所以对于在光导中引入急弯(因此造成损耗)环路33有少许不利。然而，当环路被弯曲到其平面之外时，损耗区与不然则会自由地绕过环路33的模式强烈地相互作用，导致有效调制。

作用环路传感器上的再一个变量，可以在环路33中形成如图18-21所示的扭转传感器，环路33具有对分中线46，只有在每个向外的表面部分的一半上对环路33进行处理，在环路33的相对另一半的相对表面47上也进行处理。图19至21示出了如此处理的环路33，为了清楚起见图中将处理部分升高。对于图21，环路33是平的。如果在横穿中线46向上或向下弯曲，那么，处理表面32将产生相反的抵消效果。于是，不能对弯曲产生敏感。然而，如图20所示，环路33绕其中线46扭转，处理表面部分32的调制效果相加，提供增强的扭转测量结果。

图22A示出钢带8处于起皱构形的侧视图。这么做是为了在静止时，没有施加力，在一个自由度中被弯曲到其平面之外，以传感器间隔的倍数重复的波折。在这种情况中，波折具有与传感器对50相同的空间频率，在钢带的相对两侧上以方框51表示。钢带静止在刚性体52上，以致于其平均轨迹(在侧视图中以虚线53表示)为刚性体的形状。钢带的计算机图象就象图所示的那样，即，通过消除波折、留下平均表面的平均化或者空间滤波处理能够发现在空间中波折但是具有其平均位置和取向的表面。

图22B示出相同的起皱钢带8，但是现在有从上方施加压力的第二刚性体54。现在，计算机图象表明在施加压力的区域中波折幅度减小，仍然含有有关下方表面的形状的信息，在施加压力的区域内和施加压力的区域外二者都如此。对于一个组合的压力和形状传感器，传感器间隔意味着最小空间频率，两个刚性体中的任何一个可以没有在测量形状或压力数据引起误差的其压力场或者形状场。刚性体的空间特性必须没有频率分量大于传感器间隔的空间频率分量，波折必须与传感器间隔同相。这一规则模拟于摄影的原理，这里，在小于照相感光乳剂颗粒尺寸的图象平面中照相特征是无效的。

这演示了一种利用预先波折的传感器钢带测量压力和形状的方法。显然，正如图中所示的波折不是同时获得形状和压力的唯一手段。例如，钢带可以具有扭转的角度变量或者可以为锯齿形，在传感器位置之间具有90度弯曲55，如图2C所示，图中夸大了上下高度。在图22C的情况中，压力将引起来自受影响传感器的弯曲信号的增大，但是，如果满足空间频率制约，平均形状不受影响。

图22D示出从平板上切割的钢带传感器8的平面图，在静止时，它位于平面内，但是从一侧到另一侧以“波状”构形波折。图中符号X56表示以公共的共享的隔开间隔定位的弯曲和扭转传感器对的位置。在有些情况中，将这些传感器对仅仅定位于每个直线段的中心就足够了，由此减少所需的传感器的数目。波状形式的不同变形包括锯齿形和90度转弯，分别组成三角和正方形波形。这种形状可以与织物或其它基板相拟合，然后可以将它们弯曲，制成衣服、坐垫套或其它共形表面。扭转时，图22D的形状将仅产生弯曲信号。沿其长轴弯曲时，将产生扭转信号。在这方面，其作用与直线钢带的相反情况一样。

图22E示出盘旋形式，除了只允许弯曲而设计的较薄的铰链部分58以外各处都为刚性，没有扭转。如图22F所示铰链部分是通过使基板减薄产生的。以方框形式60示意表示的弯曲传感器位于铰链部分上。图22E所示的形式是仅采用弯曲传感器，仍然能够把全部3维信息发送计算机的传感器阵列。

图22G示出可弯曲塑料导管61的侧视图，在其壁面有皱褶，顶部有一缝口。传感器装置62沿导管延伸安装在缝口中，延伸到导管之外。图22H的端视图示出左侧的传感器钢带63和右侧的弹簧钢的加强带64，二者都凸出到导管顶部的缝口之外。图中未示出以有规则的间隔隔开的“O”形环，以保持钢带和加强带在导管被弯曲时不工作。增加导管的好处是双倍的，即它有助于分布传感器位置之间的曲率，因此起低通机械滤波器的作用，使由锐弯引起的误差减至最小，同时允许作全部自由度的弯曲和扭转；它提供一种将加强带增加到钢带上或者从钢带上取出的便利手段。钢带和任何加强带维持在导管的缝口上和相对的内表面上。因此，它们位于导管的相对于弯曲到钢带平面之外的中性轴上，所以使它们弯曲所需的力是最小的并使钢带、加强带与导管之间的滑动减至最小。导管还提供将引线或软管增加到构造上的手段。

