CN101427909A - 一种接触面形变的传感方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种接触面形变的传感方法和装置，本发明涉及机械量传感领域，尤其接触面形状及其变化的触觉传感。对于触觉传感，一般都是传感压力，本发明是传感接触面的形状变化，如皮肤接触物体感知物体的形状及其变化。采用光学的方法，由拍摄所投射的标记的位置变化来测接触面的变化。

Description

一种接触面形变的传感方法和装置

技术领域：

本发明涉及机械量传感领域，尤其接触面形状及其变化的触觉传感。

背景技术：

对于触觉传感，一般都是传感压力，本发明是传感接触面的形状变化，如皮肤接触物体感知物体的形状及变化。对于曲面的形状传感一般都是静态，本发明是动态，且可接触施压。典型的现成的传感器技术难以适用的是中医切脉传感，难以有效地传感面的变化和模拟实况。

发明内容：

本发明传感接触面的形状变化的基本方法示例：如图1在与1被测对象表面接触的2传感器接触面的背面(称为标记区，最好是漫反射的)，从上部4标记发射源以一定角度投射标记到标记区，在另一角度用5摄像装置拍摄3标记投影，以标记阵列在摄像装置靶面的位置(或其变化)，可以推算各标记投影的空间位置(或其变化)，确定每个标记中心位置近似坐标，拟合后即成整个曲面。

另外，如果在标记区投射双缝的干涉条纹作为标记，则投影点的和双缝的距离与投影点的干涉条纹粗细成正比，据此也可以推算该投影点当前所处位置。

根据上述被确定空间位置的投影点，可以运算构成整个曲面，可以表达为整个曲面的动态变化；也可以根据这些数据作图像处理、模式识别等帮助我们了解曲面变化的性状特征；不经坐标计算，直接观看或放大观看拍摄的图像，观察接触面的变化，也是应用的一种方式。

以初始平面或未触压时的状态所拍摄的标记阵列图像为基础，根据发射源、摄像装置和标记投影面的位置关系，发射源所发射光线本身在标记面投影的变化情况(微小的可以忽略)，计算实际工作时的各个标记点位置。例如，从参照点数起，第n行、第m列的那个标记投影，从原来标记区初始平面时的位置(摄像装置靶面的第j行第k列像素)变为靶面的第j1行第k1列像素，则可以计算出该点的空间位置，具体的计算这里不作推演，也可以不论初始状态直接计算，可参考三角测距法。

标记的排列的确定，是以标记在不变位置的投影点为参照基点(如图2的4标记起始定位参照点，在筒体与接触面连接的边缘)，来逐个确定其他各个在变动面上的标记点，标记的投影例如可以象国际象棋似的黑白块交叉或有色(光)无色(光)交叉，或不同颜色交叉也可。对于有明确边界的标记投影阵列，也可以通过判别边界来确定其排列。

标记的投射方法：

1、图案直接用光投射。即前面是透光和不透光相间的图案(例如象国际象棋棋盘)，后面用光照射，使图案投影到标记面上。也可以使用能透过不同颜色光的膜块交叉，例如相似图像传感器靶面的RGB排列等，但用单色光可以使光学设计简单。

2、用互相垂直的光的干涉条纹投射。

a)以不同频率的光分别投射出互相垂直的2组干涉条纹，2种颜色条纹相叠处变为新的第3种颜色块，加上暗条纹块和原来2色的块，作为标记点。

b)或互相垂直的双缝以相同颜色的光分2次投射采样，2帧近似合成。

或者以条纹序号作为条纹坐标，与实际像素位置配合计算。起始条纹的确定可以借助筒与传感面连接的边缘上的固定不动点的特殊标记。

3、也可以用光栅编码投射或莫尔条纹等。计算也如上有标记投影的排列定位及空间高度位置计算。

另，干涉条纹粗细间隔会随投影距离变化，这本身也可以作为计算投影距离的依据，从而可以推算投影点坐标。

接触面上的凸起峰阻断入射光线和投影拍摄问题的解决：首先，如果具体应用的峰坡的切向角度不太大，阻断不了。如果有影响，我们可以设立多个发射源交错覆盖，例如：

1、对于发射标记的实现方法，3个角度分别发射三种颜色的标记(例如R、G、B)，分别计算其标记阵列的各个标记坐标，既可以增加密度从而提高精细度，又可以互相补充被阻断光线的缺失。

2、对于光的干涉条纹的实现方法，则可以在另一个对边放置另外一对光的干涉条纹发射装置，以不同频率的光源发射。这样分别以4种光色阵列定坐标，作用和上面发射标记相同。唯4种频率干涉光条纹组合相交，会生出多种颜色需要区分清楚。

3、以上2种方法都可以改为在时间上交错发射，这在摄像头的拍摄帧速率足够的情况下可以使用。即先以第一种角度投射拍摄，再换第二种角度投射拍摄，如此在摄像帧速允许的情况下，可换多种角度拍摄。没有上面2种方法的颜色交叉处理问题。对一种角度拍摄中缺失的点可以其他角度拍摄的弥补，虽然时间上并不完全同时，但可以根据前后帧平滑补上。可以采用一种颜色的光投射，这也降低了光学设计要求。

