CN1484750A - 拓扑学和运动测量工具 - Google Patents

Abstract

一种采取柔软，顺从形式的测量部件的测量装置，用来提供对应着空间几何构造的数据，它能够在至少一个自由度上弯折，并能沿着一个中间轴线或平面延伸。该部件具有按已知位置在部件上分布的空间弯曲传感器，并按已知的传感器空间间隔分开，所提供的弯曲信号代表出现在该位置处的弯曲的局部状态。该部件由许多成形的纤维构成，这些纤维包括具有用来提供弯曲传感器的检测部位的检测纤维，不同纤维的检测部位沿着部件位于不同的距离上，按照传感器空间间隔布置，成形纤维成相互支撑的关系，彼此间连续或重复的接触。该部件主要或全部由这种纤维构成。

Description

拓扑学和运动测量工具

发明领域

本发明涉及传感器技术。更具体讲，涉及用来测量物体在空间中的几何位置和外形的工具或装置。本发明特别适用于机器人技术和用来监视或测量人的轮廓和运动，这其中最佳的应用是在受人体运动的运动记录影响的动画领域。

发明背景

各种技术已经被用来测量物体在空间中的位置，取向和表面形状。

据机器人领域中所知，要确定由一系列刚性的链接部件组成的一个柔性部件在空间中的位置是测量用来链接这种链接部件的各个节点上的旋转角度。

柔性部件的旋转包括从部件的横向朝着纵向范围弯折，以及绕着与部件的纵向范围吻合的轴线发生的扭曲。两种类型的运动或变形都被量化成“弯曲”。

扭曲在基于圆筒，棒和其它具有明显截面尺寸的传感器结构中通常是可以忽略的。然而，测量在柔韧性象绳索一样的细长柔性部件中出现的扭曲是非常有用的。这种部件很容易装在衣服中。

本发明的一个目的是提供一种装备有分布式传感器的改进的柔性部件或参考平台，用传感器检测部件形状的变化，由传感器的输出计算出部件的完整形状。

本发明的另一目的是提供一种装备仪器的柔性部件，它足够顺从地基本上适应曲面物体的表面，并且作为传感器为表面形状提供可供电子处理的数据。

用来测量物体中弯曲-弯折和扭曲状态的传感器有多种多样，这其中包括光纤和导电金属纤维线，即导线。采用光纤的一般等级传感器特别适合这一用途。

Lee Danisch的美国专利US 5321257描述了一种改进光纤，在光纤外表面上的一个部位特别是在光纤外表面上选定的一侧具有光吸收区，这一区域提供一个弯折传感器，能够通过改变光纤的总光透射容量对这一变形区域的曲率进行远程检测。如这一在先专利的图12中所示，配置的一组变形光纤能够检测在三维空间中具体位置上的弯折。有关的光纤端头的一端都能连接到一个多光纤光源、光检测和信号处理单元。在所述’672专利中描述了这些改进光纤或所谓的“弯折增强光纤”。

所述美国专利US5,321,257还公开了平行安装的三个光纤传感器，传感器能感知不同方向的弯折，被用来解决柔性构造中多重DOF的弯折问题。然而这一在先专利没有提出任何方法来处理扭曲，扭曲会造成这一257’专利方法中传感器的读数模糊或是无法检测。因此，仅仅依据弯曲测量的这一专利无法处理纵向延伸构造的精确位置和取向的确定问题。

这一简单构造的另一问题是，在三条笔直光纤被弯折时，由于曲率半径的不同，有些会伸展而有些被压缩，这样会造成明显的测量误差。

发明人针对这一课题的名为“Laminated Beam Loops”的另一篇论文发表在SPIE上(Vol.2839，pp.311-322，1996)。该论文、上述美国专利和公开出版的PCT申请PCT/CA94/00314的内容都被作为本申请的参考资料。

光纤传感器能够测量弯折，此外，按照所述’672专利中所述的发明，还能根据光纤的配置，和沿着光纤的纤维面加工的光吸收区的位置来测量扭曲。在三毫米到数十厘米例如是30cm的全长内可以含有光纤的敏感区，取决于所需的灵敏度和光纤的尺寸。这就为光纤检测区曲率的平均状态采样提供了相应的跨距。

光纤技术由于其结实，有益健康和价格低廉而在传感器中被普遍使用。上述’672专利描述了包括弯折和扭曲传感器的各种形式的测量工具，其最佳形式是基于光纤的传感器系统，能够提供物体在空间中位置，表面形状，及表面形状变化的远程信息。然而，’672专利不仅限于基于光纤的传感器。尽管本发明也是按照光纤传感器的原理来描述的，同样不仅限于使用这种传感器的系统。

‘672专利的发明从一方面看是一种包括以下特征的形状和位置测量工具：

1.纵向延伸的柔性基底，它具有一个顺从的参考面并能够在至少两个自由度上弯折，因而能够按三维空间来配置；

2.多个分离的弯折传感器装置和多个分离的扭曲传感器装置，上述多个传感器装置各自被连接和定位在特定的离散位置，并且沿基底的纵向长度按照各个弯折传感器和扭曲传感器的已知空间间隔布置，提供弯曲信号来指示在基底中被连接到基底的各个弯折传感器装置和扭曲传感器装置所处各个位置上出现的弯折和扭曲的各个局部状态；

3.连接到弯折传感器装置和扭曲传感器装置的传感器数据处理装置，用来从传感器接收信号，并且提供基底的参考面在三维空间中几何构造的数据；

其中传感器数据处理装置按照由弯折传感器装置和扭曲传感器装置在其具体位置上提供的弯曲信号以及由这种传感器装置之间的空间间隔所获得的弯折和扭曲信号来确定基底的几何构造。

如上所述，’672专利的形状测量工具包括一个柔性基底，在基底上的特定位置载有弯折和扭曲传感器。该基底包括条带(图5，6和8)和绳索(图7)。也可以设想为片状基底，包括具有明显宽度和长度的平面阵列，例如是“键盘”型的装置。

本发明是基于同样的原理，但是省去或是尽量减少用于弯曲传感器支撑和定位的基底。

首先要描述本发明的一般形式，然后要参照以下的附图详细描述其在具体实施例意义上的实施。这些实施例的用意是为了演示本发明的原理及其实施的方法。然后要在概括本文说明书的各个独立权利要求中进一步描述和限定本发明的主要和具体形式。

发明概述

业已发现，在某些情况下，除去提供传感器的光纤之外，有可能不用基底或是仅用很少的基底就能有益地构成类似于’672专利中所述的那种柔性部件。

本发明的第一方面为此提供了一种测量装置，用来提供对应着空间几何构造的数据，第一方面的装置采取一种柔性，顺从的测量部件的形式，能够在至少一个自由度上弯折，该部件沿着一中间轴线或平面延伸，并具有在部件上具有已知位置的传感器位置并且按已知传感器空间间隔分离布置的空间弯曲传感器，提供弯曲信号来指示上述传感器位置上出现的局部弯曲状态。

按照一个实施例的测量部件包括下文所限定的许多成形纤维，所述成形纤维包括具有构成上述柔性传感器的检测部位的检测纤维，不同纤维的检测部位被安置在沿着上述部件按不同距离的检测位置，使其按上述传感器空间间隔布置，上述成形纤维成相互支撑关系，基本上由组成纤维本身的结构或是由它们彼此间连续或重复的接触来维持测量部件的总体结构，从而加强部件的强度或稳定性。纤维彼此间具有连续或重复的连接，例如是通过交织或缠绕来提供空间稳定性。或是采用足够刚性的纤维实现自身支撑而没有纤维间的接触。装置的“形式”是指纤维中检测部位的组织和位置，使测量装置在整体上柔软并且能够适合空间中的各种形状。

考虑到纤维的检测部位相对于部件本身的长度是倾斜取向的，这种纤维最好是倾斜延伸或形成的。

本文中的术语“纤维”意指一种具有明显轴向长度的元件，能够由空间曲线表述其路径，它是一种具有数学定义的弯折和扭曲的严格定义的数学实体。术语“纤维”包括多边形截面的元件。

与纤维有关的术语“倾斜成形”或是与检测部位有关的“倾斜取向”意指非直线或是在部件的中间轴线或平面是平直的情况下与部件的中间轴线或部件平面不对齐，也就是纤维在整体部件为平直的情况下具有二维或三维形式。这些成形纤维一般是按循环或重复图形配置的。成形纤维可以是在变形条件下经过热处理而具有永久形状的光纤，或者本身就不是直线，例如是扭曲成绳索形式或是编织成一种织物。

本发明的成形纤维具有以下有用的特性：

a)成形纤维有能力通过纤维在沿着纤维所组成的部件相互之间的重复接触或重复连接而彼此支撑。这种彼此支撑的能力在一或多个自由度上与部件的弯曲无关，能有效承受大角度范围的弯折和扭曲。由纤维之间的相互支撑提供一个整体结构的部件，本发明的部件所具有的特点是：

1)单纯的松散纤维束，以及

2)用粘合剂使多条直线纤维保持非平面束

b)成形纤维容易形成循环结构，也就是具有重复图形的结构，例如是由毗邻的波状纤维形成的绳索，条带，以及编织的织物类结构。这种结构具有循环重复的曲线，在测量装置的弯曲过程中，各条曲线内局部形成循环重复对的相对变形，纤维沿着装置的全长在净伸展和压缩上没有明显的变化，纤维沿着其全长不用整体滑动就能形成上述弯曲。最好是采用具有沿着各条纤维的漏失段具有圆周取向和轴向布局光纤，从光纤的成形曲线相对于装置产生希望的光损失的圆周取向和轴向布局的上述取向和轴向布局，使得按损失几何学产生调制的光，指示装置的位置和取向。

c)成形纤维组成的结构能够在很大的弯折和扭曲范围上弯曲，彼此间无论是在局部还是其全长上都不会有明显的滑动，并且纤维沿着部件的轴线没有明显的净伸展和压缩。若用于绳索，一条纤维的外表面波动受拉力伸展，而同一条纤维的内表面波动受压缩，使得净伸展为零。局部滑动很小并且能被设计在有可能使用的粘合剂的弹性限度之内。

作为本发明的二维形式(平面)的例子，可以采用许多成形纤维按波动条带(在其平面内波动)的构造作为测量仪器。这种条带可以附着在移动物体上，并且能没有膨胀地跟随移动，因为成形纤维在纵贯其全长的条带平面内能够稍稍弯折，从而在物体自然轴线外侧的测量中吸收固有的长度差。若是同样采用没有波动的条带，在轴向压缩过程中就会有膨胀。波动还能检测到扭曲，这对于完全是轴向布置的纤维是不可能的。

本发明另一方面的部件是一种波浪或循环形式，弯曲使得成形形状的相邻循环之间的接近(边沿对边沿)和对齐(相对于沿纤维轴向位置的轴向轨迹变化)发生变化，例如是一种螺旋形状。这是沿着整体部件按循环方式形成的，纤维的长度没有总体变化。

d)按照本发明的成形纤维能够检测扭曲，因为纤维具有相对于部件的轴向或平面倾斜取向的检测部位。可以制成对扭曲特别敏感的一种适当结构，使部件具有往上卷绕/往下卷绕的部位，在包括检测部位的有限跨距上具有额外的扭曲。可以精心修剪这样的结构，通过调节额外扭曲部位尽量减少对弯折的响应。如果对部件的中间轴线或平面采取45度取向，纤维的扭曲敏感部位具有最大响应。

e)本发明提供了一种处理纤维形成的手段，对部件内部需要三维角度取向的已处理区域施加强制形成，并对部件的弯曲提供双极响应。即使该区域在笔直和平面情况下只有轴向取向和对弯曲的双极响应，也能具有这样的效果。

在某些条件下，所有成形纤维均延伸到部件的全长。实际的部件完全或是大部分由成形纤维组成，部件的硬度不会明显大于纤维的组合硬度。同样，成形纤维能够提供主要的部件拉伸强度。在特殊情况下，作为具有检测部位的检测纤维的成形光纤可以组成部件的绝大部分。

按照本文中所述，循环结构具有纤维上的传感器所需的循环形态和功能之间相互影响的优点。即使象上述a)中没有彼此支撑的结构仍具有这些优点，但是最好能比较坚硬，使成组循环纤维的结构能够成端部相互支撑的关系。例如是具有公共中心轴线的三个螺旋状螺旋弹簧，在端部由盘形的板保持，但是彼此间没有接触。这种结构能够弯折和扭曲，具有成形纤维，并能为放置传感器提供一个改进的平台。这些结构与现有技术的区别在于绝大部分成形纤维基本上延伸到部件的全长，从材料上对部件的强度作出贡献，有一个变化是不需要除纤维以外的结构来维持结构的整体性。

在某些情况下，包括检测纤维在内的成形纤维可以构成一个细长部件的绝大部分，但是所有成形纤维不一定都要延伸到全长，这样会形成锥形部件，其中的各条纤维仅沿着部件延伸到必要的长度，也就是其需要检测弯折或扭曲的那一点。