对于低成本应用而言，基于强度的传感器是有吸引力的，因为信号处理可以十分简单。然而，光导中的强度可以是除测量曲率之外的许多因素的函数。不希望有的强度调制包括：

-光学连接中的变化

-引线的弯曲

-光源的老化

-光导的老化

-温度对光源和检测器的影响。减低光纤之间平衡要求的一种技术是形成一个“损耗”区，例如通过摩擦或加热局部点，以便调节各个引线的输出量。

环形光纤技术通过利用涉及两个相对层叠环路的光学和电子桥接技术克服这些缺点，图23示出标准平衡环路传感器结构，这里，采用了两个“嵌套的”环路37。

四条引线38保持平行和邻接，排列在平面内的密封薄板中，如图24所示。这减少了引线从两个弯曲成一个的主要自由度。采用一个LED光源40照射两个环路，通过一个积分器43控制光源，保持环路输出量之和恒定不变。受控的输出量包括光学和电信号(即LED、光导、光电二极管和放大器)。控制LED40的恒定的和技术同时克服了由老化或温度对光电子器件和光导的影响以及引线弯曲造成的公共模式调制。

然而，正如图25所示，由于对两个环路37的处理是在相对的向外表面40、41上进行的，以致于给定的弯曲在一个环路中引起输出量增大而在另一个环路中引起输出量减小，测得的(曲率)不是按照共模的。信号是线性的，所以可以在运算放大器42中减去它们，得到与曲率成线性关系并不受共模误差影响的输出信号。由于相减，产生的信号还是单个环路33的信号的两倍。

产生的整个传感系统等于一个光电子平衡桥，利用一个四相运算放大器42产生高电平电输出。电路的作用是产生高电平输出信号，排斥共模误差。

实际的低成本传感器可以通过形成绕中心距1cm的销的嵌套环路37而制造，原地进行处理，产生损耗区，原地施加把环路37和引线38维持在平面内的薄板39。引线38可以采用略带正弦或“波纹”图案引出，以保护引线免于张应力。已经演示，现有的引线长度能力达到5.5米，但是能够延伸。带有乳胶外层的标准薄板可以为1.2mm厚×7mm宽，它们之间有2份数聚氨酯芯填充剂44，含有0.5mm直径的具有聚甲基丙烯酸甲酯芯的光纤38。标准的经过处理的敏感区33对于0.5mm纤维而言长为12mm，对于0.25mm纤维而言长为6mm。图26示出典型的传感器。

可以将环路型的扭转和弯曲传感器嵌套起来，使它们在基板上紧密地合为一个位置。

虽然已经详细地描述了环形传感器，但是，图27-30利用简化符号示出传感器在基板上的特别有利的部署。这些“曲棍”图象50可以看作是处理过的弯曲增强光纤传感器51，具有反射端52，以已知方式以反射模式产生作用。对每个图象50的“刀刃”部分53进行处理和定位到对绕轴15的弯曲是敏感的，轴15与刀刃的长度成一角度。

在图27中，传感器按十字交叉形式布局，敏感部分53以八字张开角度覆盖在基板的中线54上。为了清楚起见，中断引线55的示出，省略了插入载体部分。然而，来自每一对传感器的信号可以馈送到上述的运算放大器中，提取它们的和和它们的差。如果敏感部分位于同一面上(向外或向内)，那么，信号的和将测量弯曲，信号的差将测量扭转。

虽然图27和28示出在单个基板8上十字交叉的传感器对，但是，图29和30示出两个部分装备的基板8、8a，当组装成一个中心有传感器的薄板56时，它们形成一个传感器组件56，传感器被有效地嵌埋在聚集的“基板”中。通常位于组件56的中性轴上。

不是将传感器刀刃53成对地安装在基板8中，每一对中的一半开始可以如图29所示放置，第二个近似相同的具有如图29a所示环路的基板可以放置在第一个基板上。图29、29a所示的经过处理的表面53必须在相反的表面上，以实现与图27相同的结构。如果在图29、29a中的相同表面上进行处理，那么，来自运算放大器的输出在测量弯曲和扭转中将是相反的。为了增加刚性和防止一对传感器中的一个使另一个弯曲，可以在两个基板之间放置橡胶、塑料或金属的带。

