CN116211472A - 多维力感知装置、机器人及多维力感知装置校准方法 - Google Patents

多维力感知装置、机器人及多维力感知装置校准方法 Download PDF

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CN116211472A CN202310205629.9A CN202310205629A CN116211472A CN 116211472 A CN116211472 A CN 116211472A CN 202310205629 A CN202310205629 A CN 202310205629A CN 116211472 A CN116211472 A CN 116211472A
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刘宏斌
胡健
刘欣然
陈健
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Abstract

本发明涉及医疗设备技术领域，提供一种多维力感知装置、机器人及多维力感知装置校准方法，包括：单根单模光纤，位于基体的一端设有反射消除组件；基体，沿第一方向构造有与光纤适配的安装槽，以将预设长度的光纤固定在基体内，基体在靠近安装槽底面的一端端部形成接触头；基体在沿第一方向的侧壁上构造有非对称结构，非对称结构适于在接触头作用有外力时，以区分作用在光纤上的任意三维力矢量。本发明通过基体和单根单模光纤的形式实现末端多维力感知，利用单根单模光纤在毫米量级的柔性机械臂末端集成多维力感知装置，实现微创手术过程中临床医生的触诊操作，用于精确判断组织特性，提高对柔性机械臂的控制精度，降低施术风险。

Description

多维力感知装置、机器人及多维力感知装置校准方法
技术领域
本发明涉及医疗设备技术领域，尤其涉及一种多维力感知装置、机器人及其多维力感知装置校准方法。
背景技术
微创外科手术机器人中实现力觉临场感知的基本流程是：在执行手术操作的机械手靠近末端执行工具的位置安装传感器获取实时多维力信号；使得医生能够实时获取手术过程中机械手末端执行器与患者内脏组织接触的实时力信息的大小和方向。
相关技术中，柔性机械臂末端的传感器内部主要包括：光源、二维成像传感器、成像面；该种方式主要通过测量二维成像传感器感测的图案位移来测量柔性机械臂末端对外界的接触力。但上述传感器存在较多问题，例如需要内置光源和二维成像传感器，导致柔性机械臂末端直径难以小型化；以及容易受到外界光源影响，必须将内置光源、二维成像传感器、成像面等安置在隔光密室中。
还有一种方式是基于“时间飞行法(time-of-flight)”测量形变面与超声探头之间的距离变化，进而辨识力矢量。但是形变面形态是解耦力矢量的关键信息，因此需要内置超声信号发生器阵列，难以小型化。
发明内容
本发明提供一种多维力感知装置、机器人及多维力感知装置校准方法，用以解决现有技术中末端难以小型化的缺陷，利用单根单模光纤在毫米量级的柔性机械臂末端集成多维力感知装置，实现微创手术过程中临床医生的触诊操作，用于精确判断组织特性，提高对柔性机械臂的控制精度，降低施术风险。
本发明首先提供一种多维力感知装置，用于对多维力进行感知，包括：
单根单模光纤；
单根单模光纤，设于基体的一端端部设有反射消除组件；
基体，沿第一方向构造有与所述单模光纤适配的安装槽，以将预设长度的所述单模光纤固定在所述基体内，所述基体在靠近所述安装槽底面的一端端部形成接触头；所述基体在沿所述第一方向的侧壁上构造有非对称结构，所述非对称结构适于在所述接触头作用有外力时，以区分作用在所述单模光纤上的任意三维力矢量。
根据本发明提供的一个实施例，以所述接触头的表面形心为坐标原点建立空间直角坐标系，所述空间直角坐标系的z轴对应所述第一方向，且与所述单模光纤的轴向重合，所述空间直角坐标系的x轴和y轴分别对应第二方向和第三方向。
