CN1176345C - 三维曲线形状检测装置和检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三维曲线形状检测装置和检测方法，检测装置由柔性检测杆、信号采集卡和计算机通过电讯号传输线路顺序连接组成，在柔性检测杆上沿轴向均匀设置多组应变片，并由各组应变片分别组成多个电桥电路。检测方法包括确定应变片的比例系数、获取应变信号、采集应变信号、计算曲率和绘制形状曲线等步骤。本发明的三维曲线形状检测装置组成简单、检测方法简便，可以实现实时检测，并且能够达到很高的实时响应性。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测技术，尤其涉及一种三维曲线形状检测装置和检测方法。
背景技术
三维曲线形状检测技术有着重要的应用价值。在医疗领域，可以应用于结肠镜介入过程的形状检测，以便于医生的实时观察，从而避免结肠镜在体内的结襻现象发生；在肢残康复治疗中，可以应用于记录病人的形体与动作姿态，供医生研究治疗方案和评判恢复结果；此外，在运动员训练中需要记录关节的运动状态；在舞蹈演员训练中需要捕捉演员的舞蹈动作等，这些都需要运用到形状感知设备和三维曲线形状检测技术。
在三维曲线形状检测技术方面，目前以采用磁场定位原理的技术应用最为普遍。这种技术以法拉第电磁感应定理为基础，在被测目标上安装电磁发射设备发射已知结构的空间磁场，根据传感器在空间某点感应获得的磁场强度信号与已知的发射磁场的空间分布规律，计算出该点的空间座标位置和传感器的姿态角。利用若干个同样的设备，每隔一个采样周期进行一次采样，采样数据反映连续磁场的变化，经计算得到每个传感器的空间位置，然后用计算机将这些离散的点拟合成连续的曲线，就可以在计算机上进行三维显示，实现柔软体的空间定位和跟踪。但利用电磁场定位原理的技术安全性差，体积大，原理本身的缺点，因此其应用场合受到限制。此外，国外也有利用应变片进行腔道形状检测的报导，其方法是通过检测细长杆头部点在空间腔道中的移动轨迹，实现腔道的形状检测。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种组成简单、检测方法简便的基于非视觉的应变片的实时的三维曲线形状检测装置和检测方法。
本发明的目的是这样实现的，一种三维曲线形状检测装置，其特点是，由柔性检测杆、信号采集卡和计算机通过电讯号传输线路顺序连接组成，在柔性检测杆上沿轴向均匀设置多组应变片，并由各组应变片分别组成多个电桥电路，每组应变片为两片，并由每组的两应变片和两个电阻分别组成多个电桥电路，多电桥电路的两应变片对称粘贴在柔性检测杆的两侧。
上述三维曲线形状检测装置，其中，所述的计算机内设有将信号转换成曲线形状的软件。
一种三维曲线形状检测方法，通过三维曲线形状检测装置实施，其特点是，该方法至少包括以下步骤：
第一步、确定应变片的比例系数
在检测开始前，首先用圆弧样条曲线标定方法确定柔性检测杆上各组应变片的应变信号与曲线曲率间的比例系数K；
第二步、获取应变信号
将柔性检测杆置于被测部位，柔性检测杆的弯曲信号由应变片实时感知，由此获得柔性检测杆表面多个离散点的应变信号；
第三步、采集应变信号
多个离散点的应变信号经对应的多个电桥电路转换成模拟电压信号，模拟电压信号又经放大电路、信号采集卡转换成数字电压信号；由计算机实时采集；
第四步、计算曲率
计算机根据实时采集的信号进行圆弧样条曲线标定处理后得到电压信号和柔性检测杆曲率值之间的对应关系，并根据此关系计算出柔性检测杆上多个离散点的曲率；
第五步、绘制形状曲线
计算机根据柔性检测杆上多个离散点的曲率用特定的递推方法绘制出被测物体的形状曲线；该特定的递推方法为以下曲线拟合方程：
x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθ
y＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ
式中，θi-1≤θ≤θi θi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρi；
以求出曲线上各点的坐标值，然后将各点坐标值拟合成连续的曲线。
上述三维曲线形状检测方法，其中，步骤一中所述的圆弧样条曲线标定方法为：
