CN101344374B - 纹理测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种测量物体表面信息的纹理测量装置，包括：探针，在物体上移动时与物体保持接触；第一传感器单元，位于该探针上，用来检测沿垂直于探针纵向的方向作用于该探针上的力；第二传感器单元，位于该探针后部，用来检测沿探针纵向作用于该探针上的力。该装置还包括第三传感器单元，位于该第一传感器单元和该第二传感器单元之间，用来检测作用于该探针上的力的变化。

Description

纹理测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种纹理测量装置和方法，更具体地说，涉及一种能够基于作用于探针的表面力获得物体表面的可触摸信息，进而获得该物体的表面信息的纹理测量装置和方法。

背景技术

能够使用户在虚拟空间中感觉到现实感的技术统称为“真实界面(Tangible Interface)”，一个包括用户、虚拟现实以及真实世界的空间新概念叫做“真实空间(tangible space)”。

为了实现该真实空间，首要的事情是规划(project)及反映其上的真实生活空间。同时，为了让用户在实现于计算机的计算机空间(cyberspace)中感觉到真实，需要同时提供对于不同感觉的刺激。也就是说，需要融合诸如视觉、触觉、听觉等复杂的感觉并提供给用户。由于人类总是通过视觉来辨认物体和环境，因此由视觉传感器获取的信息是描述和辨认物体时重要的信息之一。

一个未知物体的三维数据通过利用视觉传感器获取的信息重新储存并且被提供给该虚拟空间，从而构建该虚拟空间，但是这对于想要精确认知未知物体的用户来说是不够的。比如，在黑暗或者光强不够的环境中，利用视觉传感器来精确辨认物体是不可能的。而且，只有在物体后侧额外增加一个摄像机或者使用一种能够探测物体后侧的雷达，才可能辨认不在视线范围内的物体后侧。此外，通过视觉很难辨认物体表面的纹理或者局部形貌。

为了实现精确的真实空间技术，需要发展一种能够基于真实空间的触觉信息和视觉信息实现用户的刺激和行为的技术。特别是，作为实现真实空间的先决条件，需要一种在真实世界中能够通过探测物体的纹理和局部形貌来提供有形信息的触觉传感器。

传统地，物体纹理(例如：表面粗糙度)的测量仅通过由光学摄像机获得的物体表面的视觉信息来完成，这将导致精度上的偏差。优选地，还有一种方法是激光照射到物体表面，物体表面的信息根据该物体的反射信息来测量。然而，根据这种方法，还是不能得到物体表面纹理测量的足够精度。

同时，现有许多触觉传感器能够提供物体表面的触觉信息，但是由于造价、可靠度以及结构复杂度的因素不能广泛投入使用。此外，利用传统触觉传感器进行的研究多集中在对于物体形貌静态辨认的实现上。因此，传统的触觉传感器虽然可以表达物体的接触位置或者接触力，然而却不能根据表面粗糙度精确表达动态变化，如纹理。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种能够精确表达物体三维纹理的纹理测量装置和方法。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种测量物体表面信息的纹理测量装置，该装置包括：探针，在该物体表面上移动时保持与该物体接触；第一传感器单元，位于该探针上，用来检测沿垂直于该探针纵向的方向上作用于该探针上的力；第二传感器单元，位于该探针的后部，用来检测沿该探针纵向上作用于该探针上的力；第三传感器单元，位于该第一传感器和第二传感器之间，用来检测作用于该探针的力的变化。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种测量物体表面信息的纹理测量装置，该装置包括：圆柱形壳体；固定于该壳体前端部分的主体(main body)；棒形探针，位于该主体中心沿该圆柱形壳体中心轴线；应变片，位于该探针上，用来检测沿垂直于探针纵向的方向上作用于该探针上的力；力传感器，位于该探针后部，用来检测该探针纵向上作用于该探针上的力；位于该应变片与该力传感器之间的一个或者多个压电薄膜，用来检测作用于该探针上的力的变化。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种测量物体表面信息的纹理测量方法，该方法包括：移动探针并保持探针与物体表面接触；根据沿垂直于探针纵向方向作用在探针上的力、沿探针纵向作用在探针上的力以及作用在探针上力的变化产生信号。