根据本发明提供的一个实施例，所述非对称结构是沿所述单模光纤轴向的非轴对称结构，以在所述空间直角坐标系中任意三个正交方向的各单位力矢量作用于所述接触头时，使得固定在所述基体内的部分所述单模光纤的轴向应变分布模式各不相同。
根据本发明提供的一个实施例，所述非对称结构包括至少一个形成在所述基体侧壁上的缺口或凸起。
根据本发明提供的一个实施例，所述非对称结构包括至少两个沿所述第一方向错开排布的缺口；或者至少两个沿所述第一方向错开排布的凸起；或者至少一个缺口和至少一个凸起，所述缺口和所述凸起沿所述第一方向错开排布。
根据本发明提供的一个实施例，所述缺口形成于所述基体的侧壁，形成所述缺口的所述基体侧面距所述安装槽预设距离，或形成的所述缺口贯穿至所述安装槽。
本发明还提供一种机器人，包括微型柔性机械臂，及设置在所述微型柔性机械臂末端的上述实施例所述的多维力感知装置。
根据本发明提供的一个实施例，所述多维力感知装置可拆卸设置于所述微型柔性机械臂的末端。
本发明还提供一种多维力感知装置校准方法，用于对上述实施例所述的多维力感知装置进行校准，所述校准方法包括：
建立用于感知多维力矢量的感知装置模型；
在静力学环境中通过向所述感知装置模型施加m组已知力，以获取m组所述感知装置中单模光纤沿轴向的应力分布数据；
基于m组所述应力分布数据计算并获得系数矩阵，以完成对所述多维力感知装置的校准。
根据本发明提供的一个实施例，所述基于m组所述应力分布数据计算并获得系数矩阵，包括：
沿所述单模光纤轴向设置n个采样点；
在所述单模光纤轴向的应变分布变化时，将n个所述采样点对应的应变分布设为Onx1，以测量任意力矢量F3x1；
将所述Onx1和所述F3x1对应的所述系数矩阵设为Cnx3；
所述Cnx3通过最小二乘法进行m次测量得到：
Onxm ＝ Cnx3·F3xm (1)
Cnx3 ＝ Onxm·F-1 3xm (2)
Cnx3 ＝ Onxm·(F T mx3·F3xm)-1·F T mx3 (3)。
本发明提供的多维力感知装置及其校准方法，通过基体和单根单模光纤的形式实现末端多维力感知，具体通过将单模光纤固定在基体内部，沿第一方向在基体的侧壁构造非对称结构，以区分沿单模光纤轴向产生的针对不同力矢量的应变。当外界力作用在接触头上时，单模光纤会传输相应信号，通过对上述信号进行比对分析，从而获得作用在接触头上的外界力的大小和方向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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地介绍，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附图。
图1是本发明提供的多维力感知装置的立体结构示意图之一；
图2是本发明提供的多维力感知装置的透视示意图之一；
图3(a)是本发明中切向力沿x轴作用于接触头的仿真示意图；
图3(b)、(c)、(d)是本发明中图1所示结构切向力分别沿x轴、y轴、z轴作用于接触头，单模光纤的应变分布的仿真曲线图；
图4(a)是本发明中力矢量沿坐标轴(x、y、z)分解，单模光纤沿轴向的应变分布仿真结果；
图4(b)是本发明中对图4(a)的叠加原理仿真验证图；
图5是本发明提供的多维力感知装置的示意图；
图6是本发明提供的多维力感知装置的透视示意图之二；
图7(a)、(b)、(c)是本发明中图6所示结构切向力分别沿x轴、y轴、z轴作用于接触头，单模光纤的应变分布的仿真曲线图；
图8(a)、(b)、(c)是本发明中非对称结构中相邻凹槽夹角呈90°切向力分别沿x轴、y轴、z轴作用于接触头，单模光纤的应变分布的仿真曲线图；
图9是本发明提供的多维力感知装置的立体结构示意图之二；
图10(a)、(b)、(c)是本发明中图9所示结构切向力分别沿x轴、y轴、z轴作用于接触头，单模光纤的应变分布的仿真曲线图；
图11是本发明提供的多维力感知装置的立体结构示意图之三；
图12(a)、(b)、(c)是本发明中图11所示结构切向力分别沿x轴、y轴、z轴作用于接触头，单模光纤的应变分布的仿真曲线图；