对于每组应变片，先测出柔性检测杆在几个已知曲率半径ρ下的电桥电路的输出电压u，根据公式K＝u×ρ求出每个曲率半径ρ下的比例系数，然后取其平均值作为每一组应变片的比例系数K。
本发明由于采用了以上技术，使其与现有技术相比，具有以下明显的优点和特点：
1、由于整个检测系统主要由应变片、采集电路和计算机组成，不需要额外的辅助检测设备，所以整个系统的组成简单，也不需要众多的大型离散点位置检测设备，大大降低了检测费用，简化了检测过程。
2、由于本发明三维曲线形状检测技术是在整个被测曲线上放置多个曲率检测应变片，对多点的曲率检测是以并行方式同时进行的，因此整个形状检测系统可以实现实时检测，这种检测技术既能适用腔道内的曲线检测，也能适用任意空间曲线的检测，并且能够达到很高的实时响应性。
附图说明
图1a是本发明三维曲线形状检测装置的结构示意图；
图1b是图1中“A”处的局部放大图。
图2是本发明三维曲线形状检测方法的检测过程示意图。
图3a是本发明的一实施例中均布有8组应变片的柔性检测杆的结构示意图。
图3b是图3a中A-A处的剖面图。
图4是本发明的一实施例中一组应变片检测柔性检测杆8种弯曲状态下的曲率与输出电压的关系曲线图。
图5是本发明的一实施例的柔性检测杆的实际形状曲线图。
图6是本发明的一实施例的柔性检测杆的实际形状曲线的再显图。
具体实施方式
请参见图1，本发明三维曲线形状检测装置由柔性检测杆1、信号采集卡2和计算机3通过电讯号传输线路4顺序连接组成。在柔性检测杆1上沿轴向均匀设置多组应变片11，并由各组应变片11分别组成多个电桥电路。多组应变片11每组为两片，每组的两应变片11对称粘贴在柔性检测杆1的两侧。在计算机3内设有将信号转换成曲线形状的软件。
本发明三维曲线形状检测方法的检测过程如图2所示。该方法通过三维曲线形状检测装置实施，其步骤如下：
在检测开始前，首先用圆弧样条曲线标定方法确定柔性检测杆1上各组应变片11的比例系数K；圆弧样条曲线标定方法为：对于每组应变片11，先测出柔性检测杆1在几个已知曲率半径ρ下的电桥电路输出电压u，根据公式K＝u×ρ求出每个曲率半径ρ下的比例系数，然后取其平均值作为每一组应变片11的比例系数K。
检测时，将柔性检测杆1置于被测部位，柔性检测杆1的弯曲信号由应变片11实时感知，由此获得柔性检测杆1表面多个离散点的应变信号；
多个离散点的应变信号经对应的多个电桥电路转换成模拟电压信号，模拟电压信号又经放大电路、信号采集卡2转换成数字电压信号；由计算机3实时采集；
计算机3根据实时采集的信号进行圆弧样条曲线标定处理后得到电压信号和柔性检测杆1曲率值之间的对应关系，并根据此关系计算出柔性检测杆1上多个离散点的曲率；
最后，计算机根据柔性检测杆1上多个离散点的曲率用特定的递推方法绘制出被测物体的形状曲线。
特定的递推方法为，根据以下曲线拟合方程求出曲线上各点的坐标值，然后拟合成连续的曲线：
x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθ
y＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ
式中，θi-1≤θ≤θi θi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρi。
本发明三维曲线形状检测装置的检测原理为：对称粘贴在柔性检测杆1上的两应变片11与另外两个等值电阻组成一个双臂电桥电路，该电桥电路的输出电压u与应变片所在点的曲率半径ρ成反比，与曲率n成正比：
u＝K/ρ＝K×n
其中K为比例系数。比例系数K用圆弧样条曲线标定的方法求得。具体标定方法是，对于每一组应变片11，先测出柔性检测杆1在几个已知曲率半径ρ下的电桥电路的输出电压u，根据公式u＝K/ρ＝K×n求出每个已知曲率半径ρ下的比例系数，以其平均值作为每一组应变片11的比例系数K。这样，就可以通过信号采集卡所测得的每个电桥电路的输出电压值u和标定所得的系数K来计算柔性检测杆1上的应变片11所在点的曲率。在获得了柔性检测杆1上若干离散点的曲率之后，便可以根据下列基于递推方法的曲线拟合方程：
x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθ
y＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ
式中，θi-1≤θ≤θi θi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρi
求出曲线上各点的坐标值，然后拟合成连续的曲线，实现被测曲线的再显，将柔性检测杆1的形状曲线绘出。
以下通过一个具体实施例对本发明三维曲线形状检测装置和检测方法的检测原理和检测过程作进一步的描述：
在一根长120厘米、外径10毫米、内径8毫米的聚乙烯材料制成的柔性检测杆1上均匀布置了8组型号为TA120-6AA(120欧，灵敏度系数为2.08，栅长6毫米、栅宽3.2毫米)的应变片11，各组应变片11之间的间距为13厘米，如图3所示。这样8个通道的电桥电路的输出信号线通过一个37针D型插头与型号为PCI2003的信号采集卡2连接，来实时采集每个电桥电路的输出电压。对于每组应变片11的比例系数K，通过标定柔性检测杆1在ρ＝无穷大(直线)、90厘米、70厘米、50厘米、40厘米、30厘米、25厘米、20厘米弯曲状态时的每个电桥电路的输出电压u，按照公式K＝uρ，计算出各弯曲状态时的比例系数，然后求平均值得到。图4所示为其中某一组应变片11检测柔性检测杆1的8种弯曲状态下的曲率与输出电压u之间的关系曲线图，从而通过标定方法获得比例系数K，其中的直线是按照求平均之后的K画出的u与1/ρ(曲率n)之间的关系图。
接着根据柔性检测杆1上8个点的曲率来重建形状曲线。由于柔性检测杆1的形状曲线是连续的，因此在弧长段s足够小的情况下，曲线可以看作是许多段半径不等的圆弧段或直线段组成的，如图5所示。其中以起始点的切线方向作为x轴。为了获知足够小s的曲率，可采用在已知曲率点(通过应变片11检测获得)之间线性插入。本实例中在间隔为13厘米的两点中插了9个点，组成10个圆弧段，即：
ρn＝ρk-1+n(ρn-ρk-1)/10
这样就可以方便地计算出每一段圆弧的曲率半径ρn。在已知s和各个圆弧段的曲率半径后，就可以用图5所示的基于离散点曲率的曲线重建递推方法将圆弧段的圆心坐标求出，从而将整个被测曲线再显出来。图6所示即为本实施例的柔性检测杆1的实际形状曲线的重建图。
Claims (4)
1.一种三维曲线形状检测装置，其特征在于：由柔性检测杆(1)、信号采集卡(2)和计算机(3)通过电讯号传输线路(4)顺序连接组成，在柔性检测杆(1)上沿轴向均匀设置多组应变片(11)，并由各组应变片分别组成多个电桥电路，每组应变片(11)为两片，并由每组两应变片(11)和两个电阻分别组成多个电桥电路，多电桥电路的两应变片对称粘贴在柔性检测杆(1)的两侧。
2.根据权利要求1所述的三维曲线形状检测装置，其特征在于：所述的计算机(3)内设有将信号转换成曲线形状的软件。
3.一种三维曲线形状检测方法，通过三维曲线形状检测装置实施，其特征在于：该方法至少包括以下步骤：
第一步、确定应变片的比例系数：在检测开始前，首先用圆弧样条曲线标定方法确定柔性检测杆(1)上各组应变片(11)的应变信号与曲线曲率间的比例系数K；
第二步、获取应变信号：将柔性检测杆(1)置于被测部位，柔性检测杆(1)的弯曲信号由应变片(11)实时感知，由此获得柔性检测杆(1)表面多个离散点的应变信号；
第三步、采集应变信号：多个离散点的应变信号经对应的多个电桥电路(5)转换成模拟电压信号，模拟电压信号又经信号采集卡(2)转换成数字电压信号；由计算机(3)实时采集；
第四步、计算曲率：计算机(3)根据实时采集的信号进行圆弧样条曲线标定处理后得到电压信号和柔性检测杆(1)曲率值之间的对应关系，并根据此关系计算出柔性检测杆(1)上多个离散点的曲率；
第五步、绘制形状曲线：计算机(3)根据柔性检测杆(1)上多个离散点的曲率用特定的递推方法绘制出被测物体的形状曲线；该特定的递推方法为以下曲线拟合方程：
x＝o(i-1)x+(ρi-1-ρi)cosθi-1+ρicosθ
y＝o(i-1)y+(ρi-1-ρi)sinθi-1+ρisinθ
式中，θi-1≤θ≤θi θi＝θi-1+Δθ＝θi-1+s/ρ1；
以求出曲线上各点的坐标值，然后将各点坐标值拟合成连续的曲线。
4.根据权利要求3所述的三维曲线形状检测方法，其特征在于：步骤一中所述的圆弧样条曲线标定方法为：对于每组应变片(11)，先测出柔性检测杆(1)在几个已知曲率半径ρ下的电桥电路的输出电压u，根据公式K＝u×ρ求出每个曲率半径ρ下的比例系数，然后取其平均值作为每一组应变片(11)的比例系数K。
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