一般的部件是细长的，而各传感器是沿着部件分散在上述位置。为了测量扭曲和弯折，组成传感器的至少某些纤维相对于部件的纵向是倾斜取向的，对于细长部件，最好是与部件的中间轴线成45度。然而，部件也可以采取柔性薄板的形式，将传感器分散布置在板上。在这种情况下，至少有一些纤维的检测部位是相对于彼此之间或是相对于部件的平面是倾斜取向的。

对于细长部件，本发明是通过沿着细长部件按分散间隔在多点对弯曲取样来工作的。本发明依赖于沿部件按已知间隔布置的弯曲传感器与相邻传感器位置的相互参照，由此得知所有传感器彼此间的相对位置。

按照部件的性质可以围绕与部件的纵向垂直的一两个轴线测量弯折。这样的绳索状测量部件就需要围绕两个轴线直接或间接地检测弯折。

如果提供一种仅能在有限自由度上变形的部件，就能减少传感器的数量。按照一种最佳配置，部件是采取一系列纤维例如是并排连接到一起的光纤形成的条带形式。在这种情况下，弯折传感器可以仅仅是条带在其允许的弯折模式下测量弯曲所需的传感器。这样就能减少每单位长度所需的弯折传感器数量。

条带是一种物件，基本上局限于沿着其长度绕轴线弯折，轴线与条带的纵向长度横切并且处在条带的平面内，而条带能围绕其纵向长度自由扭曲。这样，单一弯折传感器就足以在沿着条带的一个位置上测量弯折。为了完全确定条带状部件的几何构造，还要沿着条带的长度在已知间隔的位置上用扭曲传感器测量扭曲。这种弯折和扭曲传感器可以沿着条带彼此交替或是在同一位置上。传感器种类之间的比例可以脱离1∶1比例的限制。另外，在许多情况下每个单个传感器要响应两个以上自由度，例如是两个弯折自由度和一个扭曲自由度，而这些自由度是按照包容同一区域内所有传感器的数学运算单独确定的。

如果部件是采用弯折和扭曲传感器的一种条带状构造，就不可能实现条带在三维空间中的自由运动和对几何构造的跟踪。这是因为条带扭曲的能力会使条带的局部在空间中任何方向上重新取向。

按照本发明的细长构造还能采用向内侧或外侧成螺旋的条带型格式来组装纤维的仪器装备的平面纤维带来实现，采用圆筒形的弯曲弹性材料，例如是软管。在采用软管式载体时，传感器要通过管芯通信。尽管载体对部件的强度和稳定性有作用，纤维检测部位的倾斜取向还是能监测沿部件长度的弯折和扭曲状态。纤维带材料在这种情况下对复合部件中大部分的整体强度或稳定性有作用。按照本发明，对于螺旋线圈状纤维带或条带的情况，若是结合使用一个管状载体，逆向旋转的螺旋部件就能组合成以下的结构：a)编织绳索，或b)被逆时针缠绕的层覆盖的顺时针缠绕的层。这样能进一步增强结构的机械稳定性，例如是使其能承受扭曲。

本发明对原有纤维形式的改进在于：a)对于并排纤维的条带改进了部件的自然轴线，或b)对于在部件弯曲过程中面朝外的曲线伸展而面朝内的曲线压缩的绳索和管状形式在弯折和扭曲时没有净伸缩。

其中的弯折和扭曲传感器是如上所述能够检测纤维的弯曲状态的光纤的检测部位，构成该部件或是该部件主要部分的光纤的每一条纤维上可能只有一个这样的检测部位，其精心布置的位置在部件的适当位置上检测弯折。然而，可以为光检测部位规定一定的光波长，并且可以连接到光源和能够提供不同波并且能区分波长的信号处理单元，在这种情况下，每一条纤维沿着其长度在不同位置具有若干个光检测部位，并且能产生有关不同位置上的弯折信息。

若是绳索总体上受约束围绕着与条带长度横切的轴线出现弯折，就需要有作为光纤一部分的传感器，光纤与条带的平面平行排列，并且在其纵向长度方向上的位置提供弯折信息。光纤的检测部位可以与围绕其发生弯折的轴线大致上交叉排列，例如是轴线与条带的长度横切地延伸。

为了便于处理条带部件中的信号，可以用两个弯折传感器测量一个位置上的扭曲和弯折，传感器的弯折检测部位彼此间按一定角度取向。这些弯折传感器不一定是PCT申请PCT/CA94/00314(公开号是WO94/29671)和上述’672专利中描述的循环光纤。一对光纤的检测部位的方向最好是按照距条带部件的纵向中心线基本上相同的角度取向，并且在与部件的纵向长度成45度角时效果最佳。这样就能用两条纤维在单一位置上测量弯折和扭曲，处理纤维的输出提取其总和及差信号来测量弯折或扭曲。参考的角度取向能简化信号处理。随着计算调节其它角度仍然能够由一对倾斜的传感器提供扭曲和弯折值。由于传感器一般是在其线性范围内工作，计算中一般包含非常适合高速自动化计算的线性公式的总和及差。

只要沿着支撑绳索或条带状部件组装分布的一组传感器就能形成不仅是线性的弯曲检测区域，还能覆盖一个柔性板状部件的一定面积。传感器部位可以编组，也可以由弯折和扭曲传感器或是双向弯折传感器组成，能够完整描述板的形状。利用各个检测区域上曲率状态的数据和已知的传感器之间的间隔，信号检测系统就能描绘出板的形状。如果使板接触到未知形式的一个几何表面，就能测量这一表面的形状，至少能测量板与表面相接触的部位。

无论何种形式，弯折传感器不一定要和扭曲传感器在同一位置，而且/或是弯折传感器与其不同取向的弯折检测搭档处在同一位置。

尽管在多数情况下是考虑不能伸展的弯曲，部件中也允许存在伸展性。本发明的一种可能的形式是可拉伸部件，不仅能测量伸展的弯折还能测量扭曲。必须要检测伸展程度以确保能知道弯曲传感器之间的间隔。伸展传感器可以包括对伸展敏感的导电弹性体部位。为了方便和改善柔顺性，伸展可以仅限于长度的少量增加，超过限度就不能有效地测量弯曲。或是按照一种“双重成形实施例”，进一步形成跟随波状路径例如是螺旋路径且包含成形纤维的一个细长(例如是带，绳索，棒等等)传感器体，纤维上具有用来检测其弯折和扭曲的漏失段。所得的双重成形部件的伸展和压缩是在上述弯折和扭曲测量之后随同其形状的其它细节一起测量的，这样就能确定细长检测部件所有部位上的位置和取向。

本发明的检测部件绝大部分或是全部由成形纤维构成，用于弯折和扭曲检测的一种最有效形式是螺旋线，它在没有变形(没有弯折)时是沿着其长度按固定的弯折和扭曲确定的一种循环三维结构。本发明的检测部件的其它用途包括主要呈二维结构的环和波动。循环弯曲对于形状的检测提供了许多可能性。

许多构造是以螺旋形式为基础的。绳索就是一个好例子，它是由缠绕成股并进而缠绕成绳索的纤维构成的。纤维的弹性倾向于在与纤维缠绕成股时采用的反方向上反抗缠绕成绳索的股使纤维股放松。而纤维稍有放松就会使绳索内的股变紧。系统内部的力和转矩达到平衡而维持部件的结构。螺旋形式的另一种用途是覆盖导线和电缆的螺旋面，它是用金属或塑料的弯折和扭曲条带形成的。

绳索和其它螺旋形式是由成形纤维组成的循环部件或弯曲的例子。这样就能够沿着这种子系统的较大阵列中的单个传感器纤维(或是在已知位置上的一对或三个或是较大子系统的纤维)的长度来分布对弯折或扭曲的检测。单一或成组的传感器能够采取重复特性，例如是与轴线成45度取向，不需要形成整体部件的所有纤维都具有这样的取向。

大多数循环结构在具有柔韧性的同时还允许明显的横向变形。例如是曲折条带，绳索和纺织物(分别是2D延伸，3D延伸，以及2D或3D延伸或平面结构)。由曲折的纤维粘结到一起组成的在其平面内部波动的曲折或波动的条带在主体发生弯曲时能够伸展和压缩，因为个别波动能够随其平面内的弯折而伸展和压缩。螺旋绳索可以扭曲成较大的螺旋体，而曲折条带也能扭曲成螺旋体。由循环结构提供的横向变形在传感器必须围绕另一个物体时是有用的，例如是用来检测弯曲的内窥镜，或是载体元件例如是导线或是其结构内部的返回纤维，或是在传感器具有占据空间的许多纤维或导线的情况下。在弯曲，循环和螺旋状结构中可以充分利用其灵活性与横向变形的组合。

绳索和织物很久以来就被用于适应随意的表面，并且在本文中采用相同的起伏，循环，螺旋，编织，以及纺织或针织的元件来演示传感器结构，传感器结构中至少有一些检测纤维使用了成形纤维。与附着在柔软基底上的笔直纤维相比的明显改进是用循环重复的波动纤维实现的，用它形成整体上相互联系的检测部件，没有单独的基底。例子包括能够沿着纤维进行检测的绳索和织物。

除非检测纤维(光纤，导线等)是处在自然轴线上，在纤维和除去纤维之外使用的任何基底之间必须允许有一定程度的滑动，否则就无法检测弯折和扭曲。这是因为对贴在另一个类似弯曲上的任何可伸展/可压缩的弯曲在二者同时弯折时必须容忍一定的长度变化，仅仅在允许一个在另一个上滑动时才能使两个弯曲具有相同的曲率半径。如果不允许出现滑动，某一个弯曲就会在薄弱连接点上压缩变形，或是在平面内的弯折被变换成纤维的扭曲或是脱离平面的弯折。用纤维本身而没有任何额外基底形成这种部件可以从很大程度上避免这些问题。

以上概括了本发明的原理及其一些优选形式。按照以下结合附图对优选实施例的描述能够进一步理解本发明。

附图简述

图1是由旋转弯折的接头和具有接头传感器的链条组成的现有技术平面机构的示意图，从中可以确定末端相对于基座端在空间中的位置；

图2是图1的机构加上一个额外的旋转扭曲接头；

图3是具有与各个旋转弯折接头相联系的旋转扭曲接头的图1的机构；

图4是具有在机构内部分别设置扭曲和弯折接头的图3的机构；

图5是按照在先的’672专利的一种条带部件的示意图，它包括承载弯折和扭曲传感器的基底；

图6是图5的条带弯折成曲线的侧视图；

图7是表示空间的弯折和扭曲的条带的示意图；

图8到10表示螺旋体的螺旋和某些数学特性；

图11是螺旋状纤维的一个透视图；

图11a、11b和11c是表示图11的螺旋的弯折的图；

图12是按照本发明的简单绳索类部件的侧视图；

图13是图12中绳索的一个截面图；

图14是按照本发明的另一种绳索类部件的侧视图；

图15是图14的绳索的一个截面图；

图16是用于图14所示的绳索部件的一种校正设备的示意图；

图17是另一种绳索部件的示意图，它具有增强的扭曲灵敏度；

图18是可在图17的绳索中使用的一种检测纤维的透视图；

图19是同一纤维的弯折检测部位的截面图；

图20是类似于图18的另一种检测纤维的示意图；

图21是再一种绳索类传感器的侧视图；

图22是连接到其光学电路的检测光纤的一个示意图；

图23是绳索的组成纤维的一个示意图，表示其检测部位的位置；

图24是具有环状光纤的绳索的一个侧视图；

图25表示具有通过中心光纤反光的一个镜面的光纤绳索部件的端部；

图26表示图25中绳索端部的截面图；

图27表示具有中心芯子的一种绳索的透视图；

图28表示同样具有芯子的一种绳索的局部透视图；

图28a表示本发明依赖电容检测的一种绳索形式；

图28b表示图28a中一条纤维上的电容检测槽的细节；

图28c表示图28a中一条纤维的层次；

图28d表示图28a中两条相邻纤维上的连接槽部位；

图29表示图28中绳索的一个截面图；

图30表示光纤传感器形成的另一种绳索的透视图；

图31表示与图30的绳索中一股类似的示意图；

图32，33和34表示图31中一股的截面图；

图34a表示一股锥形绳索；

图34b表示将图30中的绳索制成螺旋形状来提供一种可伸展的循环传感器；

图34c表示将平行且相互支撑的纤维制成螺旋形状来提供可伸展循环传感器的一种条带；

图35表示由光学检测纤维制成的一种编织结构；

图36是图35所示结构的截面图；

图37是图33所示结构的另一个示图；

图38和39表示的结构类似于图35，但是形状不同；

图40表示另一种编织结构的截面图；

图41表示由光学检测纤维制成的一种空心纺织结构；

图42表示有一个闭合端的类似结构；

图43是一个人穿着绳索类传感器在视频显示器上捕捉运动的示意图；

图44是图43中螺旋结构的一个示意图；

图45表示类似的条带，但是有起伏；

图45a和45b表示各自具有两个起伏条带的复合部件；

图46表示图45的起伏结构的细节；

图47表示导线构成的一种简单检测部件的透视图；

图48表示图47所示部件的截面图；

图49表示按照本发明用检测导线制成的一种绳索；

图50和51是图49所示绳索的截面图；

图52是按照本发明用检测光纤纺织的一种织物的图；

图53是纤维纺织结构的一个放大示意图，图中表示了检测部位；

图54是按照本发明采用检测纤维的一种针织结构的示意图；

图55和56是针织结构部件的示意图；

图57是另外一种针织结构的示意图；

图58表示针织到一起的两个传感器绳索；以及

图59和60表示在其中还采用了笔直纤维的又一种针织结构。

详细说明

图1表示现有技术中采取刚性链条2形式的机构1，链条被连接到具有平行轴线的接头3上。这种机构1因而能在一个平面内自由运动或弯折。在一端固定在一个参考点4上，并且在另外一端有一个端子5。所有接头3都装备有传感器(未示出)用来提供有关接头3的角度取向的信息。

