CN110455454A - 一种基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置，该方法包括：获取柔性透明微柱阵列受三维力作用后的形变图像，将形变图像输入至解耦网络模型，输出所述三维力的感知数据。解耦网络模型是基于柔性透明微柱阵列受标准三维力作用后的样本形变图像以及对应的识别标签进行训练后获得的。该装置包括：图像传感器、柔性透明微柱阵列和图像处理单元。本发明提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置，通过采集柔性透明微柱阵列的形变图像，使用神经网络等智能算法基于该形变图像，完成对三维力解耦，最终实现三维力的测量，实现了传感器的小型化和高度集成化，对侧向力的检测灵敏，并且解耦方便的优点。

Description

一种基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及智能感知技术领域及柔性触觉传感器领域，更具体地，涉及一种基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置。

背景技术

随着自动化技术的高速发展，研究单维的正压力传感器的技术相对成熟，但是无法完成对于空间多维力的精确测量成为制约工业自动化的一个瓶颈。比如，在智能机器人应用方面，如果需要机器人精准地完成各种精细、高难度的工作时就必须要求其能够精确检测空间多维力，并要求测量装置在兼顾三维力测量的同时，其触觉传感器像真正的人手一样具有柔韧性，因此，柔性三维力触觉传感器的研制迫在眉睫。

目前，柔性三维力传感器，目前主要有应变式、压电式、电容式和压阻式这几类，其中，应变式传感器普遍柔性较差，不适合机器人的柔性皮肤；压电式传感器虽然具有工作稳定、对外力响应灵敏的优点，但由于其有较大的内部阻力，从而仅适用于测量有限的动态力，而无法测量静态力；电容式传感器由于体积的限制，以致其传感电容往往较小，造成测量极容易受到寄生电容的干扰，并且其用于精确的测量电路也较为复杂，大大限制了其在实际中的应用；电阻式传感器内部交叉点多，引线复杂，这就使得其对于三维力的解耦困难。

因此，提供一种小型化、检测灵敏度高，并且解耦方便的柔性三维力检测方法及装置，对实现人工触觉的有着深远意义。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置。

一方面，本发明实施例提供一种基于视觉的多阵列点三维力测量方法，包括：获取柔性透明微柱阵列受三维力作用后的形变图像；将获取到的形变图像输入至解耦网络模型，输出三维力的感知数据；其中，解耦网络模型是基于柔性透明微柱阵列受标准三维力作用后的样本形变图像以及对应的识别标签进行训练后获得的，该识别标签是根据标准三维力预先确定的，并与上述样本形变图像一一对应。

本发明实施例的另一方面提供一种基于视觉的多阵列点三维力测量装置，该装置包括：图像传感器、柔性透明微柱阵列和图像处理单元；其中，柔性透明微柱阵列有多个柔性透明微柱组成；柔性透明微柱在三维力的作用下发生形变和弯曲；图像传感器用于采集柔性透明微柱阵列发生形变和弯曲后的图像；图像处理单元至少包括解耦网络模块，解耦网络模块用于根据获取的图像，进一步获取三维力的感知数据。

本发明提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置，通过采集柔性透明微柱阵列的形变图像，使用神经网络等智能算法基于该形变图像，完成对三维力解耦，最终实现三维力的测量，实现了传感器的小型化和高度集成化，对侧向力的检测灵敏，并且解耦方便的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法中的柔性透明微柱在受到水平力在X轴和Y轴的分配原理图；

图3为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法中的三维力测量方法解耦流程图；

图4为本发明实施例提供的另一基于视觉的多阵列点三维力测量方法流程示意图；

图5为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的另一基于视觉的多阵列点三维力测量装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置的结构的三维力测量的结构原理示意图；

图8为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱阵列的制备的工艺流程图；

图9为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱的半径随施加垂直压力变化的俯视图；

图10为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱半径随施加垂直压力变化的侧视图；

图11为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱半径的膨胀率(即形变率K)随压力变化规律示意图；

图12为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱弯曲程度随施加水平压力的变化的俯视图；

图13为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱弯曲程度随施加水平压力的变化的侧视图；

图14为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱相对弯曲率随水平力变化的曲线；

图15为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱同时施加垂直力和水平力变化俯视图；

图16为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱同时施加垂直力和水平力变化侧视图；

图17为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱阵列的尺寸图；

图18为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱阵列可行性实验验证结果图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于视觉的多阵列点三维力测量方法，如图1所示，该方法包括但不限于以下步骤：