根据本发明的另一个方面，通过测量物体的静态表面力和动态表面力可以精确测出物体的表面粗糙度。此外，该纹理测量装置具有紧凑的构造，方便用户使用。该装置可由紧凑的通用装置来实现，也可用于难以进入的狭窄空间。

附图说明

本发明的上述特征在以下实施例结合附图的描述中将更加明显，其中：

图1是本发明一个实施例中纹理测量装置的使用状态视图；

图2是图1中纹理测量装置的分解透视图；

图3是图1中纹理测量装置的局部侧视图；

图4是本发明另一个实施例中纹理测量装置的局部透视图；

图5是本发明中纹理测量装置的电路模块的透视图；

图6是本发明中纹理测量装置用来解释信号流向的示意图；

图7描述了本发明中纹理测量装置在鼠标垫上移动的表面力测量结果；

图8描述了本发明中纹理测量装置在粗糙的布上移动的表面力测量结果；

图9描述了阶跃输入(step input)被施加于本发明中纹理测量装置的测量结果；

图10描述了本发明的纹理测量装置在鼠标垫上轻敲时的测量结果；

图11描述了本发明的纹理测量装置在桌子上轻敲时的测量结果；

图12描述了本发明的纹理测量装置在桌子上移动时的测量结果，其中该桌子上以规则间隔粘有磁带。

具体实施方式

本发明的实施例将结合附图中的标记来做详细描述。

图1是本发明一个实施例中纹理测量装置的用户状态视图；图2和图3分别是图1中所示的纹理测量装置的分解透视图和局部侧视图。

根据图1，纹理测量装置100具备笔状结构以便于掌握(gripping)。具体来讲，该纹理测量装置100包括圆柱状壳体10和探针20。该探针20设计为凸出于该圆柱状壳体10的前端以与物体直接接触。

正如图2和图3所示，该纹理测量装置100进一步包括：置于该壳体10中的主体30；位于该探针20上的第一传感器单元40；位于该探针20后部的第二传感器单元50；位于该探针20与该第二传感器单元50之间的第三传感器单元60。

该圆柱状壳体10具有内层11，例如由铜制成，用来抑制噪音的产生。该壳体10可由塑料制成，并具有圆形截面以易于掌握。然而，该壳体10截面的形状不限于圆形，可以是如矩形等的各种形状。

电路模块70装于该壳体10的内部，用来控制由传感器单元40、50和60产生的信号。该传感器单元40、50和60通过多根电线(未示出)与模块70相连。

该主体30插入该壳体10的前端部分并且由诸如螺钉之类的连接构件(未示出)固定。该主体30具有一圆环31和一对翼板31，该翼板32由该圆环31的外表面向后延伸。在每个翼板32的端部，形成一槽33。

中心具有一孔的圆盘轴承34固定于该主体30的前部，以便探针20可沿轴向移动的同时限制径向移动。

该探针20是沿该圆柱状壳体10的中心轴线伸长的棒，位于该主体30的中心并且穿过该轴承34中的孔。在该探针20的后端，压板21均匀压在稍后将描述到的第三传感器单元60上。压板21优选矩形，可以是如圆形等的其他形状。

在探针20上，该第一传感器单元40用来检测垂直于该探针20纵向(图3中的Y轴方向)之方向(图3中的X轴方向)的力。可以是应变片的该第一传感器单元40粘贴于该探针20的表面。同时，该探针20具有一个或多个，比如说四个扁平部分22，以便该应变片可以容易地贴于该探针20的表面。

此外，可以贴一对应变片来精确检测该探针20的变形。用这种方法，优选贴于两个扁平部分22上的该应变片彼此相邻。

在该压板21的后部，该第二传感器单元50用来检测作用于该探针20纵向上的力。该第二传感器单元50，可以是一种已知的力传感器，固定于一固定板51的上表面。在该固定板51的侧表面，形成一对接收槽52，其中，该壳体30的翼板32位于该接收槽中。