一旦将两个基板组装起来，两个基板可以层叠在一起，以提供两组传感器，所有的引线都出现在同一端。图30示出产生的薄板56的侧视图。作为光纤直接相互相邻的另一种方式，可以将基板8、8a连接起来，使得光纤在公共芯基板的外侧。

如果制造相同的半个基板，在组装时将经过处理的部分相反地面向向外的方向。然而，通过取每一对传感器的各传感器的输出的和和差，仍提供扭转和弯曲值。

将两个外侧基板8仅仅沿其边缘57焊接在一起，形成一个内部空间58，这里每个传感器51的引线55可以以松散形式安排在其中。这提供一种可弯曲的和避免将不必要的应力加在传感器引线55上的工具。

采用与反射光纤传感器51描述的相同方式，环路传感器33可以分布在基板8上。图31和33示出同时测量弯曲和扭转的同一位置嵌套环路传感器对的两种模式。图32是通过图31的截面图，表明在载有经过处理表面部分32的环路33的地方有升高的表面32。

在图31中，环路33以“Y”构形分开；在图33中，它们仍然以它们的角度取向八字张开以“X”构形与它们的中线重合。在两幅图31和图33中，环路33的中线46从基板8的中线54向外构成一角度。这个角度59对于基板8两侧上的传感器而言最好是相等的。这允许通过对输出的求和和相加同时获得弯曲和扭转值。如果角度59是45度，可获得对应于弯曲和扭转的最大的直接信号强度。

在图34中，示出一串嵌套的环路传感器37直线部署在钢带基板8上。嵌套环路中的任何一个可以交替地作为弯曲和扭转传感器，或者在每一个嵌套对中，一个传感器可以测量弯曲，另一个传感器测量扭转。

通过将钢带基板8的边缘焊接在一起，形成一个载体片8a，可以组装传感器平面阵列60。在图35和37的平面阵列60中示出两个不同的格式，对应于前面的图34和33。另一方面，以模拟图29和30中所示的方式，可以将传感器焊接到两个可弯曲的用作载体的片上，这两个片可以重叠和焊接以形成一个平面形状传感工具。

本发明已经制造和演示了带有8对传感器的平面带形式，每一对传感器共同测量弯曲和扭转。按照美国专利5,531,257、专利合作条约申请PCT/CA94/00314和SPIE论文SPIE Vol.2839，pp.311-322，1996，形成了直径0.25mm光纤的环路并为弯曲灵敏度作了处理。每5cm以45度角度将传感器成对地附着到0.32mm厚、12mm宽的乳胶基板的长轴上。光纤的光损耗部分面向外侧，即从基板对着外侧。环路的顶点在基板边缘内侧约1mm。传感器是成对的，呈十字交叉形成，面向光损耗区，使得每个环路的敏感部分与基板的轴中心十字交叉。环路的引线被弄弯，轴向引导到每个基板的端部，引线离开边缘1mm以上。

在处理期间，光纤引线(图25中的38)有序地成对地保持在组织者卡上。来自每一对光纤中的一个光纤连接到发光二极管(LED)40。通常，由同一个LED能够照射8个或更多的光纤38。每一对光纤中的另一个光纤连接到光电二极管61，每个光电二极管一个光纤。普通的跨阻放大器62将光电二极管电流转变为电压。这些电压被馈送到和和差放大器42(或者可以立即进行数字化)。对模拟的和和差进行数字化并将其馈送到计算机61，以供进一步处理。

定标过程

本发明的较佳实施例由在每个传感器的光强度输出量随曲率线性变化的范围内工作的光纤传感器对组成。当本发明的传感器是平的(没有施加弯曲)，要求所有的强度相等，所以，当以成对的方式取其和和差时，所有的差将为0，所有的和将为相同的正值。这减小了计算开销并保证弯曲和扭转输出之间的相互作用最小。

作为调节光强度的常用方法，通过把光纤的未经处理部分夹在金属层与变黑的弹性体层之间可以制作微弯曲光纤“电阻器”，金属层和弹性体层是有弹力的，但是具有足够的刚性以保持施加的弯曲。例如，夹层由以下的4×20mm层制成，黑色乙烯树脂带、双面黑色粘合剂带、沿中心的20mm尺寸的光纤、黑色乙烯树脂带、0.010″黄铜。光信号可以通过含在这些夹层中的光纤传送和被弯曲以将信号都调节到在最低值上取得的值，所以所有的信号是相等的。这一调节方法允许在宽的极限内重复减小和复原，以致于调节可以是相当精密的和免除起始误差。