步骤S1，获取柔性透明微柱阵列受三维力作用后的形变图像；

步骤S2，将形变图像输入至解耦网络模型，输出三维力的感知数据；其中，解耦网络模型是基于柔性透明微柱阵列受标准三维力作用后的样本形变图像以及对应的识别标签进行训练后获得的，识别标签是根据标准三维力预先确定的，并与样本形变图像一一对应。

具体地，本发明实施例所提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，其中，柔性透明微柱阵列包含多个柔性透明微柱，将所有的柔性透明微柱按实际运用需要，阵列排布构成该柔性透明微柱阵列，本发明实施例不对柔性透明微柱的排列方式作具体限定。

进一步地，在步骤S1中，当柔性透明微柱阵列中的部分柔性透明微柱在三维力的作用下发生了形变，获取柔性透明微柱阵列受三维力作用后的形变图像，本发明实施例不对如何获取该形变图像以及获取该形变图像的装置作出具体限定。

在步骤S2中，当获取柔性透明微柱阵列受三维力作用后的形变图像后，将获取的形变图像输入至已经训练完成的解耦网络模型中，基于该解耦网络模型，对获取到的图像进行分析处理，输出施加于柔性透明微柱阵列上的三维力的感知数据。

需要指出的是，上述解耦网络模型是基于柔性透明微柱阵列受标准三维力作用后的样本形变图像以及对应的识别标签进行训练后获得的，识别标签是根据标准三维力预先确定的，并与样本形变图像一一对应。

本发明提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置，通过采集柔性透明微柱阵列的形变图像，使用神经网络等智能算法基于形变图像，完成对三维力解耦，最终实现三维力的测量，实现了传感器的小型化和高度集成化，具有对侧向力的检测灵敏，并且解耦方便的优点。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，该方法中，柔性透明微柱在受到压力的作用下，会发生相应的形变，具体地，当受到水平力作用时，该柔性透明微柱会沿水平力的方向弯曲，水平力越大时，弯曲的幅度越大；当受到垂直力作用时，该柔性透明微柱的垂直投影半径相应会增大，垂直力越大时其垂直投影半径越大。

进一步地，在柔性透明微柱的弹性范围内，水平力的大小与柔性透明微柱弯曲的程度呈线性正比；垂直力的大小与柔性透明微柱垂直投影半径的变化也呈线性正比。如果同时对柔性透明微柱施加水平力和垂直力时，则该柔性透明微柱会同时出现弯曲和垂直投影半径增大的情况。本发明实施例即基于柔性透明微柱受力发生形变来测量三维力。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在执行步骤S2，将所述形变图像输入至解耦网络模型，输出所述三维力的感知数据之前，即在执行完步骤S1，获取到柔性透明微柱阵列受三维力作用时的形变图像后，先对该形变图像，利用聚焦算法进行清晰化处理。

具体地，在对柔性透明微柱阵列施加三维力后，采集到的柔性透明微柱阵列受三维力作用时的形变图像，可能由于微弱的离焦而出现模糊。本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，可以采用聚焦算法对获取到的形变图像进行清晰化处理。采用的聚焦算法，可以为：采用离焦模糊图像复原算法，比如：NAS-RIF和基于正则约束的方法等；也可以采用智能变焦以及其他智能算法等，本发明实施例不对所采用的聚焦算法作出限定，

本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，通过先对获取到的柔性透明微柱阵列进行清晰化处理，将经过清晰化处理后的图像利用解耦网络模型进行处理，最终获取到施加在柔性透明微柱阵列上的三维力的感知数据，有效的提高了解耦网络模型的处理速度和处理精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在执行步骤S2，即将形变图像输入至解耦网络模型之前，还包括向柔性透明微柱阵列施加标准三维力，并获取柔性透明微柱阵列受标准三维力作用后的样本形变图像；将样本形变图像输入至预训练解耦网络模型中，提取柔性透明微柱阵列的形变和弯曲特征，将形变和弯曲特征与标准三维力的感知数据相对应，建立识别标签；通过多次改变标准三维力的方向及大小，并获取每次改变后的柔性透明微柱阵列的形变图像；将每个不同的标准三维力与相应的形变图像的一一对应，完成对柔性透明微柱阵列受标准三维力作用后的样本形变图像以及对应的识别标签的训练，获取解耦网络模型；形变图像包括柔性透明微柱阵列的形变和弯曲特征。