处理来自传感器的信号并且已知各个链条2的长度就能通过计算而确定到端子5的距离及其在空间中相对于参考点4的位置。事实上通过内插就能计算出所有接头3的位置及其间在接头链条2上的位置。

在以往采用刚性链条和机械接头不可能用这种元件合并成足够大的数量来提供能够高度顺从不规则曲线表面的一种形状或位置测量工具。

图2表示对图1进行修改的一种机构22，所包含的额外的“扭曲”接头6也具有一个用来指示其旋转位置的传感器。这一扭曲接头6使得端子5能够旋转到图1的机构1所限定的平面之外，能够检测三维空间的体积。

图3表示图2中机构22的扩展，其中设有多个扭曲接头6，如图中所示是沿着修改机构23的长度与弯折接头3处在同一位置。图4表示一种类似的扩展所提供的机构24，其中的弯折接头3和扭曲接头6是沿着机构24的长度分布的，不需要在同一个位置上。

图3和4的机构具有在一定程度上与三维曲面保持一致的机械性能。然而，使用这种刚性链条和机械接头的元件在以往不能合并提供能够高度顺从曲面的测量工具。

再参见图1，有可能根据各个链条2的长度和各个接头3的角度设置26用简单几何学计算出端子5和各个接头3相对于参考点4的二维位置。同样也能为图2，3和4的机构22，23，24在三维空间中计算出这样的参数。为了便于表示在各个图中对着端子5提供了x，y和z坐标的符号。

图5和6表示上述’672发明专利的实施例，在实践中变通实施这种方法的方式是提供一个测量部件，它具有弯曲的条带形基底8，用做沿着其长度分布的一系列弯曲检测传感器10，11的载体。如图5，6所示，这种基底有一个参考面28，它可以依附在物体的外表面上，根据从指示其角度取向的传感器接收的信号来提取物体的轮廓。

如果被测量的弯折和扭曲不允许有尖锐的梯度，或是如果传感器间隔足够小能适合对梯度进行采样，就可以采用这种技术，用具有参考面28的弯曲基底8对弯折和扭曲进行采样来测量形状。传感器的间隔和分割范围决定了传感器阵列的可能操作范围。

在图5中，本文所使用的术语“条带”是指一种基本上不能伸展的弯曲材料主体，其纵向尺寸12与其宽度13和深度14相比有明显的长度，其宽度13要明显大于其深度，主体的弯折基本上限于绕轴线15，15a弯折，轴线横跨条带的纵向尺寸12并且处在条带的平面内。然而，条带能自由扭曲。因此，横向弯折的轴线15，15a不一定是平行的。

图7表示条带基底8，图中用箭头指示弯折和扭曲。

在图5中，条带基底8具有沿着其暴露面9分布并且附着在其上的一系列弯折传感器10和扭曲传感器11。图中示意性表示的仅仅是点状物体。实际上所有这些传感器10，11都被连接到从这些传感器10，11接收信号的信号处理单元(在图5中没有表示)。

在图6中表示图5的条带8在单一平面内弯折时的侧视图，没有扭曲。靠近弯折传感器10的两点16，17之间的曲率大致成围绕中心19的一个圆弧18。如果条带8按照理想的方式弯折，例如是条带8具有相对稳定的厚度14和弯曲特性，并且传感器10沿着基底8的分布足够密，这种方案就足以提供理想的精度。

可以用这些位置上的弯折传感器10，10进行测量，根据在点16，17处测得的曲率状态来估算点16，17之间的曲率。如果曲率有所不同，可以将平均曲率或是根据进一步测量的邻近曲率的曲率值作为圆弧18的近似曲率。

知道圆弧18的曲率值和圆弧长度，也就大致是沿条带8分布的传感器10的间隔，就能参照相邻的一点16计算出下一点17的位置。这种相互参照的计算可以从条带8的基座端推广到终端。计算能提供有关所有传感器10，11在空间中位置的几何值，加上在条带8上任何中间位置的内插。

以上仅仅是参照弯折传感器10进行的简单描述。同样的计算可以包括从扭曲传感器11接收的数据，在三维空间中提供几何数据。

如果基底8上单位长度的一个平坦无扭曲段有两个平行的端部，在施加扭曲时，对扭曲的定义就是端部之间每单位长度上的角度差。如果同时弯折基底8，就可以将扭曲视为一个细圆筒状驱动轴沿着其纵轴被弯折，也就是扭曲在轴被弯折时维持不变。若发生这种情况，端线就不再处于平行的平面。

如果仅仅对基底8的直线段施加扭曲，在这一段达到弯折点之前，扭曲都不会影响到纵轴线12的位置。

可以在计算机中根据上述计算建立基底形状的模型。显示这种模型的常规手段是用微小的平坦子圆弧段按顺序绘制弧线，即使用笔直的弧段也能看出扭曲。可以通过内插，平均和其它惯用的曲线调配技术进一步优化。

适合在’672专利的基底上测量弯折和扭曲的传感器包括光纤弯折和变形传感器；统称为受力敏感电阻(FSR)，弯折敏感电阻(BSR)和压敏电阻传感器的弯折和伸展的导电弹性体传感器；包括粘接导线和半导体形式的电应变计；以及能够用电容，电磁和压电方法测量弯折，伸展和拉伸的任何其它传感器。然而，本发明的弯曲部件依赖于这样一种传感器，它是由纤维延伸到适当长度并且在多数情况下基本上延伸到部件全长的部位构成的。通常是采用光纤弯折传感器或是导电传感器，例如是金属纤维也就是导线，其电阻随应力而改变。

在上述美国专利5,321,257和PCT公开WO 94/29671(申请号PCT/94CA/00314)中所述的光纤传感器特别适合这种用途，因为这些传感器不受电磁干扰，并且能按没有伸展的弯曲的自然轴线工作。在这些出版物中的那一类光纤传感器属于“弯折增强纤维(Bend Enhanced Fibers)”。

弯折增强纤维传感器(BEF)是基于来自光导的光在芯子/包层界面区内的损失已得到处理和修改，射到变形区上的光被芯子损失了并且不会返回。在BEF传感器中使用一侧经过加工的笔直纤维，光损失会随着光导弯折使笔直的加工区更加凸起而增大，并随着光导反向弯折而减小。在某些情况下，纤维是绕一个圆周带来加工的，这样就能检测出该区域内任何方向的弯折。

如上所述，基于光强度的传感器对于降低使用成本是具有吸引力的，因为信号处理非常简单。然而，光导中的强度可能是测量值(曲率)以外的许多因素的函数。有害的强度调制包括：

-光学连接的变化

-引线的弯折

-光源的老化

-光导的老化

-温度对光源和检测器的影响。

在纤维之间降低平衡要求的一种技术是形成一个“漏失”区，磨损或是加热一个局部点以调节个别引线的通量。

环形光纤技术克服这些问题的方法是采用光学和电子搭桥技术形成两个相对层叠的环。在’672专利中参照附图23到26和附图31到37对此有充分的描述。

上文所述的是用带或条带形成一个螺旋体，并且监视或测量螺旋体的弯折和扭曲。螺旋体的上述及其它形式特别适合用检测纤维本身形成的部件，没有任何基底，以下要描述这种螺旋结构的例子。

螺旋体严格定义是完全用其弯折和扭曲来描述的一种数学空间曲线。曲线的公式是：

R＝r sin(t)i+r cos(t)j+btk，

其中的黑体字i，j和k是用于x，y和z轴的笛卡尔单位矢量，t是一个参数标记，而R是从轴的原点指向曲线上各点的矢量。r和b在下文描述。前两项表示构成螺旋体基础的圆。第三项描述螺旋体随着其围绕基础圆‘盘旋’的‘上升’。为参数t分配的值可以是0，在这种情况下没有第一和最后一项，而第二项是r如下文所述是基础半径。如果为t分配的值是2pi，第二项就是零，第一项是r，而最后一项表示螺旋体在2pi半径的完整一圈中上升有多高。

图8中表示螺旋体的二维投影。空间曲线149的基础所具有的直径是半径r的二倍，而圆周是2pi乘以r。螺旋体的间距被定义为2pi乘以一个参数b。图9中的三角形150有一个边沿149的长度是一个间距，它是螺旋体的完整一圈或是2pib。在图10中，可以将三角形视为一片三角形的纸被弯折成圆筒，边沿149变成了螺旋体的圆。

螺旋体的弯折和扭曲直接关系到r和b常数。它们的导数可以用做最基本数学元素：

弯折＝r/(r^2+b^2)

扭曲＝b/(r^2+b^2)

其中标示符号例如r^2代表‘r的平方’。

螺旋体的性质是将施加在螺旋体上的全部应力作为一个整体变换成螺旋体线圈中不同类型的应力。例如，施加在螺旋弹簧上的拉力在弹簧线圈的线中会产生扭矩或扭曲应力。当螺旋体形式的实体受到外力弯折时(意思是螺旋体的中心线被弯折)，一小段螺旋体仍然是近似的螺旋体，但是比母体或是未弯折的螺旋体相比具有不同的弯折和扭曲量。如果围绕其轴线扭曲螺旋体，其弯折和扭曲就会沿着轴线均匀变化。螺旋体的优点是弯折和扭曲趋势是沿着轴线分布。在若干螺旋体被搓在一起变成绳索时，这是一个缺点。即使绳索有许多纤维股，且只有少数处在自然轴线上，仍然能在两个自由度上弯折并在三个自由度上扭曲，很少可能出现锁扣或应力集中。

在绳索或螺旋卷中，绳索或卷部件的整体弯折被变换成曲率沿着各个纤维或纤维股增大或减小的重复循环，使得纤维或股面朝外的曲线上的曲率增大，而面朝内的曲线上的曲率减小。任何纤维因整体弯折产生的净伸缩接近零。

尽管在本文中强调了螺旋形式，但是并不意味着循环重复的三维形式必须是螺旋形。膨胀螺旋(例如是圆锥体表面上的螺旋曲线)也具有螺旋体的许多或是全部优点，包括平滑改变的弯折和扭曲，并且绕人体肢体缠绕的传感器所形成的大致螺旋体并不是‘单纯的’。然而，为了简化仍然强调螺旋体形式以便于演示本发明的3D版本。

图11表示一种螺旋纤维90。三个箭头92代表螺旋体延伸的中心线S，水平轴线x，和垂直轴线y。图11a，11b和11c表示沿着S轴绘制的纤维位置，它在图11a和b中是笔直的，但在图11c中是弯折的螺旋体。图11a和b表示螺旋体中一圈位置上的正弦特性。X和Y曲线相位差90度。当螺旋体在SY平面内弯折时，Y中的一环有一部分采取增大的朝上曲率96，而另一部分采取减小的朝下曲率97。图11b的曲线表示螺旋体的X尺寸按照图11c在SY平面内有没有弯折。

螺旋构造是上述’672专利的图7中所示绳索传感器的传感器结构的基础。在这种情况下，可以象这一现有技术专利中所述的那样沿着绳索的全长设置弯折和扭曲传感器。本文所述的术语‘绳索’包括搓在一起的几条纤维，纤维大致成螺旋形。以下还要进一步描述。

图12表示一种很简单的绳索100，它是由彼此围绕扭曲和弯折的两条光纤104和105组成的。镜子120被连接到一端，在另一端用耦合器注入光并且回收反射光。可以通过化学或物理淀积的金属或是含树脂的金属粉末形成镜子。

所有绳索组成的整体都会比单独一条纤维具有更强的机械特性(弯曲和应力的分布)。组成的纤维实际上变成一个具有增强机械性能的基底。可以将两条纤维的端部粘在一起防止分离。无论绳索的股有没有物理连接，胶水都能使纤维沿着绳索的大部分长度彼此接触，使它们成相互支撑关系，并且比单纯的纤维束具有更高的强度和整体性。