图13是本发明中不同弹性模量的基体对单模光纤轴向应变信号的影响图；
图14是本发明中多维力感知装置校准方法的流程示意图；
图15是本发明中三维力矢量解耦算法的数据集。
附图标记：
100、基体；101、安装槽；102、接触头；103、非对称结构；1031、缺口；
200、单模光纤；
300、反射消除组件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本申请，但不能用来限制本申请的范围。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
在本申请实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本示例实施方式首先提供一种多维力感知装置，用于对多维力进行感知，该多维力感知装置可以设置在机械臂的末端，具体可以与机械臂末端可拆卸连接，也可以一体成型在机械臂的末端。本示例中的机械臂为微型柔性机械臂。如图1和图2所示，上述多维力感知装置可以包括单根单模光纤200和基体100。
单根单模光纤200设于基体100的一端端部设有反射消除组件300；基体100沿第一方向构造有与所述单模光纤200适配的安装槽101，以将预设长度的所述单模光纤200固定在所述基体100内，所述基体100在靠近所述安装槽101底面的一端端部形成接触头102；所述基体100在沿所述第一方向的侧壁上构造有非对称结构103，所述非对称结构103适于在所述接触头102作用有外力时，以区分作用在所述单模光纤200上的任意三维力矢量。
可以理解的是，本示例是基于分布式单模光纤传感方式进行设计，一般基于瑞利散射(OTDR、OFDR)、布里渊散射(BOTDR、BOTDA、BOFDR)、拉曼散射(ROTDR、ROFDR)、光纤光栅(FBG)、弱反射光纤光栅(WFBG)等。
单根单模光纤200一般只能提供沿其轴向一个维度的应变信息，需要多根单模光纤200的配合使用才能够实现触碰物体的形状感知。本示例中可以将单根单模光纤200集成在柔性机械臂的末端，通过单根单模光纤200便能够对多维力进行感知。
单模光纤200的外表面与基体100内的安装槽101固定连接，当外力作用到基体100端部的接触头102上时，基体100能够限制设于其内的单模光纤200运动，因此，在基体100沿第一方向非对称机构的约束下，沿单模光纤200轴向(第一方向)能够产生针对不同力矢量的可区分应变，且符合叠加原理。
更具体的理解为，沿第一方向作用在接触头102上的力为法向压力方向，任意三维力还包括沿第二方向和第三方向的矢量力，第二方向和第三方向为作用在接触头102上的切向力，在本示例中第一方向和第二方向相互垂直，且第二方向和第三方向构成的切平面与第一方向垂直。若基体100设置为可以包覆及固定住单模光纤200的圆柱状结构，当有切向力作用在接触头102上时，由于圆柱状基体100包覆单模光纤200的均匀性，很难判别上述切向力是沿第二方向或是沿第三方向作用在接触头102上的矢量力。为便于获取第二方向或第三方向上作用的矢量力，以及便于计算第一方向、第二方向和第三方向各分力的叠加合成，在基体100沿第一方向的侧壁构造有非对称结构103。
上述非对称结构103可以是开设在基体100侧壁上的缺口1031，也可以是设置在基体100侧壁的凸起。从而破环基体100包覆单模光纤200的均匀性，当第一方向、第二方向或第三方向的单位力矢量分别作用于接触头102上时，位于基体100内的单模光纤200的待测区域的轴向应变分布模式各不相同。
需要说明的是，上述叠加原理是指空间任意力矢量等效于沿正交坐标系各轴向分力的合成。
本实施例中，通过基体100和单根单模光纤200的形式实现末端多维力感知，具体通过将单模光纤200固定在基体100内部，沿第一方向在基体100的侧壁构造非对称结构103，以区分沿单模光纤200轴向产生的针对不同力矢量的应变。当外界力作用在接触头102上时，单模光纤200会传输相应信号，通过对上述信号进行比对分析，从而获得作用在接触头102上的外界力的大小和方向。