具体地，本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，还包括对利用标准三维力对解耦网络模型进行预训练的步骤，包括：子步骤S11，向柔性透明微柱阵列施加标准三维力，并获取柔性透明微柱阵列受该标准三维力作用后的样本形变图像。

其中，子步骤S11中的施加标准三维力的方式，可以是：仅对柔性透明微柱阵列施加垂直力，该垂直力的大小的选取可以是：柔性透明微柱垂直方向弹性形变范围内的所能承受的力的最大值及最小值，以及最大值和最小值之间的多个抽样。也可以是：仅施加X轴的水平力或者仅施加Y轴的水平力或者同时施加垂直力或者水平力，施加的各方向力的大小的选取同垂直力大小的选取方式类似，本发明实施例对此不作具体赘述。

进一步地，在每施加一个标准三维力后，提取该三维力作用下的柔性透明微柱阵列的样本形变图像。

进一步地，本发明实施例还包括子步骤S12：将每个标准三维力下的柔性透明微柱阵列的样本形变图像输入至预训练解耦网络模型中，该预训练解耦网络模型提取柔性透明微柱阵列的形变和弯曲特征，并将获取到的柔性透明微柱阵列的形变和弯曲特征与所施加的该标准三维力的各项感知数据相对应，建立所述识别标签。

多次重复上述步骤S11-S12，需要指出的是：在每次重复的过程中改变标准三维力的方向及大小。直至完成将每个不同的标准三维力与相应的形变图像的一一对应，进而，完成对柔性透明微柱阵列受不同标准三维力作用后的样本形变图像以及对应的识别标签的训练，获取训练好的解耦网络模型。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，其中，三维力的感知数据，包括：垂直力分量、水平力X轴分量和水平力Y轴分量。

结合图3，当获取三维力作用于柔性透明微柱阵列后的形变图像，利用解耦网络模型对该三维力进行解耦处理的方式可以是：先进行垂直力和水平力(侧向力)的解耦，分离出垂直力分量；然后对水平力(侧向力)分量进行进一步的解耦，水平力在X轴分量以及Y轴分量的两个力可以通过柔性透明微柱阵列上的柔性透明微柱的弯曲方向和弯曲程度进行计算。如图2所示，若获取到水平力(侧向力)F，则可计算出水平力X轴分量的大小为F×cos(a)，水平力Y轴分量的大小为F×sin(a)。

进一步地，在每次获取到三维力的感知数据后，将解耦网络模型的输出结果与施加的标准三维力进行对比分析，最终获取到柔性透明微柱阵列的性能参数，如灵敏度、测量范围、耦合误差等。根据获取的上述结果，设置本发明实施例的测量精度，并可以根据实际精度需要，使用不同的柔性透明微柱阵列。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，如图4所示，本发明实施例提供一种基于视觉的多阵列点三维力测量方法，该方法包括但不限于以下步骤：

通过图像传感器拍摄获取柔性透明微柱阵列被施加三维力后的形变图像，将形变图像输入至计算机内，计算机用于对形变图像执行以下处理：首先，对输入的形变图像进行离焦模糊图像的清晰化处理，并进一步地提取经过清晰化处理的形变图像中的柔性透明微柱阵列的形变量和弯曲率等特征，然后，根据提取的柔性透明微柱阵列的形变量和弯曲率等特征对施加的三维力进行解耦；最后，输出并显示出该三维力的感知数据。

进一步地，可以通过对柔性透明微柱阵列施加标准三维力，进而通过上述方法，获取由计算机输出的三维力感知数据，并将输出的三维力感知数据与标准三维力进行对比分析，最终获取到柔性透明微柱阵列的性能参数，如灵敏度、测量范围、耦合误差等。进一步地，可以根据比对分析的结果对本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法进行反馈调整。

本发明实施例通过的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，通过利用标准三维力对解耦网络模型进行预训练，使获取到的最终三维力的感知数据更加的精准。

图5为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置的结构示意图，如图5所示，本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置包括但不限于：图像传感器401、柔性透明微柱阵列402和图像处理单元403；其中，柔性透明微柱阵列402由多个柔性透明微柱组成；柔性透明微柱在三维力的作用下发生形变和弯曲；图像传感器用于采集柔性透明微柱阵列发生形变和弯曲后的形变图像；图像处理单元至少包括解耦网络模块，该解耦网络模块用于根据形变图像，获取三维力的感知数据。