试验证明绳索结构方法同样可以应用于传感绳索。例如可以逆向扭曲包括光纤的纤维股将其搓在一起形成绳索，逆向扭曲能够维持整体性并形成绳索。施加在绳索上的弯折和扭曲被传递到纤维本身，并且能用纤维的传感器形成部分来检测，如果使用经过加工的光纤，就能具有上述的弯折敏感性。加工方式是沿着每一条纤维表面的轴向长度提供一个漏失段，在图12中用阴影区113和114表示漏失段。

图13表示两条纤维的绳索的截面图。在图中用正交布置表示了在纤维上选定一侧的漏失段113和114，使得一个漏失段面向垂直而另一漏失段面向水平。漏失段的取向不一定要严格正交，因为可以在已知平面内施加弯折来校准传感器。各个平面内的特性可以用来求解两个联立的公式得到两个未知数：正交平面内的弯折，或是‘x和y’弯折。扭曲需要另一条纤维和一种包括已知扭曲的姿态。一般来说，任何绳索状的弯曲都有三个自由度，如’672专利中所述，两个弯折自由度和一个扭曲自由度。因而就需要三个公式求解三个未知数。要依赖三个传感器才能完全确定沿着绳索的一个位置上的弯曲。

图14表示三条纤维布置成的一条绳索100’。图中在纤维104和105上同样表示了两个经过加工的弯折检测区113和114，还表示了镜子120。第三区被绳索遮住了，但是在图15中表示了这一区115，图15是在经过加工的区域内贯穿绳索的一个截面图。图15中表示的区113，114和115在围绕绳索的圆周上彼此相差大约120度。这种间隔对求解2-轴线弯折和扭曲是最佳的，但是不要求精确的120度。只要求避免角度上有明显的偏差。例如，如果有两个传感器面对同一方向，它们就包含相同的信息，这样就无法求得三个自由度上的解。同样，提供类似信息的传感器也用处不大。弯折和扭曲的解包括按以下形式形成有三个未知数的三个公式：

sensor_output_1＝bendcal_1*bend_1+twistcal_1*twist；

sensor_output_2＝bendcal_1*bend_2+twistcal_2*twist；

sensor_output_3＝bendcal_1*bend_3+twistcal_3*twist；

其中的bendcal和twistcal是根据绳索按已知弯折和扭曲姿态放置的弯折和扭曲校准常数。可以对笔直绳索施加扭曲。用图16所示的弯曲可以施加弯折和扭曲。外圆周被连接到同一参考框架支座137支撑绳索99的两端。绳索本弯折成半圆形。支座可以同步旋转对绳索中的各个传感器施加连续改变的弯折，因为各个传感器会随着绳索的旋转按照不同的角度面向外侧。也可以用两端之间的相位差施加已知的扭曲。光电接口盒136必须能随着连接到另外一端的镜子120而弯曲，以便允许旋转。在用来校准图16中按照恒定速度旋转的弯曲时，绳索上各个传感器的输出是正弦波。正弦波的相位按照各个传感器的圆周朝向角而改变。如果在两个旋转支座之间产生的机械角度偏移造成扭曲，但是旋转速度仍然不变，朝向角彼此之间就会采取与扭曲成正比的新的相位角关系。

在有关校准的上述讨论中是假设各个传感器输出可以和传感器在绳索中的位置相联系。在校准操作之前，只要知道绳索内部纤维的组织和各个纤维与各个读出设备(例如是光学发射器和检测器)的连接，就可以得知这种联系。然而也能在校准过程中建立这种联系，注意绳索上的形状能提供轴向和圆周向的几何参考。例如，在绳索按上述的校准弯曲旋转的同时，其整体形式可能在局部上呈锯齿状，用一个平滑棒保持与绳索的轴线正交，向下推动拱形的绳索。局部锯齿状主要会在轴向上影响传感器的子集，在子集中产生额外的弯折。通常的子集包括在圆周上按大约120度间隔取向的三个传感器。这些传感器的输出相位能指示出其沿着绳索相对于任一选定的参考传感器(一般是在绳索的一端)的圆周取向。这些输出能指示出受影响的纤维，联系这些纤维就能检测出有活动的位置。

另一种方法包括将绳索保持在成形的板之间，将绳索的长度绕着一个棒环绕并向下环绕，或是绳索按已知的驻波图形或是已知的动态扭曲和扭转(就象是套索在控制下摆动)平滑地振荡。还有可能用伪随机机械输入和神经网络等有关的软件来确定这种联系。

事实上可以用上述校准技术来确定按随机或伪随机轴线或是传感器的圆周位移装配的绳索中所有传感器的联系和位置，因为这种技术能提供轴向和圆周信息，并且连接到所有传感器。这种技术也可以用于采用冗余传感器的绳索，用来对校准中发现的具有相同或相似圆周取向的传感器进行补偿。还能组成已知传感器取向的绳索，即使传感器的漏失段很长。参照螺旋体公式可以解释这一现象。扭曲是b/(r^2+b^2)。如果r与b相比很小(例如是绳索)，扭曲就大约是1/b。在纤维的间隔长度(2pib)上，纤维的中心所具有的数学扭曲是1/b。这相当于在一个间隔(螺旋体的一整圈)上扭曲2pi。用0.25mm直径纤维制成的实际绳索的间隔长度大约是1.5cm。塑料或玻璃纤维由于其扭转硬度而易于抵抗每1.5cm有2pi的扭曲，因而易于制成在每间隔2pi的各个纤维的中心线上具有数学扭曲的绳索，扭矩仍然为零，仅仅是缠绕绳索并允许纤维在扭曲的同时放松。这就意味着纤维可以按笔直轴线漏失段逐个加工，然后绕成绳索，而漏失段仍然沿着绳索的轴向长度从同一方向面朝外。可以将损失的光视为在一个平面中放射。在缠绕绳索之前绕圆周逐个旋转这些纤维，就能按120度间隔或是任何其它理想的角度间隔来布置平面。可以通过将标记有轴线的大量导线绕制成绳索来确认这种结论。除非经过努力来施加扭曲并通过扎紧纤维来维持扭曲，轴线会沿着其长度面对固定的方向。

为了弯折灵敏度需要通过长轴向加工来实现分布检测，即使传感器不是均匀弯折或扭曲的，也能确定传感器长度上的净角度曲率。正如参照上述现有技术专利中所述，加工可以是分段连续的，因为弯折和扭曲场在轴线长度上会趋于缓慢。分布的传感器趋于减少传感器长度内弯折或扭曲变化带来的误差，因为维持了绳索或条带各部位的角度。然而还有可能在纤维长度上建立扭曲，或是在缠绕绳索时对各个纤维施加额外的扭曲，就象有些绳索和电缆那样。这样具有扭曲一个长敏感区的效果，使其沿着绳索的轴线长度按变化的角度面朝绳索之外。在极端情况下，这样会妨碍检测弯折，因为传感器会变成按每个间隔长度圆形对称。然而，如果是在按照间距缠绕之后按相同的频率沿着纤维周期性加工，仍然可以起到单纯弯折传感器的作用。周期段可以相当长，只要是不会占据圆周的180度以上，占据的范围可以更宽，但是会降低对弯折的灵敏度。还能在缠绕之后按连续或分段连续的方式对纤维进行加工。

绳索结构的扭曲灵敏度相当小，并且对扭曲的两个方向(顺时针和逆时针)并不一定是单调的。仍然可以用扭曲传感器检测有限范围上的形状。扭曲造成纤维绕其轴线旋转，暴露出不同弯曲的漏失段，并且随着绳索的‘卷绕’会增大纤维的弯折。对绳索形状的任何实际范围采用的增强扭曲检测是通过将绳索绕成有更多弯折和扭曲的更紧密的结构而实现的。由此对扭曲产生一种单调响应，因为绳索纤维在松开时不会分离，这样会造成缺少可预见的响应。我们所说的‘单调’或‘双极’是指光通量在施加扭曲的方向上增大，而在另一方向上减小。在这一预扭曲段内的扭曲灵敏度要远远大于(10倍以上)周围没有被预扭曲的纤维。影响扭曲灵敏度的主要因素并不是纤维加工，而是纤维在扭曲过程中在紧密半径处的微小弯折。可以沿着绳索在选定的位置安置增强的灵敏度，对一段增加更多的扭曲，然后夹住这一段的边沿保持扭曲。如图17所示，绳索100”具有小结构扭曲段132，还有一个用约束带或粘合剂保持的大结构扭曲段133。或者是将该段扭曲到足以在没有粘合剂的条件下维持预扭曲。这对于象polymethylmehacrylate纤维一类的塑性材料是可能的。它们能稍微过量地扭曲，趋于维持预扭曲状态，或是单靠摩擦维持预扭曲。适度加热也有助于固定塑料纤维中扭曲检测段的形成。即使是玻璃纤维也能预扭曲，但是需要加热和重新包装。在高温下对绳索或‘纱线’中预扭曲的玻璃纤维进行热处理，然后拆开重新包装，随后再次搓成绳索。由于热处理的原因，所有的纤维都保持其非笔直的状态。

在预扭曲段内部表示了传感器处理115和116。由于扭曲和弯折是沿着长度逐渐改变的，弯折传感器也可以处在扭曲检测段的末端附近或是两端。还可以将弯折传感器安置在另一条绳索上，并且将扭曲绳索和弯折绳索搓合到一起使两条绳索真正形成母体绳索的股。一般来说，弯折和扭曲加工是沿着母体绳索在同一轴向位置上布置在各自的股上。

如果在加工用来检测弯折的同一纤维上使用扭曲段，图17所示的扭曲检测方法就会导致与上述的弯折和扭曲公式100-103稍有差别。扭曲信号仍然是附加的，但是扭曲段也会响应弯折的绝对值，对于沿任意轴线的任何弯折，都会使这一股中所有纤维的光通量出现下降。弯折响应是圆形对称的。其结果是三个公式中的扭曲和弯折项的绝对值都相同。但是根据已知的校准常数仍然能解出三个未知数。扭曲段加上两个弯折加工段就足够了。如果扭曲段被分散到不同的一股上，公式还能有唯一的解，并且各项的相互影响比较小。

在优选实施例中提供了纯双极扭曲检测，对弯折不敏感。如果扭曲的纤维数量很少(通常是两条搓在一起)，并且是在一段的预扭曲之后与没有受到预扭曲的其它纤维绕制成一股，就可以按上述的预扭曲形成一个纯扭曲传感器。图中表示了有关圆筒结构的特殊用途。如图11，11a，11b和11c中所示，螺旋状纤维在图11c的Y对S曲线上在96和97处采取不均匀量的曲率。其曲率在X方向上不受影响，如图11b所示。由于纤维与其扭曲对中的配对有一些机械上的相互影响，并且光是朝着纤维圆周的外围散布的，即使‘96’半圆上曲率的增大理论上对等于‘97’半圆上曲率的减小，也会有一些净信号改变。如果没有二阶作用，这种传感器就是一个‘纯扭曲’传感器，但是对弯折的响应变成了非双极形式。如果绕制在另一个较大的股上或是围绕一个较大的圆筒芯子绕制，就不会有这种现象。这样就能在图11b和c所示的同一水平和垂直形状中跟随芯子或股的弯折。按照这一比例不会出现二阶作用，并且能够测量弯折。对扭曲灵敏度没有降低。因为采取了较大的比例，能够实现图11c所示弯折增大和减小的理论价值。

上述讨论带来的问题是，假定‘Y’平面内的净弯折是零，并且‘X’平面内的弯折不变，双极传感器加工如何能检测螺旋体上的弯折。然而，‘零扭曲’纤维上的双极传感器始终面对沿着螺旋体的同一平面方向。如果该平面与YS平面对准，传感器信号就会因朝下的弯折增大而在‘96’半圆中下降，并会因朝上的弯折减小而在‘97’半圆中下降。因此与纤维的‘加工’没有矛盾，对弯折的圆形对称灵敏度不会检测到螺旋体中的弯折，还有一条具有双极灵敏度的纤维能够检测螺旋体中的弯折。这样就能在一个位置上用简单的预扭曲纤维形成一个有用的纯扭曲传感器并且安置在较大的螺旋体中。

形成‘纯扭曲’传感器的另一种理想方式是如图17所示产生一个占据纤维构成的螺旋体中一整圈或是多圈的增大扭曲的区域。能够检测到扭曲，但是沿着各个螺旋体围绕任何轴线的弯折会被抵消。

图18表示螺旋状绳索的一条纤维200或是绳索的一股。圆形对称加工的区域201使得光能够从螺旋体一圈的短部溢出。图19表示纤维上处在漏失段201的一段。围绕纤维的圆形条带203通过磨损，蚀刻等方式形成一个有意降低的漏失段。它允许芯子201中的光在撞击到圆周时溢出。图中用小圈表示纤维中的光通量。光通量始终是在图中面朝下的一匝纤维的外圈部位最密。因此，在图中画出的圆圈204是在纤维底部附近具有最大密度。纤维周围的箭头205用它们的长度表示光损失朝着纤维的底部增大。因此，螺旋体的弯折将圆形对称的加工变换成一个有损失的弯折传感器，损失主要指向一个具体的圆周角。这样就便于用对称蚀刻或磨损技术来制造，通过改变绳索中三条纤维上这样的三个区域的轴向位移仍然能产生三个一组的传感器。如果该区域轴向延伸到各自占据螺旋体的一整圈，就仍然能实现对称，而三个一组就变成了一个扭曲检测区。