在该固定板51的侧表面形成接收槽52的每一部分，形成一个用来插入螺栓53的螺栓孔54。利用这种结构，如果该壳体30的翼板32置于该固定板51的接收槽52中，则螺栓53通过槽33插入螺栓孔54中并紧固，该壳体30及固定板51彼此耦接。

该第三传感器单元60位于该压板21和该第二传感器单元50之间，用于检测沿探针20的纵向和沿垂直于该探针20的纵向之方向作用于该探针20的力的变化。该第三传感器单元60可以是一在力改变时产生电压的压电薄膜。该压电薄膜可由PVDF(polyvinylidence fluoride)构成。

该第三传感器单元60在一缓冲档(bumper)61之上，可由一硅材料制成的保护层62所覆盖，以保护该第三传感器单元60免受外部冲击。

此外，在该保护层62中可埋置若干该第三传感器单元60；传感器单元60A沿该探针20的纵向布置，传感器单元60B沿垂直于该探针20的纵向之方向布置。这样可以检测沿探针20的纵向及垂直于该方向之方向的力的变化。

中心具有通孔81的盖80被固定于该壳体10上，用来保护该纹理测量装置100中除该探针20外的上述全部部件免受外部冲击。

图4为本发明另一实施例中纹理测量装置的局部透视图。

除了还包括一轴承90外，本实施例中的纹理测量装置200与第一实施例基本相同。因此，在下面的描述中，为了简便，凡在第一实施例中有过详细描述的均不再赘叙。

该轴承90位于该探针20和该圆环31之间。该轴承90因具有沿其周边方向的开口91而具有弹性。如果力沿纵向作用于该探针20上，则该轴承90发生变形来允许该探针20沿纵向的运动。如果移去作用于该探针20上的力，轴承90恢复使得该探针20恢复到其原始位置。也就是说，该轴承90像弹簧一样弹性支撑该探针20。

图5是本发明中纹理测量装置的电路模块的透视图，图6是用来解释本发明中纹理测量装置中信号流向的示意图。

接下来，详细描述本发明实施例中的纹理测量装置的操作。

根据图2、4、5和6，如果将该纹理测量装置100或者200中的探针20置于物体表面并移动，有一具体的力作用于该探针20，则探针20发生变形。这里，作用于探针20的力被分解为沿探针20纵向的力(以下称为“纵向力”)以及垂直于所述探针20的纵向之方向的力(以下称为“垂直力”)。

第一传感器单元40检测该垂直力引起探针20的屈曲，从而来测量该垂直力。当使用应变片作为第一传感器单元40，该第一传感器单元40根据应变片因该屈曲而发生的阻抗变化产生一个电压信号。该电压信号可利用已知的惠斯通电桥(wheatstone bridge)电路产生，所述产生的信号通过第一放大器71放大。

第二传感器单元50检测由探针20的压板21施加的纵向力，来产生电压信号。该电压信号由第二放大器72放大。该第二放大器72可选用差分放大器。

该第三传感器单元60检测由探针20的压板21施加的力的变化。也就是说，该第三传感器单元不测量该力的绝对值，而是测量该力的变化程度。相应地，当施加不变的力时，该第三传感器单元60不产生信号。如前所述，PVDF压电薄膜可用作第三传感器单元。当力改变的时候，该PVDF压电薄膜产生电压。所产生的电压信号经第三放大器73放大。该第三放大器可采用电荷放大器。

经第一至第三放大器71～73放大的信号由A/D转换器74转化为数字信号。该信号被传输至可以由计算机执行的300，比如，通过无线通讯的蓝牙模块75。虽然图6所示的例子中显示该纹理测量装置1 00或200通过无线通信传输转换的数字信号，但是本发明不限于此，也可由有线通信传输该转换的数字信号。

在使用无线通信的情况下，A/D转换的采样率限于3kHz。然而，关于神经心理学的研究已有报导，触觉信息由低频振动信号传输。而且，关于触觉传感器的研究所用的采样率低于1kHz。相应地，采样率为3kHz的A/D转换可具有足够的精度。在使用有线通信的情况下，采样率没有限制，可以用高的采样率，比如25kHz。

