1.一種基于螺旋光纖光柵傳感器陣列的形狀檢測裝置,其特征在于,用于檢測柔性機器人的空間形狀,包括:螺旋光纖光柵傳感器陣列、光纖光柵解調儀、數據采集與形狀重建設備和顯示設備;其中:
所述螺旋光纖光柵傳感器陣列包括螺旋纏繞在所述柔性機器人上的單個光纖光柵傳感器,所述單個光纖光柵傳感器包括多個光柵點;
所述光纖光柵解調儀,連接所述螺旋光纖光柵傳感器陣列,向所述螺旋光纖光柵傳感器陣列發射激光,接收經過所述光柵點后返回的激光,并解調出返回激光的波長;
所述數據采集與形狀重建設備,連接所述光纖光柵解調儀,接收所述光纖光柵解調儀解調出的返回激光的波長,對所述返回激光的波長進行分析和重建,得到所述柔性機器人的空間形狀。
2.如權利要求1所述的形狀檢測裝置,其特征在于,
所述光纖光柵傳感器包括單根光纖,所述單根光纖分為順時針螺旋段和逆時針螺旋段,所述順時針螺旋段和逆時針螺旋段分別均勻分布有N個光柵點,所述N大于或等于2。
3.如權利要求2所述的形狀檢測裝置,其特征在于,所述光纖光柵傳感器還包括一根鎳鈦合金絲,沿所述鎳鈦合金絲的軸線開有矩形槽,所述光纖粘貼在所述矩形槽中;或者,所述光纖光柵傳感器還包括兩根鎳鈦合金絲,兩根鎳鈦合金絲沿其軸線固定在一起,光纖粘貼在兩根鎳鈦合金絲形成的夾角處,對應于所述光纖光柵傳感器的順時針螺旋段和逆時針螺旋段。
4.如權利要求3所述的形狀檢測裝置,其特征在于,沿柔性機器人的第一軸線方向,所述光纖光柵傳感器的順時針螺旋段沿順時針方向纏繞在所述柔性機器人上,沿所述柔性機器人與第一軸線方向相反的第二軸線方向,所述光纖光柵傳感器的逆時針螺旋段沿逆時針方向纏繞在柔性機器人上,形成N組檢測點,每組檢測點包括所述光纖光柵傳感器順時針螺旋段的一個光柵點和逆時針螺旋段的一個光柵點,該兩個光柵點位于所述柔性機器人的同一個圓周截面上且形成一個夾角。
5.如權利要求4所述的形狀檢測裝置,其特征在于,所述光纖光柵解調儀向所述光纖發射激光,所述激光經過光柵點后波長會發生變化,所述光纖光柵解調儀接收所述光纖返回的激光,并解調出所述光纖返回的激光的波長。
6.基于螺旋光纖光柵傳感器陣列的形狀檢測方法,其特征在于,利用權利要求1所述的形狀檢測裝置檢測柔性機器人的空間形狀,包括:
獲取中心波長步驟:獲取螺旋光纖光柵傳感器陣列的中心波長;
獲取波長變化量步驟:獲取所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的檢測波長,并基于所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的中心波長和檢測波長得到所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的波長變化量;
獲取曲率步驟:基于所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的波長變化量,利用光纖光柵傳感器的曲率與波長變化量的關系式,得到所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的曲率;
獲取曲率方向步驟:基于所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的波長變化量,利用光纖光柵傳感器的軸向應變與波長變化量的關系式,得到所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的軸向應變,并基于所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的軸向應變和曲率,得到所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的曲率方向;
獲取空間形狀步驟:基于所述螺旋光纖光柵傳感器陣列的曲率和曲率方向,得到柔性機器人的空間形狀。
7.如權利要求6所述的形狀檢測方法,其特征在于,
在所述獲取中心波長步驟中,所述柔性機器人插入自然腔道前,向所述螺旋光纖光柵傳感器陣列通入激光,并將經過光柵點返回的激光波長作為中心波長;
在所述獲取波長變化量步驟中,將所述柔性機器人插入自然腔道中,向螺旋光纖光柵傳感器陣列通入激光,將經過光柵點返回的激光波長作為檢測波長,所述檢測波長減去中心波長得到光柵點的波長變化量。
8.如權利要求6所述的形狀檢測方法,其特征在于,在所述獲取曲率方向步驟中,
將螺旋光纖光柵傳感器陣列的光柵點波長變化量代入軸向應變與波長變化量的關系式,得到螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的軸向應變;將所述螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的軸向應變和曲率代入軸向應變關系式,得到螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的曲率方向。
9.如權利要求6所述的形狀檢測方法,其特征在于,在獲取空間形狀步驟中,
將螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的曲率和曲率方向轉換為光柵點的空間三維坐標;基于螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的空間三維坐標,采用插值或線性擬合的方式,重建出柔性機器人的空間形狀。
10.如權利要求6所述的形狀檢測方法,其特征在于,還包括:獲取扭轉信息步驟:
將螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的波長變化量代入光纖光柵傳感器的總應變與波長變化量的關系式,得到螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的總應變;將螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的總應變和軸向應變代入應變關系式,得到螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的扭轉應變;根據扭轉應變與扭轉信息之間的關系式,得到螺旋光纖光柵傳感器陣列光柵點的扭轉信息。