上面的方法，为保证传感接触面波动时的测量精度，对光学系统和摄像、投射均要求有较高的分辨率(且靶面上的像素要尽量大)和加工精度。我们还有一个方法可以降低上述要求，而保证精度；或在上述要求不变的情况下提高精度。那就是增加单位时间的采样帧数，譬如原来25帧/秒，现在提高到500帧(图像传感器及后续电路允许的情况下)，相当于原来的一帧可以用20帧的数据来产生，那么，这个20帧的数据可以投射各种不同画面的标记，例如：

1、对于图案投射，可以从各个角度投射(增加各种形状下的覆盖率和各个方向时的变化灵敏度的平衡)，相同的图案错位投射(有不同的标记中心点，从而增加坐标点的密度)，或同样分布的不同的图案投射(使各图标的中心定位更准确)。也可以综合运用。这样可以在原系统上大大提高精度，或精度不变而光学系统等的要求降低。

2、对于用光的干涉条纹的方法，不仅可以不同的角度设多对投射，还可以在同一投射装置上发射多种频率颜色的光，这样干涉条纹的粗细会发生变化，相当于投射不同的图案。颜色变化可以籍点亮不同颜色的发光二极管，或控制可变频率颜色的发光二极管变化不同颜色发射。也可以有其他的变化方案来产生不同投影图案。同样可以提高精度或降低光学的设计要求。唯多色方案可能增加光学消色差等的难度。

以上标记的投射和摄像都最好有远心光路的配合，否则测量精度可能差一些。这部分光学系统在图示中没有画上。本装置也可以作其他的光路变换。如精度许可还可允许一定范围内的畸变，不做远心光路。

附图说明

图1是基本方法示意说明

图2是结构示意，2种标记发射源都画上了，实际仅选择用其中之一种就可以了。

图3为配备3套不同方向的标记投射

图4为配备2套不同方向光的干涉条纹投射

具体实施方式

图2、图3和图4是具体装置的形式结构示意，筒体是刚体，内里的透明体可以是透明气体或透明液体或透明弹性体，筒体上盖可以是平玻璃片或透明塑料、有机玻璃等透明类物体，也可利用做成摄像装置用的透镜，图2方形筒体的下面是近似圆柱的侧面作为传感器接触面，即图1的2传感器接触面，与筒体密封连结，制作简单，对标记定位也方便，与刚性筒体连接处的角上就可以定位参照基准点，其他标记依此定位，可以标一点特别的颜色在其上如白点或黑点或特殊颜色点等，便于摄像后识别。其他的各个标记的位置，都以与参照点的排列位置来定位，当然，也可以自动搜索标记阵列的边界来定位，而阵列与筒体的位置关系是可以固定的。图2方形筒体也可以做成圆柱等柱体，下面的接触面可以是球面的接触面。

标记的投射源和光的干涉条纹的发射源可以在透明封盖的上面。当然，也可以避开这个封盖直接探入，唯对于筒内充气体和液体的的情况需要另加密封，不如整个在大封盖的上面简洁。

投射标记的制作，例如可以用铬版(光掩膜版)来制作，产生干涉条纹的双缝也可以这样制作。也可以平面镀膜后再激光加工等及其他做法。

本发明的典型应用是脉搏传感，与人指切脉的触感相似，视觉与触觉可以对应。与前人的指感描述可以对应。提供了一个比较全面的记录手段，和作为脉象自动辨识判断的较全面的数据基础。

但本发明的应用面是很广泛的，具体实现方式也是很多样的，以上的举例并不表示其实现的方式只有这些。

本发明包含所有这些处于权利要求范围内的选择、修改、变化，而不止于举例的范围。

Claims (10)

1.一种接触面形变的传感方法和装置，其特征在于，光学投射标记阵列到传感器接触面的背面标记区，用摄像装置拍摄标记区，以感知被测对象的表面形状变化。

2.如权利要求1所述，光学投射标记阵列，其特征在于，将透光和不透光相间的标记阵列投射到标记区。

3.如权利要求1所述，光学投射标记阵列，其特征在于，将光的干涉条纹投射到标记区。

4.如权利要求3所述，将光的干涉条纹投射到标记区，其特征在于，投射2组互相近似垂直的光的干涉条纹。

5.如权利要求4所述，投射2组互相近似垂直的光的干涉条纹，其特征在于，用2套这样的装置，以不同色光同时或同样色光不同时间来投射。

6.如权利要求2所述，投射，其特征在于，以多套这样的的装置分别不同角度投射，各套以不同色光为光源或用同样色光不同时间投射。

7.如权利要求1所述，感知被测对象的表面形状变化，其特征在于，可以直接观看或选择放大后观看。

8.如权利要求1所述，感知被测对象的表面形状变化，其特征在于，由标记位置的变化推算标记区各个标记投影所在的空间位置。

9.如权利要求1所述，感知被测对象的表面形状变化，其特征在于，据干涉条纹的变化推算投影所在的空间位置。

10.如权利要求1所述，感知被测对象的表面形状变化，其特征在于，以表面被确定位置的点的坐标拟合出整个曲面形状。

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