计算单元300基于接收到的信号计算该垂直力、纵向力以及力的变化。基于该垂直力和纵向力，可计算物体表面的摩擦系数，基于该计算结果，可以评估该物体表面的粗糙度。

同时，当该纹理测量装置100或200定位于垂直于物体表面时，该垂直力与切向表面力相等，纵向力与法向表面力相等。相应地，在这种情况下，摩擦系数可基于分别由第一传感器单元40和第二传感器单元50检测的垂直力和纵向力计算。然而，当该纹理测量装置100或200相对于表面的法向倾斜一个特定角度，需要抵消分别由第一传感器单元40和第二传感器单元50检测的垂直力和纵向力。

下面将描述本发明利用该纹理测量装置100得到的物体表面信息的测量结果。

图7和图8分别描述本发明中纹理测量装置在鼠标垫上以及在粗糙的布上移动的表面力测量结果。

具体地，图7和图8分别描述本发明中利用纹理测量装置100在鼠标垫上以及在粗糙的布上移动三次的表面力测量结果图。在图7和图8中，第一至第三行图像分别表示第一至第三次表面力测量结果。

这里，利用切向表面力和法向表面力计算物体表面的摩擦系数μ。

如图7和图8所示，粗糙布的摩擦系数μ大于鼠标垫的摩擦系数，粗糙布的摩擦系数变化量也大于鼠标垫的摩擦系数变化量。也就是说，由于其纤维纹理的不同，粗糙的布表面比鼠标垫表面稍粗糙。

物体的表面粗糙度可利用上述摩擦系数μ来测量，本发明的纹理测量装置也可以利用第三传感器单元(PVDF压电薄膜)来测量施加于物体的表面力的动态响应。

图9描述了本发明中阶跃输入被施加于该纹理测量装置时的测量结果。

如图9所示，虽然当施加阶跃输入时法向表面力是常量，然而PVDF输出在阶跃输入的起点和终点有特定峰值，比如，力发生改变的点。这样，当本发明的纹理测量装置100沿物体表面移动的时候，如果表面改变使得作用于探针20上的力发生改变，该第三传感器单元60检测这种改变并且产生一个信号。

图10和图11分别描述了本发明中的纹理测量装置在鼠标垫或者硬桌上轻敲时的测量结果。

如图10和图11所示，该纹理测量装置在硬桌上轻敲时，PVDF输出的峰值和法向表面的峰值比在鼠标垫上轻敲时PVDF输出的峰值和法向表面的峰值要大。这是因为鼠标垫的纹理比桌子的纹理软。

图12描述了本发明的纹理测量装置在桌子上移动时的测量结果，该桌子上等间隔粘贴有磁带。

如图12所示，PVDF输出在从部分A(在软的磁带上移动)到部分B(在桌子上移动)的转折点处具有峰值。此外，法向表面力在部分A和部分B之间的区域C上显示出强烈的响应。这样本发明的纹理测量装置就可以利用该第三传感器单元60(如压电薄膜)来得到该表面的动态响应，从而精确测量该物体的表面纹理。

虽然考虑实施例显示和描述了本发明，应该理解到，在不偏离下面权利要求所定义的本发明的范围内，本领域的技术人员可以作出各种改变和修改。

Claims (22)