图20表示加工的另一个例子，用以任何螺旋体中预设的弯折和扭曲。图20表示一种螺旋形式的光纤200，纤维成绳索状。在这种情况下，按窄轴向带206对纤维进行加工，带206在纤维被缠绕成绳索之前是笔直的。在缠绕成绳索时，纤维被扭曲，使带环绕纤维的圆周在‘纤维螺旋体’上形成‘带螺旋体’。带螺旋体在纤维螺旋体的每一圈中仅仅在纤维的最外部出现一次。它出现在一匝的起点位置206A和下一匝的起点206B。由于光与漏失段在206A和206B处相互作用最大，用箭头207A和207B指示理想传感器的最佳轴线。加工206的其它部位也有光损失，但是比较小，按照圆周角加工中的余弦定理，与光通量的相互作用始终是在朝向螺旋体外侧的方向上最大。这样就能制成一个传感器，利用对沿着螺旋体上选定的圆周角的螺旋体的弯折的双极响应来检测弯折，即使漏失段有一整匝的长度甚至更长。如果在制作过程中对纤维施加每间距小于一匝的扭曲，并且连续(或是分段连续)的窄轴向加工延伸到螺旋体的一匝以上，就能制成空间分布超过一个间距长度的弯折传感器。如果施加一个很大的‘预置’-扭曲，就能制成组合的单极弯折和双极扭曲传感器。扭曲灵敏度取决于加工带在双极性被抵销的面朝外角度上出现的频率。在预置扭曲很大时，灵敏度类似于经过预置扭曲的未经加工的纤维的自然状态(弯折是单极，扭曲是双极)，仅仅是具有较大的响应幅度。这种加工可能与对弯折具有双极灵敏度的其它区域相联系，用来精确地解决螺旋体弯折和扭曲的3D状态问题。

在另一个实施例中，可以围绕另一条笔直纤维缠绕一条纤维而形成扭曲传感器，用第一纤维描述围绕第二笔直纤维的螺旋体。螺旋纤维在为了缩小其弯折的半径而扭曲时会衰减光通量，而另一方向上的扭曲会减少衰减。笔直纤维是不必要的并且可以去掉。本实施例对弯折没有响应或是只有很小的响应。

可以对一股绳索中的单个纤维，多条纤维，或是所有纤维施加预置扭曲，在理想的轴向位置上产生单一或编组的扭曲和弯折检测。如果加工和预置扭曲覆盖了螺旋体的一个以上间距长度，就能获得两种主要传感器类型。如果预置扭曲产生的带状螺旋体按同一空间周期沿着纤维螺旋体象纤维螺旋体的匝一样重复，就形成了一个双极弯折传感器，使其敏感的平面通过面朝外的加工带。如果带状螺旋体的周期按较高的频率重复，就容易伴随着双极扭曲灵敏度形成对弯折的单极响应。该优选实施例是通过在一个区域内将两条纤维预扭曲而形成一种纯扭曲传感器，然后将纤维对与其它纤维缠绕成股，或是围绕一个中心芯子(内窥镜，管子等)连同弯折敏感纤维一起缠绕纤维。

目前为止所述的都是仅仅在沿绳索的一个位置上确定弯折和扭曲的传感器对和三个一组。然而，如上述’672专利中所述，按照本发明的部件往往需要在沿着部件的不只一个位置上测量弯折和扭曲。为此可以沿着绳索形成成对或三个一组的阵列。图21表示这样一个例子，图中所示的纤维102、103、104和105分别具有加工区115、116、和113、114。镜子120被附着在末端。图22表示纤维103和105的光学电路。它们的漏失段116和114在为了方便画成笔直的光纤上处于不同的轴向位置。光源122通过定向耦合器121发射光，通过传感器116或114，被镜子120反射回来通过传感器，出射到其下部的纤维腿124，并且进入光电检测器123。在同样是为了便利画成直线光纤的图23中表示用于绳索的一种更加完善的系统。各自由三条纤维组成的股100在每一股上有三个一组的传感器区。共有四个三个一组被标记为140、141、142和143。镜子120被安置的端部，每条纤维一个镜子(为了便于画图，图中将一组三个镜子编组成一块，或是如下文所述将这一块称为一个公共反射装置)。

尽管按照本发明一般意义上的部件是每一弯折或扭曲传感器有一条纤维，如图23所示，还有可能使用纤维上按特定波长的光选择的光吸收面，以及能够区别不同波长的光电检测器，这样就能由若干个分散的传感器共用一条纤维。

图24表示检测线股的另外一种环形结构。三条纤维具有紧密的环，围绕一条中心芯子纤维107用三个环130缠绕成六‘支’。习惯上将环放置成轴向长度稍有不同以便于盘绕。在形成绳索之前可以对每个环的一个腿(或是两腿)进行加工。如上所述可以在与表面平行的一个平面内对平坦的表面进行加工。在制作过程中使环维持已加工段的取向。在绳索端部可以按星形图形放置这些环。如果是按没有扭曲来缠绕绳索，这样能够按照大约120度间隔自动安置加工的角度面。还能在图左侧的纤维端部形成星形图形：纤维104Ah104B属于同一个环。同样，纤维105A和105B，以及106A和106B分别属于另外两个环。

对图24中纤维的加工可以靠近或是直接在回环上进行，或是距离比较远。按照包括PCT/CA94/00314在内的现有技术，安置在回环附近能在回环和漏失段的几何形状之间实现配合，从而增强对弯折的检测。按照同样的现有技术，在曲线纤维的任意曲线段内进行加工同样能实现配合，不要求曲线段一定是回环曲线。一种正弦或螺旋形式能提供多处地点可用于增强对弯折的灵敏度，并且在检测阵列或部件的整体设计中对这种地点的取向和轴向位置进行规划。

‘六合一’结构(六条纤维围绕一条芯子纤维)对于普通机械绳索是惯用的，例如图24和25的三个一组纤维。对于传感绳索，中心芯子纤维往往仅仅是一个机械部件，但是，如果加上一个镜子，也可以用作传感元件或是作为公共光源或是返回纤维。如果是在完全没有中心纤维的情况下使用，基本上具备传感纤维的功能。绳索具有充分的机械整体性，不需要中心纤维提供次要的附加硬度。仅仅是借助于成形的绳索，并且在弯曲过程中填补中心空洞。它与用来保持上述’672专利中所述的机械屈从的传感纤维的中心基底的作用完全不同。

在图25中表示镜子结构，它处在在围绕芯子400的纤维401、402、403(和没有表示的其它三条)中一股399端部的截面贯通部分。在纤维切割端部的圆周上连接有一个小帽404。帽包括内凹的镜面405用来使纤维射出的光407返回中心返回纤维。用箭头408表示返回光。也可以将光引向其它路径。在前一种情况下，周围的纤维按时分或波分编码的多路复用，在集中到中心纤维中之后提供其独立的检测值。在后一种情况下，由中心纤维提供稳定的照明，并且使用周围纤维上单独的光检测器产生各条纤维唯一的信号。图26表示图25的截面409-410。

还能使用芯子外侧的传感纤维股。在本实施例中，可以用纤维组成的股是纤维股组成的绳索替代图27所示的纤维。也可以用连续层的绞合纤维将图27的覆盖纤维编织成圆筒套。还能围绕一个中心芯子按螺旋卷将纤维缠绕成‘带状索’而形成图27的结构。按照这种变形，最好是采用由纤维的松散载体保持在一起的带状索，使组成纤维在卷绕过程中能够彼此相对滑动。但是该方法仅适用于大型结构。

在本专利所覆盖的‘围绕芯子’的情况下，芯子对纤维起到机械屈从或协作的作用，在弯折和扭曲过程中本质上为圆形截面形式的外套提供一种支撑手段。例如可以去掉图27中的芯子，而纤维在受到微小弯折时仍然维持其圆形截面形式。同样，如果没有纤维，芯子只能在一定程度上没有皱褶地弯曲。然而，组合的芯子和纤维在更大的弯折下能够维持圆形截面，并且因维持了圆形截面使纤维对芯子扭曲的耐受力得到明显的增强。芯子和纤维在弯折或扭曲中相互避免在没有协作结构时可能出现的皱褶。

在所有形式的绳索中都能增加一个非传感纤维的外套层来保护下面的传感纤维。外套层最好编织或针织成螺旋形，以接近下面的纤维的方式适应其形状。

绳索100的大芯子107可以是实心纤维或棒，也可以是空心的。104和105等外套纤维端部为镜子120或是成环形。环形可以通过空心芯子返回，或是空心芯子包含一个内窥镜，导管或是流体路径。层可以交替地顺时针和逆时针缠绕以增加强度并减少散开的趋势。这同时意味着提高扭曲模数，降低传感结构围绕其轴线扭曲的能力。

图28表示另一种弯折和扭曲检测装置。围绕着中心芯子纤维107缠绕小线或纤维134。图中所示的纤维104、105和106是围绕芯子成螺旋卷状。卷被散开，并且在图中去掉其它纤维显露出额外的卷134。在图29中表示了图28中所有纤维104-110和线或纤维134的螺旋卷之一部分的截面135-135。额外的卷被用来在绳索受到弯折时在周围的纤维中产生微小弯折损失。在弯折的平面内，被弯折绳索的外侧损失最大，因为这一侧的纤维对额外的卷134施加的压力最大。同样，扭曲会造成所有纤维的光通量整体下降。如果围绕芯子107有六条纤维，就能构成有三个未知数的六个公式，并能解决2-轴线弯折和扭曲。

图28a表示采用电容检测的另一种结构。如图28所示，仅表示了围绕中心芯子的较大一组中的三条纤维104、105和106，其它纤维被局部拆开显露出检测结构107。按照这一变更的结构，纤维是各自具有螺旋状检测‘沟槽’154、155、156和157的同轴电导体，在其中改善了同轴屏蔽以便于外围纤维的内导体110与中心纤维107的内导体110之间的电容耦合。传感器的依据是耦合会按照‘电容性绳索’的3D弯折和扭曲而改变。

电容性绳索传感器利用螺旋体各波内弯折不同的特点，如图11c中所示，有半波96是随弯折增大，有半波97是随弯折减小，纤维没有净伸缩。在绳索被弯折时，纤维在弯折平面内的部位会响应较大的差动弯折96和97，与弯折相垂直的部位没有差动弯折(如图11b所示)。在这些垂直极限之间，差动弯折按远周取向的余弦函数改变。这样就会造成相邻外围纤维以及外围纤维与中心纤维107之间的相对滑动。滑动会沿着纤维随轴向位置而改变，并且会随着围绕中心纤维的远周取向而改变。

可以选择耦合沟槽154、155、156和157的间距和宽度，使得外围纤维与中心纤维之间的耦合在给定平面内随弯折的改变最大。这种情况例如是在外围耦合沟槽154-156几乎具有相同的稍有改变的轴向位置时，确保外围纤维上的沟槽在其最接近的位置上与中心纤维上的沟槽重合。这仅需要中心沟槽比外围沟槽稍长。所有沟槽的长度可以按分段连续的方式沿着轴向长度产生接近的重复区，由此形成‘分布式’传感器，具有按缠绕在选定轴向限度范围内的绳索的螺旋体波长倍数的重复。

在接近的各个区内，两个纤维上在180度圆周限度内的一匝或多匝的沟槽可以接近。传感器按三个一组布置，每三个一组中的传感器处在明显不同的圆周取向，最好是间隔120度。应该注意到圆形对称的沟槽的功能类似于图18中所示的圆形对称的漏失段的功能，也就是借助于螺旋体循环重复的结构将圆形对称整体上变换成具有圆周取向的一个传感器。

以下要参照图28b、28c和28d详细解释这种电容检测结构。图28b表示一条典型纤维107中沟槽109一圈中的局部。沟槽暴露出覆盖有绝缘层111的中心导线110，为了便于表示，它在图28b中是透明的。绝缘层被导电层112覆盖。在导电层中用断续形成‘沟槽’。在中心纤维107上可以用另一层113执行扭曲检测。扭曲检测层是一个可压缩的绝缘体，即是均匀的薄膜或可压缩绝缘纤维的螺旋卷。保持外围纤维具有受扭曲调制的微小径向位移。在光纤实施例中可以用同样的方法增强扭曲检测，对扭曲检测区施加预缠绕或是使其对弯折不敏感。扭曲会在三个一组的所有三个传感器中产生‘共模’响应，而弯折只会对三个纤维中的至少一个有影响。

图28c表示不包括沟槽的截面中的各个层。可以用一个薄绝缘层111覆盖一个金属裸线110，然后在绝缘层上淀积金属111而形成一条很薄的同轴线。蚀刻掉金属或是按沟槽形状对淀积施加掩模就能形成沟槽。可以在上面淀积或缠绕变形扭曲检测层。如果缠绕，若沟槽是逆时针的，就要按顺时针缠绕。