一旦各个传感器值是相等的，那么，来自光传感器的数字化输出可以输送到计算机。另一种方法是首先取得模拟形式的和和差，然后，将它们送至计算机。对于两种情况中任何一种，现在我们可以在计算机中解决代表弯曲和扭转(或弯曲、弯曲和扭转)的值的定标。

由于较佳实施例的传感器是线性的，和和差也将是线性的。为了对本发明进行定标，我们仅需在每一个弯曲和扭转范围的两个点上进行定标。本发明以其钢带或加强带形式对弯曲进行定标的较佳方法是首先将带放平并计算机中将所有的弯曲值设定为0。然后，本发明能够将铁环形成到圆柱心轴上，能够将增益(正乘数或负乘数)加到每个弯曲值上直至所有的计算机弯曲值等于对应于心轴圆周上看到的均匀曲率的恒定值为止。由于没有施加偏移值(加数值或减数值)，当带再次放平时，带的计算机“图象”将全部为零。

以类似的方式，首先在带平整时将扭转值设定为0，然后，在带维持为直线但是通过以绕长轴的不同旋转角度维持端部固定的手段在其整个长度上施加有均匀扭转时可以施加增益。一个例子则是将带轴向安装在车床上和使车床头旋转某一已知量。

同时对扭转和弯曲进行定标的较佳方法是首先在带放平时将弯曲和扭转值设定为0，然后，以均匀螺旋方式绕圆柱心轴形成带。由于螺旋具有恒定曲率和恒定分布扭转，可以给所有的弯曲施加增益和分别给所有的扭转施加增益，获得螺旋的计算机图象。

以上基于心轴的定标过程可以在计算机中自动进行，因为所有的所需弯曲和扭转值是从心轴信息事先已知的，不会相互作用。这一过程简单地是建立一个增益查看表，使得对于每个弯曲信号，弯曲信号乘以其分配增益等于一个恒量的过程，对于扭转而言，过程相似。

对于非线性的传感器，可以采用类似的过程，但是，必须对两个以上的点进行定标，需要多个心轴和多个步骤。

准确度和精确度

精确度(分辨率)定义为在噪声上能够分辨的程度，不计及长期偏移。

准确度定义为能够测量到绝对尺度的程度，即使存在长期漂移。

已经建立基于本发明的模型型式由经验测量结果确定的精确度为每米长度的钢带基板约1-3mm。基于每个弯曲传感器的分辨率0.02度和利用在1米的带是以5cm间隔的20对传感器的精确度计算提供最差的情况为0.35mm的值，每米的带rms＝0.09mm。

主要受长期漂移影响的绝对准确度是基于标准传感器在2个月内1％漂移的假设计算的。对于1米、20对的带，可获得的最差情况下误差为0.5cm/月，rms值为1.1mm/月。通常，误差是不相加的。对于较靠近固定参考点的带的各段分，误差对端部点位置的贡献较大

图38和39示出本发明用于人体运动捕获应用。在图38中，钢带型带基板安装在佩戴者的上臂63、小臂64和手65上。传感器引线66终止在便于安装在外衣上的终端盒67中，它将信号68馈送到计算机69。采用粘合带70将装备带附着到所需的人体部位。尽管计算效率可能与较佳位置有关，关键的附着点不是由带指挥的。

虽然带能够实际测量与其共形的表面(例如小臂64)的形状，但是，它可以足以仅提取带的路线上特定段的肢体的取向。在手65上，可以提取有关形状和取向的数据。

通常，在肘与手腕处可以形成环路71，肘与手腕没有数据需要收集，不是形状和取向测量部分的束缚端的位置。这些断开连接的部分71可以自由延伸到空间中，完全不受制约。其优点是，它们给佩戴者提供舒适性和移动能力。