下面将参考图1至图13对本示例实施方式中的上述多维力感知装置的各部分结构进行更详细的说明。
如图1和图2所示，在一个实施例中，以所述接触头的表面形心为坐标原点建立空间直角坐标系，所述空间直角坐标系的z轴对应所述第一方向，且与所述单模光纤的轴向重合，所述空间直角坐标系的x轴和y轴分别对应所述第二方向和所述第三方向。
需要理解的是，接触头102表面形心作为坐标原点O，建立的空间直角坐标系为O-xyz坐标系，并定义xOy为切平面，z轴负向为法向压力方向。因此，当沿x、y、z轴各单位力矢量作用于接触头102时，固定于基体100内的单模光纤200的待测区域的轴向应变分布模式各不相同，在单模光纤200将待测区域内的信号传输出后，可根据信号计算作用于接触头102上的力的大小和方向。
如图1和图2所示，在一个实施例中，所述非对称结构103是沿所述单模光纤200的轴向的非轴对称结构，以在所述空间直角坐标系中任意三个正交方向的各单位力矢量作用于所述接触头102时，使得固定在所述基体100内的部分所述单模光纤200的轴向应变分布模式各不相同。
具体的，本示例中的非对称结构103是以单模光纤200的中心轴为轴向在基体100侧壁上构造的结构，该非对称结构103也可以称作非轴对称结构。该非对称结构103可以是开设在基体100侧壁的缺口1031或凹槽，或是形成在基体100侧壁上的凸起。构造在基体100侧壁上的非对称结构103能够很好的解决单模光纤200在受切向力时难以区分是切向力方向的问题。
沿第一方向作用在接触头102上的力为法向压力方向，第二方向和第三方向为作用在接触头102上的切向力，在本示例中第一方向和第二方向相互垂直，且第二方向和第三方向构成的切平面与第一方向垂直。若基体100设置为可以包覆及固定住单模光纤200的圆柱状结构，当有切向力作用在接触头102上时，由于圆柱状基体100包覆单模光纤200的均匀性，很难判别上述切向力是沿第二方向或是沿第三方向作用在接触头102上的矢量力。
为便于获取第二方向或第三方向上作用的矢量力，以及便于计算第一方向、第二方向和第三方向各分力的叠加合成，在基体100沿第一方向的侧壁构造有非对称结构103。从而破坏基体100包覆单模光纤200的均匀性，当第二方向和第三方向的单位力矢量作用于接触头102上时，位于基体100内的单模光纤200的待测区域的轴向应变分布模式各不相同。以此为基础，可实现毫米量级多维力感知装置末端的三维力矢量检测。
如图11所示，在一个实施例中，所述非对称结构103包括至少一个形成在所述基体100侧壁上的缺口1031或凸起。
可以理解的是，非对称结构103可以是沿柱状基体100的周向形成在基体100侧壁的一个缺口1031或是一个凸起，为区分沿第二方向或第三方向作用在接触头102上的矢量力，缺口1031或凸起沿基体100侧壁整体为非对称设置，以使得沿第二方向或第三方向的矢量力作用在接触头上的应变分布不同。当基体侧壁开设有如图11所示的一个缺口时，在外力作用下，沿单模光纤200轴向的应变分布变化规律如图12(a)、(b)、(c)所示。
如图1所示，在一个实施例中，所述非对称结构103包括至少两个沿所述第一方向错开排布的缺口1031；或者至少两个沿所述第一方向错开排布的凸起；或者至少一个缺口1031和至少一个凸起，所述缺口1031和所述凸起沿所述第一方向错开排布。
本示例中的基体100可设置为圆柱状，非对称结构103可以为开设在圆柱状基体100侧壁的缺口1031，该缺口1031的形状、尺寸及厚度均不做限制，但是相邻的至少两个缺口1031依次沿第一方向设置，且相互错开设置，即需保证相邻两个缺口1031不能关于单模光纤200的轴向对称。基体100侧壁上凸起的设置于缺口1031的设置方式相同，在此不再赘述。缺口1031和凸起可共同构造在基体100侧壁上。上述缺口1031和凸起的数量在此不做限制，只需保证构造在基体100侧壁上的缺口1031和/凸起的数量之和大于等于2。上述非对称设置的缺口1031和/或凸起能够便于区分作用于接触头102上的切向力为第二方向或第三方向的切向力，从而精准、快速的测量三维力感知装置末端的三维力矢量。