1.一种测量物体表面信息的纹理测量装置，所述装置包括：

探针，在物体表面移动同时与所述物体保持接触；

第一传感器单元，位于所述探针上，用来检测沿垂直于探针纵向的方向作用于所述探针上的力；

第二传感器单元，位于所述探针后部，用来检测沿探针纵向作用于所述探针上的力；

第三传感器单元，位于所述第一传感器单元和所述第二传感器单元之间，用来检测作用于所述探针上的力的变化；

其中，利用所检测到的作用于所述探针上的力的变化来测量所述表面的动态响应；

其中，所述探针由轴承支撑，所述轴承具有弹性，允许所述探针沿其纵向运动；

其中，所述轴承在其上任一侧具有一开口，使得当作用于探针上的力移除后，所述探针恢复到其原始位置。

2.如权利要求1所述的纹理测量装置，其特征在于，所述第一传感器单元包括应变片。

3.如权利要求1所述的纹理测量装置，其特征在于，所述第三传感器单元包括压电薄膜。

4.如权利要求3所述的纹理测量装置，其特征在于，所述压电薄膜由聚偏氟乙烯(polyvinylidene fluoride)构成。

5.如权利要求3所述的纹理测量装置，其特征在于，所述压电薄膜由保护层所覆盖。

6.如权利要求5所述的纹理测量装置，其特征在于，所述保护层由硅构成。

7.如权利要求1所述的纹理测量装置，其特征在于，所述装置还包括：

计算单元，用来利用作用于所述探针上的力计算所述物体表面的摩擦系数，并且利用力的变化计算所述物体表面力的动态响应。

8.一种测量物体表面信息的纹理测量装置，所述装置包括：

圆柱形壳体；

主体，固定于所述壳体前端部分；

棒状探针，沿所述圆柱形壳体中心轴线位于所述主体中心；

应变片，位于所述探针上，用来检测沿垂直于探针纵向的方向上作用于所述探针上的力；

力传感器，位于所述探针后部，用来检测沿探针纵向作用于所述探针上的力；以及

一个或多个压电薄膜，位于所述应变片和所述力传感器之间，用来检测作用于所述探针的力的变化；

其中，利用所检测到的作用于所述探针上的力的变化来测量所述表面的动态响应；

其中，所述主体具有用来支撑所述探针的轴承，所述轴承具有弹性，允许所述探针沿所述探针的纵向运动；

其中，所述轴承在其上任一侧具有一开口，使得当作用于探针上的力移除后，所述探针恢复到其原始位置。

9.如权利要求8所述的纹理测量装置，其特征在于，所述探针包括位于其后端的压板。

10.如权利要求8所述的纹理测量装置，其特征在于，所述开口沿所述轴承的周边方向形成。

11.如权利要求8所述的纹理测量装置，其特征在于，所述主体包括圆环和由所述圆环的外部周边表面向后突出的一对翼板。

12.如权利要求11所述的纹理测量装置，其特征在于，所述力传感器置于一固定板之上，所述固定板具有放置所述翼板的接收槽。

13.如权利要求12所述的纹理测量装置，其特征在于，每个翼板前端均形成有槽，并且每个接收槽均有一用来插入螺栓的螺栓孔，使得所述主体和所述固定板由螺栓彼此连接。

14.如权利要求8所述的纹理测量装置，其特征在于，所述压电薄膜由聚偏氟乙烯构成。

15.如权利要求14所述的纹理测量装置，其特征在于，所述压电薄膜由硅层所保护。

16.如权利要求15所述的纹理测量装置，其特征在于，在所述压电薄膜中，其中一些沿着所述探针纵向布置，另一些沿着垂直于所述探针纵向的方向布置。

17.如权利要求8所述的纹理测量装置，其特征在于，所述壳体具有防止噪音发生的内部层。

18.如权利要求17所述的纹理测量装置，其特征在于，所述内部层由铜制成。

19.一种测量物体表面信息的纹理测量方法，所述方法包括：

通过轴承支撑探针，所述轴承具有弹性，允许所述探针沿所述探针的纵向运动；

移动所述探针同时保持探针与所述物体表面接触；

根据沿垂直于所述探针纵向的方向作用于所述探针的力、沿所述探针纵向作用于所述探针的力、以及作用于所述探针上的力的变化，产生信号；以及

利用作用于所述探针上的力计算所述物体表面的摩擦系数，以及利用所述力的变化计算物体表面力的动态响应；

其中，所述轴承在其上任一侧具有一开口，使得当作用于探针上的力移除后，所述探针恢复到其原始位置。

20.如权利要求19所述的纹理测量方法，其特征在于，相应于沿垂直于探针纵向的方向施加于所述探针上的力的信号，由所述探针上的应变片产生。

21.如权利要求19所述的纹理测量方法，其特征在于，相应于沿探针纵向施加于所述探针上的力的信号，由所述探针后面的力传感器产生。

22.如权利要求19所述的纹理测量方法，其特征在于，相应于施加于所述探针上的力的变化的信号，由聚偏氟乙烯构成的压电薄膜产生。

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