[发明专利]基于螺旋光纤光栅传感器阵列的形状检测装置和方法

权利要求书

1.一种基于螺旋光纤光栅传感器阵列的形状检测装置，其特征在于，用于检测柔性机器人的空间形状，包括：螺旋光纤光栅传感器阵列、光纤光栅解调仪、数据采集与形状重建设备和显示设备；其中：

所述螺旋光纤光栅传感器阵列包括螺旋缠绕在所述柔性机器人上的单个光纤光栅传感器，所述单个光纤光栅传感器包括多个光栅点；

所述光纤光栅解调仪，连接所述螺旋光纤光栅传感器阵列，向所述螺旋光纤光栅传感器阵列发射激光，接收经过所述光栅点后返回的激光，并解调出返回激光的波长；

所述数据采集与形状重建设备，连接所述光纤光栅解调仪，接收所述光纤光栅解调仪解调出的返回激光的波长，对所述返回激光的波长进行分析和重建，得到所述柔性机器人的空间形状。

2.如权利要求1所述的形状检测装置，其特征在于，

所述光纤光栅传感器包括单根光纤，所述单根光纤分为顺时针螺旋段和逆时针螺旋段，所述顺时针螺旋段和逆时针螺旋段分别均匀分布有N个光栅点，所述N大于或等于2。

3.如权利要求2所述的形状检测装置，其特征在于，所述光纤光栅传感器还包括一根镍钛合金丝，沿所述镍钛合金丝的轴线开有矩形槽，所述光纤粘贴在所述矩形槽中；或者，所述光纤光栅传感器还包括两根镍钛合金丝，两根镍钛合金丝沿其轴线固定在一起，光纤粘贴在两根镍钛合金丝形成的夹角处，对应于所述光纤光栅传感器的顺时针螺旋段和逆时针螺旋段。

4.如权利要求3所述的形状检测装置，其特征在于，沿柔性机器人的第一轴线方向，所述光纤光栅传感器的顺时针螺旋段沿顺时针方向缠绕在所述柔性机器人上，沿所述柔性机器人与第一轴线方向相反的第二轴线方向，所述光纤光栅传感器的逆时针螺旋段沿逆时针方向缠绕在柔性机器人上，形成N组检测点，每组检测点包括所述光纤光栅传感器顺时针螺旋段的一个光栅点和逆时针螺旋段的一个光栅点，该两个光栅点位于所述柔性机器人的同一个圆周截面上且形成一个夹角。

5.如权利要求4所述的形状检测装置，其特征在于，所述光纤光栅解调仪向所述光纤发射激光，所述激光经过光栅点后波长会发生变化，所述光纤光栅解调仪接收所述光纤返回的激光，并解调出所述光纤返回的激光的波长。

6.基于螺旋光纤光栅传感器阵列的形状检测方法，其特征在于，利用权利要求1所述的形状检测装置检测柔性机器人的空间形状，包括：

获取中心波长步骤：获取螺旋光纤光栅传感器阵列的中心波长；

获取波长变化量步骤：获取所述螺旋光纤光栅传感器阵列的检测波长，并基于所述螺旋光纤光栅传感器阵列的中心波长和检测波长得到所述螺旋光纤光栅传感器阵列的波长变化量；

获取曲率步骤：基于所述螺旋光纤光栅传感器阵列的波长变化量，利用光纤光栅传感器的曲率与波长变化量的关系式，得到所述螺旋光纤光栅传感器阵列的曲率；光纤光栅传感器的曲率与波长变化量之间的关系式为：

k_n＝pΔλ_n+q (1)

式中，k_n表示圆弧的曲率，Δλ_n表示不同曲率下的光栅点在最大处的波长变化量，p表示光栅点的曲率与波长变化量之间的比例系数，q为标定过程中得到的误差值；

获取曲率方向步骤：基于所述螺旋光纤光栅传感器阵列的波长变化量，利用光纤光栅传感器的轴向应变与波长变化量的关系式，得到所述螺旋光纤光栅传感器阵列的轴向应变，并基于所述螺旋光纤光栅传感器阵列的轴向应变和曲率，得到所述螺旋光纤光栅传感器阵列的曲率方向；光纤光栅传感器的轴向应变与波长变化量之间的关系式为：

ε_a,x＝aΔλ_x+b (2)

ε_a,x为光栅点的轴向应变值，Δλ_x为光栅点在最大处的波长变化量；获取空间形状步骤：基于所述螺旋光纤光栅传感器阵列的曲率和曲率方向，得到柔性机器人的空间形状。