图28d表示被一个薄扭曲检测层113与中心纤维107隔开的一种典型的外围纤维104。在绳索被弯折时，纤维104会按图中箭头115所示在轴向上相对于纤维107滑动。如果纤维104是在其螺旋体朝外弯折的部位，滑动最大，取向最接近于与所施加弯折的那一平面匹配。滑动造成两个沟槽之间的电场耦合发生变化。在绳索为笔直时，如果轴向布置的沟槽是半重叠的，耦合就会按双极形式改变。为沟槽设计的宽度和间距能够使耦合及其调制最大。仅仅在沟槽面对面靠近时才有明显的耦合，用导电层112屏蔽对各个纤维其它部分的耦合。在扭曲过程中，三个一组中所有三条外围纤维朝上卷绕或是朝下卷绕.按箭头116使弹性层113压缩或解压缩。这样会造成所有三个耦合的整体调制。校准类似于对光学传感器所述的校准方法。

可以按公知的电容检测技术来测量耦合调制，例如是依次在各个外围纤维上引入AC或脉冲信号，并且在其连接到电阻负载时测量耦合到纤维107的导电芯子110中的电流。具体地说，屏蔽层112相对于信号处在零电位，或是按照现有技术在接收纤维上由所接收信号的采样来‘驱动’，以便减少衰减并防止其它来源的干扰。还有可能制成一种电容性检测绳索用来测量相邻外围纤维之间的耦合，因为滑动会随着圆周取向的余弦而改变。在这种情况下，中心纤维可以不起作用或是去掉，并且可以在相邻的一对中向配对中的一个注入信号并从配对中的另一个读出电流而‘读出’外围纤维。典型的注入信号电压的峰-峰范围是3-20伏。

由各自有若干光纤的股100’组成的一条绳索99如图30所示。回忆图21中纤维股的结构，7股的绳索包含被六股对称围绕的一个中心股。中心股一般都是敏化的，而各股中的中心纤维则不然。如果股本身是顺时针缠绕的，通常就是按逆时针方向缠绕各股而形成绳索，反之亦然。在表示绳索的图30中表示这种逆旋转原理，而图31表示其中的一股。

图31是图30中绳索99的一股100’的细节，并一般表示为各个股。纤维101、102和103被加工成三个一组传感器之一，分别具有弯折损失敏化区110，111和112。由纤维104，105和106及区113，114和115形成另外三个一组。区115被其它纤维遮挡。在本例中，敏化区在每间距长度上有一个以上。区113和114有足够长，沿着该股能绕两圈，并且标记为113A、113B；和114A、114B。区110、111和112仅仅表示了其长度的一小部分。用夸大尺寸的阴影方格表示漏失段，在图的左侧表示纤维的切割端。

图32，33和34分别表示图31中一股在靠近一个间距长度(螺旋体的一整匝)两端和中间位置117，119和118处的截面。这三个截面显示出围绕中心纤维107的纤维保持相同的圆周顺序，但是在各位置处旋转了大约180度。然而，正如上文所述，如果在编制这一股时没有对纤维施加扭曲，任意截面中的区连续面对同一角度。在图中用玄线表示这些区。

图34a表示图30中成股绳索的变化，所有的股不是相同长度，形成锥形的绳索。各股的长度仅要求达到所需的轴向检测位置。这样能确保绳索的最末梢部位很小而有可能弯曲，这一点对医学用途往往很重要。绳索810是由股811组成的，股的端部是反射器结构或是812、813、814、815、816位置上的套装返回环路，由于被绳索遮挡没有表示出第六个位置。按照类似的方式，图21中所示的一股可以由不同轴向位置上以镜子结尾的各个纤维组成。纤维的股至少在其靠近末端的位置用粘合剂固定，螺旋状缠绕细微的纤维，或是采用挤压带。

可以进一步形成条带或绳索那样具有附加整体波动的细长传感器结构。图34b表示这种‘双重成形’传感器的绳索形式。绳索99是由成形纤维例如是图32的纤维101到107制成的股100组成的。将绳索缠绕在一个圆筒上并将绳索加热到接近软化点，使绳索形成螺旋体。在冷却时，绳索就会保持整体的螺旋形状。由于已经装有能报告绳索上所有部位的位置和取向的传感器纤维，能够随着其整体形状对所得结构的伸展进行检测。这样就制成了扣伸展的循环传感器。例如可以用来围绕手臂或腿，在这种情况下能够按各种肢体长度检测关节弯折和肢体旋转。还可以用来测量两个移动物体之间在6个自由度上的位移。

还可以将双重成形传感器逆配合在一个弯曲部件上，在部件位置和取向的六个自由度上提供测量值。例如是将其固定在一个弯曲内窥镜的外围或是固定在计算机鼠标电缆周围。

图34c表示一种类似的条带状可伸展传感器。它是由条带99’构成的，后者是由纤维101、102、103和104(为了便于表示仅限于这一数量)，它们能够检测相对于条带的弯折，但是在双重形成时还能够响应双重形成部件的扭曲。图34c所示的条带也可以改成图46所示的起伏条带，在这种情况下，即使不是双重形成也能够检测扭曲和弯折。

图34b所示的传感器是一种循环重复传感结构，它具有三个基本空间频率分量，可以由各分量部分的空间曲线构成的三维波动来描述。其一是一股内的各纤维的螺旋波动。另一个是绳索内各股的螺旋波动。第三种波动形式对测量精度的影响较大，因为这种结构的形状能够顺从具有急剧的局部弯折或扭曲的微小相似性。

图35所示的另一种形式表示由三条纤维412、413、414的条带组成的一个圆筒411。条带415是交织的。通过在416A和416B处的加工增加弯折和扭曲灵敏度，合在一起表示一个弯折和扭曲检测对。在这种情况下不一定需要扭曲检测，因为如果将这种结构安置在诸如内窥镜或软管等中心芯子上就几乎无法扭曲。图36表示圆筒在417-418处的截面。图35和36的交织结构常用于电缆的外层包装。其直径能够因轴向挤压而扩张，或是因拉伸而收缩。

图37表示图35的圆筒具有圆形的端部425，表示其整体截面形状。图38是同一编织物的椭圆形式，可以用在椭圆物体上，在这种情况下对弯折有一定的灵敏度。图40表示双壁形式的图35的截面图。图39的形式几乎是一个平坦的条带，在这种情况下非常适合扭曲检测。所有这三种形式都能采用和图35中相同的传感器。双壁能够防止横向塌陷，并能耐受扭曲。

图41表示和图35一样的编织结构，能够覆盖象气球453那样的结构。气球是一个充气的管452，用织物中包括的传感器检测其形状。可以用于血管造影或是检测导管和管子的膨胀。这种编织结构也是自我支撑的。可以在不包括气球或管子的情况下轴向挤压织物而成形。可以用传感器测量挤压的轴向位移，以及由施加在端部的力和转矩产生的任何弯折和扭曲。可以将其覆盖在手指或其它肢体上检测二维自由度的弯折。图42表示包括球在内的一种球形端织物。

在包括缠绕一个芯子的所有结构中，在缠绕之后可以去掉芯子。其空间可以用于其它用途。在所有结构中，可以用聚合物例如是聚胺脂，柔软的环氧树脂或硅橡胶浸渍纤维，为其提供保护或一定的弹性。当然也可以出于同样的目的将纤维的绳索和圆筒放置在管的内侧。

图43表示螺旋缠绕带(条带)或绳索形式的传感器阵列，为了简化称其为“带子”。它可以绕着人的后背，臂，上臂，前臂和手缠绕。螺旋缠绕使带子紧密符合人体的轮廓，使条带的宽广面沿着皮肤起伏。即使在后背上的部位也大致呈螺旋形，因为它从腰的左侧开始到右肩的路径中包括弯折和扭曲。为了使其跟随后背的弯曲而不需要机械工具例如是衣服上的光滑通道，这一点很重要。带子上包括从接口盒到带子顶端连续布置的传感器。同样可以安装到腿和脖颈上捕捉整体形状和运动。螺旋结构具有的有用性质包括贴身，整体，无需滑动的伸展性，以及皮肤和骨架模型的数学构造中使用的明显关键特征。能够有益地用于现有技术专利’672的传感器以及本发明中如下文所描述的纺织形式。

贴身的螺旋形式是可行的，因为弯折和扭曲传感器部件能够顺从一个曲面，即便是需要使用具有宽矩形截面的部件。信号线可以装在芯子内侧，仅有延伸线留在外侧。传感部位可以布置成阵列，类似于光纤的阵列，对特定的轴向段敏感。

螺旋形式能够自身维持，因而具有整体形式。如果从肢体上取下而不拆散，就能够维持螺旋形状。如果装在袖筒或裤腿中，衣服和传感器带子组成的织物就会因而螺旋力和转矩与作用在织物上的拉力之间的共同作用形成圆筒形状。即使没有额外的织物，单靠传感器与肢体的空间接触仍然能维持螺旋形式，这样就能平滑地测量肢体的整体形式。

螺旋形式具有伸展性，不需要端对端的净滑动。这对于跟踪后背或肢体的运动是重要的。传感器能够借助于沿着其长度平滑分布的弯折和扭曲随着运动而伸展或压缩，由后半圈的压缩来平衡伸展，不需要额外的机械工具来吸纳轴向布置的传感器固有的长度差。

自动化‘特征寻找’是固定在臂和腿或是其它肢体上的圆筒结构所提供的一种有价值的特性。例如，可以将图43的传感器带子固定在不同长度的肢体上，每一段肢体布置相同数量的匝数。在图43中，带子绕上臂和下臂分别有1.5匝。如果臂保持在标准姿势(‘自然’姿势)，例如是水平向前伸直且掌心朝下，在自动软件算法中就能用传感器弯折的重复循环来确定沿手臂的关键特征，为手臂制作一个包括皮肤和骨架的数学和曲线模型。

自动寻找特征的最佳手段是在三维空间中计算从图43中接口盒处的传感器区开始到手的“端对端”线。然后计算从端对端线到传感器带子的所有部位的距离，按照数学方法垂直于端对端线做垂线，并接触到传感器带子的各部位。如果沿着端对端线按增量绘制这些距离，就能得到一条波动曲线。沿曲线的第一峰值是肩。如果带子从肩到肘有一匝，下一峰值就位于肘部。如果围绕前臂还有一匝，下一峰值就位于腕关节处。

寻找最小距离或低谷还能定位其它关键特征它围绕螺旋体与近旁的峰值相距大约180度。可以采用内插寻找90度或是更加细微的特征。如果存储在自然姿势下捕捉的这些特征，就能用来在以后的任何姿势下沿着传感器带子识别出对应这些关键特征的位置。用关键特征计算皮肤和骨架的模型。

该方法提供的皮肤和骨架模型可以按传感器带子的个别穿戴者定标，与肢体尺寸无关。不需要单独测量肢体长度就能做到，在自然姿势下按照每个肢体部分已知的匝数缠绕带子。还可以用自然姿势设置肢体长度的标度和所有特征的位置，象自然姿势下一样不用传感器带子以外的测量设备。

两个自然姿势例如是水平举起和稍微垂直放下保持手比垂直位高出20cm还能按实际环境下轴线的已知关系为肢体提供取向的数据设置，并且使取向倍数数据设置(例如是臂和腿的)全都具有对应着实际环境或世界坐标系统的相同关系。

可以用从传感器起点(也就是接口盒)跨越到沿传感器带子的各点的‘R’矢量计算骨架模型。首先用R端点值沿着传感器带子的移动平均值(平均值的意义是一个矢量具有x、y和z分量，x分量是x分量除以总数之和，y和z也是类似)计算一个实际曲线。例如，如果平均值包括螺旋体的半匝，曲线就位于螺旋体中心附近。曲线会有一些螺旋形式的波动，但是振幅较小。总数(一定时间内平均矢量数)可以用来减少波动。可以用这一中心线部位确定骨架。用关键特征确定这一部位，例如是可以按接近肘部的平均R矢量与接近腕部的平均R矢量之间的直线计算下臂‘骨架’。

可以将沿着带子的循环重复点与接近骨架轴向的线相连接而形成‘皮肤’模型。代表传感器带子和‘轴向’线的3D曲线组合形成表示皮肤的视觉上可分辨的表面。作为重复点的一个例子，噪杂分析中各个传感器的轴向中心可以连接到下一传感器的轴向中心。典型的连接线具有螺旋形式，其间距取决于点的选择。可以用仿样函数来细化表面的模型。

可以用螺旋曲线的其它由线构成的弦长来确定骨架的起点矢量，因此，骨架的端部不仅是3D坐标，还与取向信息例如是滚动，间距和偏转角有关系。例如，连接前臂下的带子上两个特征点的弦长可以减少到一个单位矢量并用来寻找它与前臂线构成的一个单位矢量之间的交叉分量。所得的交叉分量矢量在自然姿势下指向垂直位置，并且在所有后续姿势下跟随前臂的滚动。自然姿势可以用做滚动的零度角，从而确定滚动与自然姿势的偏差，可以将自然姿势下的‘大致垂直’视为‘严格垂直’。