具体地，当有三维力施加于柔性透明微柱阵列402上时，位于柔性透明微柱阵列402上的受三维力作用的柔性透明微柱会发生相应的形变和弯曲。利用图像传感器采集柔性透明微柱阵列发生形变和弯曲后的图像，并将该图像输入至图像处理单元；图像处理单元中的解耦网络模块，提取接收的形变图像上柔性透明微柱阵列402的形变和弯曲特征，计算分析出三维力的感知数据。

进一步地，柔性透明微柱阵列上的柔性透明微柱是：圆柱形微柱、三角形微柱或者多边形微柱等能够受三维力发生形变和弯曲的透明柔性的柱形结构，对此本发明实施例不作具体限定。

本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置，通过采集柔性透明微柱阵列的形变图像，使用网络解耦模块基于该形变图像，完成对三维力解耦，最终实现三维力的测量，实现了传感器的小型化和高度集成化，对侧向力的检测灵敏，并且解耦方便的优点。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，柔性透明微柱的高度和相邻所述柔性透明微柱的间距由所述柔性透明微柱的直径确定。

具体地，柔性透明微柱的直径可以设置为1um到数厘米，而柔性透明微柱的高度可以根据柔性透明微柱的直径进行调整，可以为柔性透明微柱直径的0.1倍到10倍；相邻所述柔性透明微柱的间距一般根据柔性透明微柱的高度进行设置，可以为柔性透明微柱高度的0.1倍以上。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，柔性透明微柱的顶端设置有漫发射涂料。

为了实现更加清晰的对柔性透明微柱阵列中的每个柔性透明微柱的弯曲和形变状态的捕获，可以在柔性透明微柱的顶端设置漫反射涂料，该反射涂料可以为红色、黄色等鲜亮颜色，便于弯曲和形变状态的快速获取。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，如图6所示，本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置还包括平面光源和透镜模组，其中，透镜组位于柔性透明微柱阵列与所述图像传感器中间；平面光源位于图像传感器侧，用于对柔性透明微柱阵列进行照明。

具体地，为了获取更加清晰的柔性透明微柱阵列的形变图像，避免环境光的干扰，可以在测量装置的底部安装平面光源，该平面光源可以为白色LED光源，用于对柔性透明微柱阵列进行照明、补光。进一步地，为了尽可能的缩小本发明实施例提供的测量装置的体积，实现微距图像采集，可以在图像传感器和柔性微柱阵列之间可以增加透镜模组，该透镜模组用于为图像传感器提供聚焦的作用。

如图7所示，当对本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置仅施加垂直压力时，柔性透明微柱阵列中的受该三维作用的部分柔性透明微柱发生形变，向下压缩，通过导致其半径变大，位于柔性透明微柱阵列底部的图像传感器，通过透镜模组获取柔性透明微柱阵列的形变图像，并进一步根据该形变图像，获取施加的垂直压力的大小以及施力部位。进一步的当仅施加0°水平力时，图像传感器所拍摄的图像可以得出柔性透明微柱阵列中的柔性透明微柱受该三维作用的部分柔性透明微柱想水平力的方向发生了倾斜，且倾角也是0°，此时柔性透明微柱的半径并不会发生变化。

图8为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱阵列的制备的工艺流程图，如图8所示，柔性透明微柱阵列的制备方法，包括但不限于：步骤801，将光刻胶旋涂在制备容器的内表面；步骤802，将制备容器进行曝光及显影处理；步骤803，将柔性透明微柱阵列的预设图形，设置于制备容器的内表面的光刻胶上，制作柔性透明微柱阵列的模具；步骤804，将制作柔性透明微柱整列中柔性透明微柱的预聚物与硅油按设定比例均匀混合后，浇筑与模具上，并加热固化后，倒模制成柔性透明微柱阵列。

具体地，包括先制备柔性透明微柱的原材料，即PDMS复合材料，其制备方法为：将PDMS的预聚物(液态)与硅油按照需求比例放入到烧杯当中去，使用行星搅拌器将其搅拌2小时，制备出PDMS预聚物与硅油的复合物(液态)备用。