在一个实施例中，所述缺口1031形成于所述基体100的侧壁，形成所述缺口1031的所述基体100侧面距所述安装槽101预设距离，或形成的所述缺口1031贯穿至所述安装槽101。
本示例中的基体100设置为圆柱状，单模光纤200固定于圆柱状基体100正中间的安装槽101内。缺口1031可以为开设在基体100侧壁的任意形状，例如缺口1031形成处的基体100侧面为平面，或者是缺口1031形成处的基体100侧面为弧面，缺口1031沿圆柱状基体100的周向开设。此外，缺口1031至单模光纤200表面的距离在此不做限制，即缺口1031的厚度不做具体限制，可根据实际情况进行设置。也可以是贯穿至单模光纤200表面形成的缺口1031。
示例的，如图5和图6所示，缺口1031的厚度可设置为0.06mm，如图7(a)和(b)所示，分别对接触头102施加沿第二方向正向、第三方向正向。第一方向负向的力，单模光纤200沿轴向的应变如图7(c)所示。
如图9所示，相邻缺口1031的形状和尺寸大小可以不相同，该种设置能够明显的测量出沿单模光纤200轴向的应变分布。以符合三个方向应变分布的叠加原理。
如图2所示，基体100呈圆柱状，在圆柱状的基体100侧壁沿z轴构造有四个形状和大小均相同的缺口1031，其中两个缺口1031分别朝向x轴的正向和负向设置，另外两个缺口1031分别朝向y轴的正向和负向设置。
需要理解的是，基体100中缺口1031的方向从接触头102开始依次设置为：沿x轴负向、沿y轴正向、沿x轴正向、沿y轴负向。由于基体100内部与单模光纤200表面处于固结状态，当接触头102不受力时，单模光纤200沿z轴无应力变化。
本实施在三维建模软件Sol idworks中完成受力分析，各零部件关键几何参数如表1所示，关键力学参数如表2所示。设置接触力(0.1N)沿各轴向分别作用于接触头102。其中，切向力沿x轴正向作用于接触头102的仿真结果如图3(b)所示；以0.1N为间隔，0.1N至0.5N作用下，单模光纤200轴向应变分布如图3(b)所示。可知，在上述测量范围内，应力分布的变化规律与作用力幅值呈正比例关系。接触力作用于其他各轴的仿真结果遵循相同原理，如图3(c)和图3(d)所示，接触头102分别承受沿y轴正向的切向力与沿z轴负向的法向力作用，应力分布的变化均与作用力幅值呈正比。
表1：多维力感知各零部件关键几何参数
l1 l2 l3 L4
0.65mm 0.2mm 5.2mm 242um
表2：多维力感知各零部件关键力学参数
Figure BDA0004110835010000121
外力作用下，沿单模光纤200轴向的应变分布变化规律如图4(a)、(b)所示。其中，线1与线2实线分别代表指向x轴、y轴正向，且幅值为0.1N的切向力作用下，单模光纤200待测区域轴向应变；线3实线代表指向z轴负向、幅值为0.1N的法向力作用下，单模光纤200待测区域轴向应变；线4实线代表上述三种力同时施加在触点时，单模光纤200待测区域轴向应变；线5点划线代表通过计算上述三种力叠加效果得到的单模光纤200待测区域轴向应变理论值，在仿真中，该值与合成力作用效果等效，符合叠加原理。
本实施例中的多维力感知装置作为毫米量级，可集成在毫米量级的柔性机械臂末端，可实现微创手术过程中医生的触诊操作，用于精确判断组织特性，提高对柔性机械臂的控制精度，降低施术风险。
在一个示例中，基体100侧壁构造有两个缺口1031，两个缺口1031的中心线(沿径向设置)之间的夹角设置为90°，其它几何参数与上述表1和表2中数据一致。在接触头102处分别施加沿x轴正向、y轴正向、z轴负向的力时，单模光纤200沿轴向的应变，如图8所示。
在一个示例中，基体100侧壁相邻两缺口1031可设计为任意夹角，但相邻两缺口1031形状和尺寸可不一致，结构如图9所示。关键几何参数如表3所示。分别对接触头102施加沿x轴正向、y轴正向、z轴负向的力，单模光纤200沿轴向的应变如图10所示。