一旦得知‘皮肤’和‘骨架’，就能得知肢体沿其长度各点上的半径，并且能用半径的变化来确定肌肉轮廓。

上述方法用传感器带子的所有部分来确定骨架和皮肤特征。与基于对各个关节附近单独，隔离的点进行检测相比，能够更加适合运动和变化的皮肤轮廓。

按照图45所示的一种变形，臂上的带子在其平面内波动。图46表示具体结构。并排纤维的‘条带电缆’在其平面内波动。镜子120被用来向另外一端的耦合器反光。该结构还采用环路反光。在所示的这种小件传感带子中，各个纤维在一个位置上加工。实际中往往需要在多个位置上对纤维进行加工，以便在大范围内分布检测弯折和扭曲。各对纤维260-262或262-263构成一个弯折-扭曲对，因为加工点250A和250B沿着主要扭曲轴线251A和B接近垂直.这些传感器部位对图44中245所示的中线是倾斜的。波动能够检测到弯折和扭曲，并且减少因弯折造成的拉伸。纤维可以保持在一个柔软套子的中轴线上，或是纤维可以并排粘在一起而不用其它支撑物。

如图所示，可以用粘在一起的波动纤维制成此类条带。如果纤维的中轴线有波动，纤维上连接其它纤维的边沿并不会波动，而是仅仅连接在某一点上。这样的结构还能用沿着长度粘接的波动纤维制成，然而只有在纤维真正在波动时才是这样。

在本例中表示在条带的一侧进行加工。这是常规的制造形式。在弯折和扭曲在空间上集中的某些场合，一对部件250A和250B或251A-B在轴向位置上的差别可能是有害的。在这种情况下可以在同一轴向上分别从条带的相对两侧加工一对部件。在这种情况下，加工是面对着相对的方向，对弯折和扭曲给出唯一的解(传感器对弯折和扭曲的共模信号会产生相反的信号)。

条带在其平面内的波动可以变成‘平坦绳索’中组成的一‘股’。这是通过使条带的交替波动彼此交错而实现的。如果各个条带的波动是在条带的‘XY’平面内，交错就会在各自脱离条带平面的‘Z’尺寸上产生波动。两个条带组合成的一个部件能够自由弯折和扭曲。对于螺旋缠绕的绳索，法线从弯折处面朝外的那些波动的表面的曲率比法线面朝弯折中心的那些波动的表面要大。净伸展和压缩为‘零’，就象多数‘三维’绳索一样。进一步开发这种结构可以将传感器数量加倍，而部件的尺寸或硬度稍有增加。各个条带的所有传感器都可以从部件的中心轴线面朝外，或是各自具有混合的朝向。还能与第三条带交错，并且交错可以扩展到任何数量的纤维而产生任意长度的表面。即使纤维不是在部件的中心轴线上，‘平坦绳索’仍然能弯折和扭曲，在条带之间沿着其总长度不需要净滑动。在图45a中表示了两条交错的条带800和801。条带是平面的，在其平面内波动，并且由纤维802构成。在图45b中表示另一种交错方法。

到此为止所述的在’672专利及其现有技术中披露的传感器加工可以被用来在纤维上形成传感器，并且这种纤维能够相互机械连接成检测不仅，不需要单独的机械基底。具备机械和检测特性的不仅仅是个别的纤维。如上所述，可以增加其它光纤作为参考纤维，照明纤维，或是作为反光纤维。

绳索的工作原型是用0.25mm塑料光纤制成的。它们由六股环形纤维组成，各股的直径是0.75mm，构成传感区的三个一组之一。6个三个一组的绳索能够检测3D形状。其它绳索被制成具有镜面端和定向耦合器，并且具有本文中所述的大多数变化，包括二-和三-纤维绳索，沿绳索分布的传感器，较大基底纤维上面的逆旋转层，用于检测扭曲的扭曲增强区，以及用来产生扭曲和弯折灵敏度的额外螺旋线，不需要对纤维进行其它加工。原型的柔软性和强度类似于尼龙机制绳索。短绳索(15cm)端部的位置分辨率在1mm以下。带子围绕人的肢体和机械链接，其螺旋卷的效果也是由原型提供的，所具有的精度和紧凑性优于现有技术中绳索形式的原有结构。还演示了其它各种包扎例如有多层绳索和编织绳索。同样的包扎规律可以指导绳索和电缆制造商设计传感绳索的结构。通常可以用围绕中心芯子包扎的两条，三条，七条，13、20条等等纤维或是形成纤维间自身的支撑，从而形成紧凑和柔软的绳索。通常最好是使用纤维的股而不是在一条均匀的绳索中包扎过多的纤维。

股的形成能在绳索或三个一组内组织成各种轴向和横向阵列，并且如下文所述类似于纺织品的2D组织。为了便于描述以绳索为例。例如，各股中包含轴向轨迹，能够提供对绳索上轴向轨迹的所有弯折和扭曲检测。之所以称其为轨迹是在使用分布式传感器时泛指一个点(或是近似点，因为所有传感器都有一定的长度)。或是一股中包含具有用于沿绳索所有轨迹的一种传感器的纤维，例如都是‘X’弯折传感器。另一股包含具有所有‘Y’弯折传感器的纤维。再一股则包含所有‘扭曲’传感器。一般来说，‘X’，‘Y’和‘扭曲’的意思是‘传感器大致按x度圆周取向’，‘传感器大致按x+120度圆周取向’，以及‘传感器大致按x+240度圆周取向’。还可以将例如是‘所有X’项替换成例如是‘一定数量的X’传感器，以便缩小股的尺寸或是在绳索中容纳更多的传感器。另一种改变是在一条绳索或一股内使用冗余的传感器。冗余可以用来改善精度，在各个轨迹上求解有三个未知数的三个以上等式，或是选择具有最佳取向的传感器而不用其余的，或是提供损耗。冗余对于纺织品和服装特别重要，它们在校准上有一些损耗和困难是意料之中的。

应该认识到本发明不一定是由光纤构成，还能由其它纤维例如是电阻纤维构成，例如，变形测量线在弯折时对弯折或变形敏感，或者是类似结构的导电聚合物纤维。这种原理适用于绳索，线股和服装形式。该结构本身还具有电容检测，由纤维在一个区域内或多或少接近的弯折和扭曲来实现调制。在所有电气结构中，可以用绝缘隔离相邻各股的导体，或是为电容检测产生公知的介电特性。

图47表示一种双极变形测量传感器结构454。导线455、456、457和458对延长是敏感的，因为其电阻会随变形而改变。四个一起可以用作两个轴线上的双极弯折检测。图48表示图47中向下弯折的结构的一个截面。弯折使上层导线455和456受拉力，而下层纤维457和458受挤压。可以用桥式电路测量垂直和水平面内的弯折。用于两个轴线弯折检测的商用设备(由Biometrics Inc.制造)就是基于类似的原理。

图49表示按照本发明基于图47所示传感器的绳索。导线的编组454是用细小机制纤维457缠绕而成，允许编组绕着其轴线旋转，并在围绕着为返回的电连接提供空间的一个中心芯子458缠绕成绳索456时维持零扭曲状态。图50和51是从不同轴向位置上提取的截面，在任意轴向位置上均按相同的取向表示四个编组454A和454B，从而指示出零扭曲状态。

导线是由端部是变形-敏感部460的信号传输部459构成的。信号线可以焊接到变形导线或是其它连接装置的位置上。四个编组在特定平面内具有相等的‘面’向。各自提供垂直弯折分量的一个读数。添加更多的变形-敏感导线还能检测扭曲，例如是类似于对预扭曲光纤所述的那种形式的预扭曲对。

还应该看到本发明的子集特别是有关光纤的子集是可以加工的。例如，单轴线弯折传感器是通过缠绕绳索形成的，所有纤维使用共同的‘块状’照明器，并且用‘块状’检测器(例如是由所有返回纤维照射的光电二极管和放大器)同时检测来自所有纤维的返回光。在本实施例中是沿着绳索的轴线产生一个漏失段而形成传感器，绳索中的所有纤维都沿着这一线受影响。还可以修改成使纤维沿绳索轴线方向沿着第一线受影响，然后将绳索绕着其轴线旋转90度或是其它角度，并且加工剩余的未加工纤维。象单轴线的情况下一样可以用两个‘块状’照明器和检测器检测两个编组的垂直加工的纤维，从而得到一个二轴线弯折传感器。这种原理同样可以用于三个一组的传感器，并且可以增加扭曲检测。这样的子集就升级变成了父集。其优点是提高发光等级，并且有冗余，允许纤维折断。

本发明中所述的部件不仅是绳索还可以是服装。按照这种形式，片材是由传感纤维本身也就是形成“基底”的纤维构成的。用传感纤维制成的服装片材可以是平坦的或是采取圆筒或气球形状，建议用作袖筒，体传感器，气囊，angioplasty设备，呼吸传感器等。

图52表示由光纤500构成的一例编织传感片材。图中仅表示了一角，它包括的纤维有分别从上边沿和右边沿循环往复的经纱510和纬纱511。经纱纤维的上边沿更容易镜像并且可以没有循环往复。按照空间上规则的水平和垂直位置512通过对经纱和纬纱纤维进行加工，使编织片材的平面漏光而形成传感器对。具体地说，仅在一或若干邻近位置处对一条纤维进行加工使其漏光，用两条纤维检测单一交叉点上或是靠近一个交叉点的小范围内的曲率。由于波动性质会产生对称图形，这种对或是编组能够提供弯折和扭曲检测。图53表示加工后的交叉点。它是由纤维510和511构成的，加工成在窄条513和514内漏光。正交布置能够感知该位置上所有角度的弯折和扭曲，并且在该位置上能够用已知的弯折和扭曲校准片材，从而唯一地确定所有弯折和扭曲。可以从两个边沿上发送和接收光来查找传感器，纤维可以连续通过编织区并且编组成捆。

图54表示用纤维500针织而成的纤维窄带。它包含保持边沿不会散开的边沿纤维或带子520。图形是许多标准针织图形中的一种，叫做‘平纹’。其它图形可参见Von Bergen，Werner， Wool Handbook，Vol.2.JohnWiley，N.Y.，1969，pp.583-632。用肋，花边或是其它图形也能获得类似的效果。尽管图中所示是平面形式，这种针织物也能包围一定的体积，采取象包围一个圆筒或其它体积的袜子和袖筒的形式。每条纤维形成一条‘线路’；互锁的环中每一垂直列形成一个‘条纹’。在选定位置上对纤维进行加工能够使图54的织物敏化。如图55所示，在位置521A和521B处对纤维500进行加工，并在位置522A和522B处对纤维501进行加工。加工点521A和B相对于垂线右侧具有大约45度取向(‘+45度’)，而加工点522A和B相对于垂线右侧具有相同角度的取向(‘-45度’)。纤维500和501构成一个传感器对，能够沿着纤维500和501所限定的分布在两个条纹502和503上的线路检测弯折和扭曲。如果按图56所示加工各条纤维，也能产生相同的效果，对每个曲折形成两个加工点503A和503B，同为+45度或同为-45度。在本例中，所有纤维都能从片材或立体传感器的一个边沿或是两个相对边沿上伸出，因为所有纤维都是按水平线路而不是沿着条纹运行的。

图57表示另一种加工结构，在纤维500上具有水平加工点524，在纤维501上具有垂直加工点525。

图58表示编织在一起的两条传感绳索，作为传感织物的一部分。这种方法可以在织物中装入更多的传感器，并且有更加独立的拉伸作用，能改变用单一纤维织成的织物中传感器的角度，这样会影响正确检测。通过掺入截断的‘丝绒’或棉绒股能够降低压力灵敏度，丝绒会伸出并且防止压力挤压其它纤维上的纤维。否则，交叉点上的压力灵敏度会产生组合的形状和压力检测。

由于图58的传感绳索可以视为一种‘双重成形’形成的波动，它与图34b和34c所示的双重成形螺旋体具有相同的性质，也就是能够测量3D和六个自由度，还具有伸展性。在这种情况下，波动的波纹形式不是螺旋形的，而是接近可以通过与织物中的其它绳索重复接触或是通过热成形来维持的二维波动，或是通过热成形和接触的组合来维持。可以用粘合剂替代热成形。

在图59中表示由纤维500和501制成的一种针织织物的一部分，它包括具有加工点527的传感纤维526，加工点被夹在两条线路的环路之间。这样能在环路或笔直纤维上实现检测。图60表示按对角线夹在针织织物中的纤维526。水平和对角线夹带能够改变织物内部对弯折和扭曲的检测，并且能单纯增加环绕织物的传感器密度而不需要紧密的图形，否则会带来过多的微小弯折损失。