图39示出传感器钢带放在导管中，附着到人的手臂上。构造和用途与图38相同，不同之处在于钢带和导管以螺旋型式绕在手臂上。传感钢带8是可完全的，缠绕手臂，还有一个传感部分73，它被附着到至少一个手指上。传感器部分73检测和提供手指运动的测量结果，例如在启动开关时。这产生一幅沿着手臂表面的计算机图象，以致于该图象有一些封闭体积的元素。导管不必是这种构造，但是通过使曲线平滑，可以减少所需的传感器数目。代表铰接的连杆的中心表面或线以模拟手臂的“条形图”不仅能够从该图象中导出，而且还能够采用该图象模拟膨胀的肌肉或与体积或表面形状相联系的其它变化。以类似的方式，能够采用螺旋或其它波状或盘旋形状产生其它的人体或动物或其它任何生物体的测定体积模型。例如，能够采用传感器钢带敏感呼吸期间的躯干体积或形状的图象变化。

虽然终端盒67可以用作限定测量表面在空间中位置、取向和形状的一个参考点，但是，带上的任何一点同样地能够用作参考点。这可以包括颈骨上的骨隆起物或者带通过颈部的颈背。这在运动捕获技术中提供了异常方便，因为带参考人体骨架上的限定位置。

对于本发明的所有应用，计算机69的输出能够提供形状测量工具在空间中的几何构形和它所附着的表面的视频显示72。

作为利用本发明的再一个例子，图40示出以弓形或弯曲形式排列的平面轴挠曲78，一端由参考表面74支承，终止在带有物体75的自由端，能够笛卡尔定位和取向x、y、z位置和滚动、节距和偏航取向。终端物体75可以是带开关或按钮的球形捏手，用作启动操纵杆，将6个自由度的位置信号76送至控制系统，例如机器人。

结论

以上已经描述了如何将本发明投入使用的具体实施例。这些实施例仅仅是示范性的。在接下来的权利要求书中从最宽和更具体的方面对本发明作进一步描述和限定。

这些权利要求和这里所采用的语言应当从已经描述的本发明的各种改变形式进行理解。它们不限于这些变化形式，而且覆盖本发明隐含的全部范围和这里已经提供的公开内容。

Claims (20)

1.一种提供对应于空间几何构形的数据的测量工具，所述测量工具包括：

(1)能够在至少两个自由度上弯曲的可挠曲基板；

(2)隔开的弯曲传感器装置和扭转传感器装置，它们以已知的各自的弯曲传感器和扭转传感器间隔被耦合和定位在基板上，以提供表示在弯曲传感器装置和扭转传感器装置耦合到基板的各自位置上在基板中出现的弯曲和扭转的各自局部状态的挠曲信号；

(3)传感器数据处理装置，与弯曲传感器装置和扭转传感器装置相耦合，从中接收挠曲信号和提供有关基板在三维空间的几何构形的数据，

其特征在于：传感器数据处理装置是从弯曲传感器装置和扭转传感器装置所提供的挠曲信号和这些传感器之间隔开间隔导出的弯曲和扭转信号确定基板的几何构形而进行操作的。

2.如权利要求1所述的测量工具，其特征在于：弯曲传感器装置和扭转传感器装置是以公共的共享的弯曲和扭转传感器隔开间隔定位在基板长度上。

3.如权利要求1所述的测量工具，其特征在于：基板的形状采用具有一个纵向维数的钢带的形式，基板基本上限于沿其长度绕横穿基板纵向维数的轴弯曲，但是可以绕这一纵向维度自由扭转。

4.如权利要求1或3所述的测量工具，其特征在于：弯曲传感器装置和扭转传感器装置是作为共同位于基板的位置上和分别定位的弯曲传感器对提供的，以测量绕各自的八字交叉的弯曲轴出现的弯曲，弯曲和扭转信号是通过将两个同处一个位置的弯曲传感器的输出相加组合和通过从所述两个同处一个位置的弯曲传感器的输出提取其差提供的。

5.如权利要求1或3所述的测量工具，其特征在于：

(1)弯曲传感器装置和扭转传感器装置包括这样的光纤，通过对光纤外表面的表面部分进行处理，使之吸收穿过光纤的光，使得它们对其曲率状态敏感；

(2)光纤具有相反的环路，经过处理的表面部分位于环路的区域中；

(3)相反的环路限定中线；

(4)环路成对地安装在基板上，在每一对中提供一个组合的弯曲和扭转传感器装置，基板有一个的表面，其特征在于：

(5)环路的平面平行于基板的表面；

(6)环路的中线以八字张开角度相互取向，

由此，通过将每一对中环路的输出相加组合和通过从每一对中的环路输出提取差值可获得弯曲和扭转信号。

6.如权利要求1或3所述的测量工具，其特征在于：弯曲传感器装置和扭转传感器装置包括这样的光纤，通过对光纤外表面的表面部分进行处理，使之吸收穿过光纤的光，使得它们对其曲率状态敏感。