具体地，首先，进行柔性透明微柱阵列的制备，包括：用水清洗晶圆，并进一步利用等离子体再次清洗晶圆；然后将光刻胶旋涂在晶圆上，该光刻胶的型号可以为：SU-8；将旋涂光刻胶的晶圆进行曝光以及显影等处理；进一步地，将预先设计好的柔性透明微柱阵列的图形转移到光刻胶上，制作成模具；进一步地，将PDMS的预聚物与硅油的复合物和固化剂按照10：1的比例混合均匀，并在真空情况下去除气泡后，浇筑在光刻胶模具上；对模具上加热固化后，倒模形成柔性透明微柱阵列。

为了更好的印证本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置的可行，以下内容记载的为对本发明实施例中柔性透明微柱对三维力的感知仿真实验及其结果：

本发明实施例提供的柔性透明微柱阵列的三维模型参数为：柔性透明微柱的形状为圆柱形，直径为100um、高度为200um，相邻柔性透明微柱的间距为100um。

首先，分别仿真施加10mN-50mN垂直力的情况下，柔性透明微柱的形变和弯曲仿真结果，图9为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱的半径随施加垂直压力变化的俯视图、图10为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱半径随施加垂直压力变化的侧视图，如图9和图10所示，随着垂直压力的不断增大，柔性透明微柱的高度不断减小，柔性透明微柱的直径不断变大，柔性透明微柱阵列的形变系数随压力变化曲线如图11所示，柔性透明微柱阵列的形变系数和施加的垂直力呈明显的线性比例关系，因此，柔性透明微柱阵列的形变特征可以用于表征垂直力的大小。

进一步地，对柔性透明微柱仅施加水平力时的形变和弯曲情况进行仿真，图12为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱弯曲程度随施加水平压力的变化的俯视图，图13为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱弯曲程度随施加水平压力的变化的侧视图，如图12和图13所示，随着水平力的不断增大，柔性透明微柱的弯曲程度在不断的增大。图14为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱相对弯曲率随水平力变化的曲线，如图14所示，柔性透明微柱相对弯曲率与施加水平力之间定量的关系也是呈现明显的线性比例关系，因此，柔性透明微柱阵列的弯曲特征可以用于表征水平力的大小。

进一步地，同时对柔性透明微柱仅施加垂直力和水平力时的形变和弯曲情况进行仿真，其中，垂直力分别为：0.02N、0.03N和0.04N，水平力分别为0.02N、0.60N和0.1N。图15为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱同时施加垂直力和水平力变化俯视图，图16为本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量装置中柔性透明微柱同时施加垂直力和水平力变化侧视图，如图15和图16所示，在三维力(包括垂直力和水平力)的作用下，柔性透明微柱阵列形变和弯曲有明显的变化特征(X轴的形变代表垂直压力的变化，Y轴的形变代表水平侧向压力的变化)。

通过上述仿真实验，充分印证了本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置的可行性。

为了进一步证明本发明实施例提供的基于视觉的多阵列点三维力测量方法及其装置的可行性，对实际应用中采集的柔性透明微柱在受到三维力时的形变和弯曲图像进行如下分析：

首先基于上述实施例制备了柔性透明微柱阵列，其尺寸如图17所示。分别对柔性透明微柱阵列的部分区域施加垂直压力以及三维力(包括垂直力和水平力)。受力的柔性透明微柱的形变与弯曲结果如图18所示。图中点2和点4是不受任何力作用下的微柱图像，点1是在垂直力作用下图像，可以看出其在垂直力的作用下，微柱截面有明显的膨胀效应，即半径增大。点3是在垂直力和水平力共同作用下的形状变化，由于柔性透明微柱产生了弯曲，所以其界面会出现变长的现象。由此可以看出，初步的实验结果基本和理论分析结果相符。同时此实验可以进一步证明柔性透明微柱的形变可以通过底部的图像传感器进行采集，并进一步的基于采集的形变图像，获取施加的三维的感知数据，对此，本发明实施例不作赘述。

综上所述，基于视觉的多阵列点三维力测量方法及装置，该装置不需要诸如电容、电阻之类的电子元器件，因此可以有效减少测量单元的体积及传感器连线数量，能较好地实现传感器的小型化和高度集成化.同时，由于其采集的为图像信息而非电信号，也不容易受到温度或电磁干扰等外界环境的影响。同时，由于利用了阵列式柔性透明微柱作为敏感元件，并在传感器元件内自带光源，对水平力(侧向力)的检测灵敏度高，可以精确的辨识三维力的方向，并且受外界影响较小。进一步地，本发明实施例提供的三维力测量装置可以和人类皮肤一样能够贴合于不同的表面形貌的基体上，同时还能够精准、迅速地实现对图像信息的获取，对实现人工触觉的有着深远意义。在智能机器人、机械装配、汽车制造以及医疗等领域对柔性三维力力传感器都有着广泛的需求。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