表3：非对称结构关键几何参数
Figure BDA0004110835010000131
需要说明的是，本示例中设置在单模单模光纤200端部的反射消除组件300可以是固热化双组分环氧树脂胶，以高效提升单模光纤200传感器的感应灵敏度，大幅度提升单模光纤200信号的测试精度。从而为多维力感知装置的微型化提供了有力的结构支持。
单模光纤200的主要成分一般为二氧化硅。本示例在仿真中采用多类型材料形成基体100，以分析弹性模量对末端力感知的影响。各材料重要物理属性如表4所示。不同弹性模量基体100对单模光纤200轴向应变信号的影响可参考图13所示，可知，当基体100的弹性模量大于(>72000N/mm2)、等于(＝72000N/mm2)、略小于(<45000N/mm2)单模光纤200时，得到的信号较平滑，能够用于末端力感知；当基体100的弹性模量远小于(<2000N/mm2)单模光纤200时，基体100失去约束单模光纤200运动的能力，单模光纤200轴向应变信息不具备多维力感知能力；当基体100的弹性模量在2000N/mm2与45000N/mm2之间时，如聚酯树脂(19000N/mm2)与尼龙(8300N/mm2)，单模光纤200轴向应变信号具有较大毛刺，测量误差变大。
表4：基体材料的关键力学参数
Figure BDA0004110835010000132
Figure BDA0004110835010000141
本示例实施例还提供一种多维力感知装置校准方法，用于对上述实施例中的多维力感知装置进行校准，如图14、15所示，该校准方法主要包括：
步骤S101，建立用于感知多维力矢量的感知装置模型；
步骤S102，在静力学环境中通过向所述感知装置模型施加m组已知力，以获取m组所述感知装置中单模光纤200沿轴向的应力分布数据；
步骤S103，基于m组所述应力分布数据计算并获得系数矩阵，以完成对所述多维力感知装置的校准。
可以理解的是，为进一步验证上述方案的可行性，需要计算校准矩阵，用以感知三维力矢量。在静力学环境中(仿真模型或实际产品)对感知装置模型进行m组测试，以作为数据集。并以现有对力矢量的解耦算法为基础，并拓展成适于本示例的多维力矢量感知算法。
需要说明的是，为验证上述基于本示例提供传感原理校准方法的合理性，即验证待测力与对应的已知力几乎不存在误差，通过下述验证方法进行。步骤S104，根据系数矩阵，及获得的单模光纤200的传输信号，计算出应力分布变化时的待测力矢量；步骤S105，将待测力与对应的已知力进行比对，若比对误差小于阈值，则完成对感知装置的校准。
计算系数矩阵主要包括：步骤S1031，沿所述单模光纤200轴向等间距设置n个采样点；步骤S1032，在所述单模光纤200轴向的应变分布变化时，将n个所述采样点对应的应变分布设为Onx1，以测量任意力矢量F3x1；步骤S1033，将所述Onx1和所述F3x1对应的所述系数矩阵设为Cnx3；所述Cnx3通过最小二乘法进行m次测量得到：
Onxm＝Cnx3·F3xm (1)
Cnx3＝Onxm·F-1 3xm (2)
Cnx3＝Onxm·(FT mx3·F3xm)-1·FT mx3 (3)
本示例的多维力感知原理基于单根单模单模光纤200的例如瑞利散射(OTDR、OFDR)、布里渊散射(BOTDR、BOTDA、BOFDR)、拉曼散射(ROTDR、ROFDR)、单模光纤光栅(FBG)、弱反射单模光纤光栅(WFBG)等。假设沿单模光纤200轴向具有n个采样点。外力作用于接触头102时，基体100发生形变，进而传递到其内部固结的单模光纤200中，造成沿单模光纤200轴向的应变分布发生变化。为了准确测量任意力矢量F3x1，将此时n个采样点的应变分布记为Onx1。二者对应的系数矩阵为Cnx3，可通过最小二乘法进行m次测量得到。
Onxm＝Cnx3·F3xm (1)
Cnx3＝Onxm·F-1 3xm (2)
Cnx3＝Onxm·(FT mx3·F3xm)-1·FT mx3 (3)
通过系数矩阵Cnx3，计算应力分布变化时的待测力矢量：