7.如权利要求6所述的测量工具，其特征在于：光纤具有相反环路并使光纤对它们在环路区域中的曲率状态敏感，以提供弯曲传感器装置和扭转传感器装置。

8.如权利要求7所述的测量工具，其特征在于：基板为具有一个纵向维度的钢带，所述扭转传感器装置的相反环路限定对分中线，环路的中线与钢带的纵向维度准直，环路具有平行于基板平面设置和从环路指向外侧的表面，这里每个环路上经过处理的表面部分位于光纤的指向外侧的表面上，仅仅在每个环路的相对的一半和相对的指向外侧的表面上。

9.如权利要求7所述的测量工具，其特征在于：弯曲传感器装置的环路是成对嵌套安装的，在每一对的两个环路中光纤的处理表面部分位于每个环路区中互补的、相对的指向外侧的表面部分，由此，当嵌套环路以弯曲曲率经受共同变化时，通过每一对中各个环路的光的强度在相反方向上改变值。

10.如权利要求9所述的测量工具，其特征在于：把嵌套对中环路的输出的差值提供给传感器数据处理装置，作为弯曲曲率的测量结果。

11.一种具有形状监测参考表面的相对于参考位置测量待测量表面在三维空间中相对位置和取向的几何构形监测工具，所述工具包括：

(1)能够在三维空间中挠曲的可挠曲基板，它载有所述形状监测参考表面和参考位置；

(2)以已知间隔沿所述基板分别隔开的多个弯曲传感器装置和扭转传感器装置，用作角度位移传感器，

由此，所述形状监测参考表面相对于所述参考位置在三维空间中的位置和取向是以几何测量方式由位于所述基板上各个位置上的角度位移传感器所提供的角度位移值结合使这些传感器分开的间隔值确定的。

12.如权利要求11所述的工具，其特征在于：所述弯曲传感器装置和扭转传感器装置是相互交替插入的。

13.如权利要求11所述的工具，其特征在于：所述弯曲传感器装置和扭转传感器装置相互共处同一位置。

14.如权利要求13所述的工具，其特征在于：所述弯曲传感器装置和扭转传感器装置包括为测量八字张开方向上弯曲而定位的两个弯曲传感器，以提供由所述弯曲传感器的输出的和和差导出的弯曲和扭转信号。

15.如权利要求11、12、13或14所述的工具，其特征在于：所述的基板为具有一个纵向范围的钢带结构的形式，所述钢带形结构沿其长度可以绕横穿其纵向范围的轴自由地弯曲，但是阻止绕平行于钢带纵向范围的轴弯曲。

16.如权利要求11、12、13或14所述的测量彼此相对的待测量第一和第二表面在空间中的相对位置和取向的工具，所述工具包括：

(1)与待测量的第一表面相邻的形状监测参考表面的第一部分；

(2)与待测量的第二表面相邻的形状监测参考表面的第二部分，

其特征在于：形状监测参考表面的第一和第二部分束缚监测工具的中间部分，它空间上不受限制，但它与形状监测参考表面的所述第一和第二部分结合处除外。

17.如权利要求11、12、13或14所述的工具，其特征在于：所述基板为带有参考表面的板片形式，所述弯曲传感器装置和扭转传感器装置附着在其上。

18.一种提供限定在三维空间中延伸的路径的空间构形的数据的方法，包括使可挠曲的片形基板沿待限定的路径形成一定的空间构形；提供多个弯曲传感器装置和多个扭转传感器装置以预定间隔沿着待限定的路径和在其附近附着到所述基板上；从所述各个传感器装置收集弯曲信号和扭转信号；对所述信号进行处理，产生所述路径在广度空间中沿其广度的几何构形的数据，所述信号的所述处理是通过将所述弯曲传感器装置和扭转传感器装置的弯曲信号和扭转信号与它们之间隔开间隔相结合以产生这些数据而操作的。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：采用钢带形式的基板具有一个纵向维度并限于沿其长度绕横穿纵向维度的轴弯曲和绕其纵向维度扭转。

20.如权利要求18或19所述的方法，其特征在于：所述传感器包括光纤传感器，通过对光纤的外表面的表面部分进行处理，使穿过光纤的光被吸收，使它们对其曲率状态敏感。

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