如上所述，利用具有螺旋形绳索和带子等等的编织结构，本申请和’672专利的权利要求书/说明书中组合的弯折/扭曲和压力检测可以用在绳索或服装中。弯曲结构的纤维或股的编织和针织形式可以用来检测形状(全面分布的对低-空间-频率弯折的弯折或扭曲响应)和高-空间-频率波动的变形所产生的压力。

按照本文所述原理的扩展，还能形成用来检测形状，压力，和诸如液体等其它各种环境变量的阵列。螺旋形式本身可以应用于其它传感原理，例如是最近提交的PCT申请PCT/CA00/00512号。用透明聚合物的透镜层(lenticular layer)将沿着螺旋体的相邻纤维耦合到一起形成传感器，能够响应螺旋体的弯折和扭曲。透镜层可以是彩色的，可以改变检测中所用的光的波长，沿着同样两条纤维形成不同的检测区(参见上述新近提交的专利申请，用于同时弯折到其平面之外的任意两条以上相邻的纤维)。如新近提交的同一申请中所述，透镜区域还能检测液体或压力。同一申请中所述的端部环路也能用来检测液体或压力。

除了透镜形式之外，螺旋形和循环的织物形式本身也适合检测压力和形状。只需要在一个位置对弯折敏感，以及相对于检测结构的其它部位向该位置传递力的一个装置。例如，手指对绳索的压力会影响局部的曲率，对光通量产生一种调制。上文中描述了一种带起伏的光纤条带，可以用起伏来检测压力。按照螺旋形式，起伏是三维的，同样可以开发利用。校准要求弯折和扭曲对压力具有足够的差分信号。采用起伏条带同样能满足这一要求；按照相对空间频率成分来区分。

本文中包括在一定范围内重复的许多传感器图形，重复是有规则的，或是不规则的。可以用来自传感器图形的传感器输出确定物体的3D形状。’672专利包括有关按螺旋形式布置的条带传感器及其开发利用的说明，沿着螺旋体的弯折和扭曲的恒量场将条带校准成一个传感器。本申请进一步开发了螺旋体及其它重复波动结构例如是针织和编织的织物中所见的波动，制成的传感器按照已知取向上的间隔重复其灵敏度。已知取向可以是织物平面内的取向，如上文所述是加工纤维的交叉对，按照纤维轴线的角度取向，或是取向角度围绕一条纤维或是其母体例如是一个螺旋体的圆周，该取向角度就是纤维传感器相对于一条轴线敏感的那个平面。调整重复的频率能够开发出空间上分离或是连续的传感器及传感器阵列，用以覆盖所需空间检测特征的宽广范围。在任何情况下，这种开发包括对内置的弯折和扭曲进行调整，用以增强对弯折和扭曲的检测能力。螺旋体特别适合有计划的重复，因为螺旋体完全是由弯折和扭曲来描述的。针织和编织的织物也能为开发重复的检测取向提供有计划的框架和组织的方法，并且还包括少量但仍然是重复的已知弯折和扭曲。所有这些结构都能单独用纤维本身而没有其它材料来实现。

校准是参照图16针对绳索来描述的。诸如波动条带和交错波动条带等平面形式可以利用类似于现有技术’672专利中所述用来校准包括基底的条带的方法来校准。平面织物是用足够数量的姿态来校准，包括所有传感器的所有自由度。在任何情况下，校准需要求解包括许多未知数的方程式，未知数的数量等于给定轨迹内的自由度，而所述轨迹中的传感器数量至少要等于自由度的数量，还要考虑已知的限制。用各个公式按给定的校准姿态描述轨迹中传感器出现的弯折和扭曲。如果传感器是非线性的，必须包括足够数量的姿态来描述各个强度分辨率等级上的传感器输出。在’672专利中对包括基底的传感器有详尽的描述。对于绳索而言，在图44和45的说明后面讨论了本发明的精确性。所有形式的精确性都能对带基底的传感器进行改进，因为成形纤维的趋势是没有净伸展或压缩，因而也就没有净滑动。

上文所述的具体实施例体现了本发明的实用性。这些实施例仅仅是解释性的。在以下的权利要求书中进一步描述和限定了本发明的范围和具体的用途。

为了充分说明而在各个实施例中描述的本发明的特征还能在单个实施例中加以组合。反之，在单个实施例中简短描述的本发明的各种特征也能按任何适当的组合方式单独提供。

权利要求书中的术语及其使用的语言是为了便于理解所述发明的各种变形。它们不是对这种变形的限制，而恰恰是为了覆盖本发明的说明书中所暗示的所有内容。

Claims (38)

1.一种用来提供对应空间几何结构的数据的测量装置，所述装置采取能够在至少一个自由度上弯折的柔软、顺从的测量部件的形式，所述部件沿着一个中间轴线或平面延伸，并具有在所述部件上按具有已知位置的检测位置空间分布、并且被已知传感器空间间隔分开的弯折传感器(10)，所提供的弯折信号指示所述位置上出现的弯折的局部状态；其特征在于：

测量部件包括多个成形纤维，所述成形纤维在部件的中间轴线或平面是笔直或平坦的情况下不是笔直的，所述成形纤维包括具有能提供所述弯折传感器(10)的检测部分的检测纤维，不同纤维的检测部沿着所述部件位于不同的距离上，使其位于按所述传感器空间间隔分布的所述检测位置上，并且通过组成纤维的形式单独或是借助于彼此间连续或重复的接触基本上维持整体形式的测量部件，由此提供部件的强度或稳定性。

2.按照权利要求1的测量装置1，其中所述成形纤维借助于沿着纤维长度具有与其它所述纤维连续或重复的连接的各个纤维来相互支撑。

3.按照权利要求1的测量装置，其中至少有大部分所述成形纤维基本上延伸到部件的全长。

4.按照权利要求1的测量装置，其中至少有一些检测纤维基本上延伸到部件的全长。

5.按照权利要求4的测量装置，其中基本是所有所述检测纤维都延伸到部件的全长。

6.按照权利要求1的测量装置，其中仅有一些所述成形纤维延伸到部件的全长，所述部件呈锥形。

7.按照权利要求1的测量装置，其中部件的硬度不会明显大于所述成形纤维的总体硬度。

8.按照权利要求1的测量装置，其中所述成形纤维为部件提供拉伸强度的主要部分。

9.按照权利要求1的测量装置，其中所述部件总体上基本由所述成形纤维构成，并且所述纤维是光纤(104、105、500)，其中包括所述检测纤维和被用做参考纤维或照明纤维或是光返回纤维的其它光纤(104、105、500)。

10.按照权利要求1的测量装置，其中所述成形纤维是光纤(104、105、500)，而纤维的检测部是漏失段(113，114)，它根据其能够吸收沿所述纤维通过的光的外表面面积来感知其曲率状态。

11.按照权利要求1的测量装置，其中所述成形纤维是电导体，其轴向区域上的电阻受所述部件的弯折和扭曲的调制。

12.按照权利要求1的测量装置，其中所述成形纤维是除轴向区以外电气上彼此屏蔽的导体，在选定的相邻纤维之间具有电容耦合，其耦合受到所述部件的弯折和扭曲的调制。

13.按照权利要求10的测量装置，其中所述成形纤维(104、105、500)包括由于热处理等原因维持非直线形式的纤维。

14.按照权利要求1的测量装置，其中是由所述成形纤维组成的循环结构形成的，由纤维为所述部件提供沿所述部件按重复图形分布的检测位置。

15.按照权利要求1的测量装置，其中至少有一些纤维的所述检测部分对所述中间轴线或平面是倾斜取向的，所述部件具有响应部件的扭曲的检测部以及响应部件的弯折的检测部。

16.按照权利要求1的测量装置，其中形成的所述测量部件具有循环重复的起伏，可以用检测纤维随着其测量位置及沿着部件长度的取向来测量由这种起伏提供的延展性。

17.按照权利要求14的测量装置，其中所述纤维具有循环重复的曲线，在测量装置受到弯曲时在各曲线内形成局部相对变形的循环重复对，沿着装置的全长在净伸展或压缩上没有明显的改变，使得所述弯曲沿着其全长不会发生整体滑动。

18.按照权利要求10的测量装置，其中所述纤维具有循环重复的曲线，而位于其上的所述漏失段(113、114)按装置的曲率来调制光通量，所形成的重复曲线相对于该装置产生一理想的圆周取向和光损失的轴向位移，使得损失的几何形状对光产生调制，指示出该装置的位置和取向。

19.按照权利要求18的测量装置，其中增强的损失仅仅出现在一个所述漏失段(113、114)的轴向部位，在纤维是笔直且未成形时，损失的光沿着整个漏失段是均匀的。

20.按照权利要求19的测量装置，其中在纤维是笔直且未成形时，所述的一个所述漏失段(113、114)是纤维上的一个薄轴向带。

21.按照权利要求18的测量装置，其中在纤维是笔直且未成形时，所述的一个所述漏失段(113、114)是纤维上的圆周带。

22.按照权利要求19的测量装置，其中一条给定纤维的主要损失沿着该装置按重复间隔出现在同一圆周取向上，与循环重复的曲线具有相同的空间频率，用重复的漏失段(113、114)产生空间分布的检测区来捕捉沿所述区的弯折和扭曲的平均读数。

23.按照权利要求14的测量装置，其中部件采取主要由所述成形纤维构成的绳索(100)的形式，用纤维形成螺旋体，并构成所述绳索(100)的股。

24.按照权利要求23的测量装置，其中所述纤维绕一个中心芯子(107)缠绕，由芯子为部件提供拉伸强度的零件。

25.按照权利要求23的测量装置，其中为绳索(100)的至少一部分提供增强的扭曲，该扭曲大于绳索(100)上所述部位之间那一部分的扭曲。

26.按照权利要求25的测量装置，其中具有增强扭曲的部位所占据的轴向距离等于具有增强扭曲的部位内任何一条纤维构成的螺旋上一整匝所占据的长度，或是所述长度的整倍数。

27.按照权利要求1的测量装置，其中所述纤维包括朝一个方向螺旋缠绕的第一组纤维和朝相反方向螺旋缠绕的第二组纤维，两组纤维彼此交织，使所述部件形成编织结构。

28.按照权利要求1的测量装置，其中该部件采取具有纵向尺寸的条带(99)的形式，所述成形纤维包括在条带平面内并排连接的正弦纤维，部件被局限于只能围绕位于条带(99)平面内并且与部件的纵向尺寸横切的轴线沿着其长度弯折，而部件同时能自由扭曲。

29.按照权利要求28的由多个条带(99)构成的测量装置，其中组成条带(99)按照其起伏的交替波长相互交错。

30.按照权利要求28的测量装置，其中所述条带(99)被缠绕成螺旋形。

31.按照权利要求1的测量装置，其中所述传感器按已知关系缠绕或起伏来反映被测量的物体，传感器匝数和起伏的数学模型被用来定位并换算被测物体的数学模型上相似的特征。

32.按照权利要求14的测量装置，其中部件采取主要由所述成形纤维制成的编织或针织纤维的形式。

33.按照权利要求32的测量装置，其中所述部件采取弯曲薄片的形式，它是由在第一方向上延伸的第一组所述成形纤维和延伸交叉第一组的所述纤维并且与第一组的纤维交织或交错的第二组所述成形纤维制成的。

34.按照权利要求33的测量装置，其中部件采取编织薄片的形式，由一卷第一组所述纤维和一卷第二组所述纤维组成。

35.按照权利要求33的测量装置，其中部件采取由所述成形纤维形成的针织薄片的形式。

36.按照权利要求1的测量装置，其中每条成形纤维仅有一个所述检测部位。

37.按照权利要求1的测量装置，其中所述纤维是具有回环的光纤(104、105、500)，并且这种纤维对其在环形区域内的弯曲状态敏感。

38.用来提供对应着空间几何结构的数据的一种测量工具，其特征在于：

沿着中间轴线或平面延伸并且能在至少一个自由度上弯折的一个弯曲、顺从的测量部件，所述部件具有按已知位置分布在所述部件上并且被弯曲传感器空间间隔分开的空间弯曲传感器(10)，所提供的弯曲信号指示出现在所述位置上的弯曲的局部状态；

耦合到弯曲传感器(10)的传感器数据处理装置，用来接收弯曲信号并且显示部件的几何结构在三维空间中的数据，所述数据处理装置在操作中对来自弯曲传感器(10)提供的弯曲信号和这些传感器(10)之间的空间间隔的部件几何结构执行内插或外插；

进一步的特征在于测量部件具有许多成形纤维，所述纤维在部件的中间轴线和平面分别为笔直和平坦的情况下是不笔直的，所述成形纤维包括具有用来提供所述弯曲传感器(10)的检测部位的检测纤维，不同纤维的检测部位沿着所述纤维处在不同的距离，其位置使所述传感器具有空间间隔，所述成形纤维通过彼此间连续或重复接触而形成相互支撑关系，为部件提供实质的强度或稳定性，测量部件的整体形式主要由组成纤维单独或是彼此间连续或重复接触的形式来维持，为部件提供强度或稳定性。

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