F3x1＝C-1 3xn·Onx1 (4)
F3x1＝(CT 3xn·Cnx3)-1·C-1 3xn·Onx1 (5)
本示例收集了108组仿真数据，如图15所示，其中，每一点的坐标对应力矢量在空间直角坐标系中的分量。之后进行校准矩阵测试，如表5所示，截取部分理论值与计算值结果，二者几乎没有误差。
表5：校准矩阵验证
F3x1理论值(N) F3x1实际值(N)
[0.4000,0.3000,2.0000] [0.4001,0.3000,2.0001]
[0.2500,0.3500,2.2000] [0.2500,0.3500,2.2000]
[(-0.2500,0.3500,2.2000] [-0.2500,0.3500,2.1999]
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)

1.一种多维力感知装置，用于对多维力进行感知，其特征在于，包括：
单根单模光纤，设于基体的一端端部设有反射消除组件；
基体，沿第一方向构造有与所述单模光纤适配的安装槽，以将预设长度的所述单模光纤固定在所述基体内，所述基体在靠近所述安装槽底面的一端端部形成接触头；所述基体在沿所述第一方向的侧壁上构造有非对称结构，所述非对称结构适于在所述接触头作用有外力时，以区分作用在所述单模光纤上的任意三维力矢量。
2.根据权利要求1所述的多维力感知装置，其特征在于，以所述接触头的表面形心为坐标原点建立空间直角坐标系，所述空间直角坐标系的z轴对应所述第一方向，且与所述单模光纤的轴向重合，所述空间直角坐标系的x轴和y轴分别对应第二方向和第三方向。
3.根据权利要求2所述的多维力感知装置，其特征在于，所述非对称结构是沿所述单模光纤轴向的非轴对称结构，以在所述空间直角坐标系中任意三个正交方向的各单位力矢量作用于所述接触头时，使得固定在所述基体内的部分所述单模光纤的轴向应变分布模式各不相同。
4.根据权利要求3所述的多维力感知装置，其特征在于，所述非对称结构包括至少一个形成在所述基体侧壁上的缺口或凸起。
5.根据权利要求3所述的多维力感知装置，其特征在于，所述非对称结构包括至少两个沿所述第一方向错开排布的缺口；或者至少两个沿所述第一方向错开排布的凸起；或者至少一个缺口和至少一个凸起，所述缺口和所述凸起沿所述第一方向错开排布。
6.根据权利要求4或5所述的多维力感知装置，其特征在于，所述缺口形成于所述基体的侧壁，形成所述缺口的所述基体侧面距所述安装槽预设距离，或形成的所述缺口贯穿至所述安装槽。
7.一种机器人，其特征在于，包括微型柔性机械臂，及设置在所述微型柔性机械臂末端的如权利要求1至6中任意一项所述的多维力感知装置。
8.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于，所述多维力感知装置可拆卸设置于所述微型柔性机械臂的末端。
9.一种多维力感知装置校准方法，用于对权利要求1至6中任意一项所述的多维力感知装置进行校准，其特征在于，所述校准方法包括：
建立用于感知多维力矢量的感知装置模型；
在静力学环境中通过向所述感知装置模型施加m组已知力，以获取m组所述感知装置中单模光纤沿轴向的应力分布数据；
基于m组所述应力分布数据计算并获得系数矩阵，以完成对所述多维力感知装置的校准。
10.根据权利要求9所述的多维力感知装置校准方法，其特征在于，所述基于m组所述应力分布数据计算并获得系数矩阵，包括：
沿所述单模光纤轴向设置n个采样点；
在所述单模光纤轴向的应变分布变化时，将n个所述采样点对应的应变分布设为Onx1，以测量任意力矢量F3x1；
将所述Onx1和所述F3x1对应的所述系数矩阵设为Cnx3；
所述Cnx3通过最小二乘法进行m次测量得到：
Onxm ＝ Cnx3·F3xm (1)
Cnx3 ＝ Onxm·F-1 3xm (2)
Cnx3 ＝ Onxm·(F T mx3·F3xm)-1·F T mx3 (3)。
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