需要说明的是术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明的说明书中，说明了大量具体细节。然而能够理解的是，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。类似地，应当理解，为了精简本发明公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释呈反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于视觉的多阵列点三维力测量方法，其特征在于，包括：

获取柔性透明微柱阵列受三维力作用后的形变图像；

将所述形变图像输入至解耦网络模型，输出所述三维力的感知数据；

其中，所述解耦网络模型是基于所述柔性透明微柱阵列受标准三维力作用后的样本形变图像以及对应的识别标签进行训练后获得的，所述识别标签是根据所述标准三维力预先确定的，并与所述样本形变图像一一对应。

2.根据权利要求1所述的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，其特征在于，所述柔性透明微柱在受到水平力时向所述水平力的方向弯曲，所述水平力越大，所述柔性透明微柱弯曲的角度越大；

所述柔性透明微柱在受到垂直力时会发生形变，所述垂直力越大，所述柔性透明微柱形变后的半径越大。

3.根据权利要求根据权利要求1所述的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，其特征在于，所述将所述形变图像输入至解耦网络模型，输出所述三维力的感知数据之前，还包括：

利用聚焦算法，对所述形变图像进行清晰化处理。

4.根据权利要求1所述的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，其特征在于，所述将所述形变图像输入至解耦网络模型，输出所述三维力的感知数据之前，还包括：

向所述柔性透明微柱阵列施加标准三维力，并获取所述柔性透明微柱阵列受所述标准三维力作用后的样本形变图像；

将所述样本形变图像输入至预训练解耦网络模型中，提取柔性透明微柱阵列的形变和弯曲特征，将所述形变和弯曲特征与所述标准三维力的感知数据相对应，建立所述识别标签；

通过多次改变标准三维力的方向及大小，并获取每次改变后的所述柔性透明微柱阵列的形变图像；

将每个不同的标准三维力与相应的形变图像的一一对应，完成对所述柔性透明微柱阵列受标准三维力作用后的样本形变图像以及对应的识别标签的训练，获取所述解耦网络模型；

所述形变图像包括所述柔性透明微柱阵列的形变和弯曲特征。

5.根据权利要求1所述的基于视觉的多阵列点三维力测量方法，其特征在于，所述三维力的感知数据，包括：垂直力分量、水平力X轴分量和水平力Y轴分量。

6.一种基于视觉的多阵列点三维力测量装置，包括：

图像传感器、柔性透明微柱阵列和图像处理单元；

所述柔性透明微柱阵列由多个柔性透明微柱组成；

所述柔性透明微柱在所述三维力的作用下发生形变和弯曲；所述图像传感器用于采集所述柔性透明微柱阵列发生形变和弯曲后的图像；所述图像处理单元至少包括解耦网络模块，所述解耦网络模块用于根据所述图像，获取所述三维力的感知数据。

7.根据权利要求6所述的基于视觉的多阵列点三维力测量装置，其特征在于，所述柔性透明微柱的高度和相邻所述柔性透明微柱的间距由所述柔性透明微柱的直径确定。

8.根据权利要求6所述的基于视觉的多阵列点三维力测量装置，其特征在于，所述柔性透明微柱的顶端设置有漫发射涂料。

9.根据权利要求6所述的基于视觉的多阵列点三维力测量装置，其特征在于，还包括平面光源和透镜模组；所述透镜组位于所述柔性透明微柱阵列与所述图像传感器中间；所述平面光源位于所述图像传感器侧，用于对所述柔性透明微柱阵列进行照明。

10.根据权利要求6所述的基于视觉的多阵列点三维力测量装置，所述柔性透明微柱阵列的制备方法，包括：

将光刻胶旋涂在制备容器的内表面；

将所述制备容器进行曝光及显影处理；

将所述柔性透明微柱阵列的预设图形，设置于所述制备容器的内表面的所述光刻胶上，制作柔性透明微柱阵列的模具；

将制作所述柔性透明微柱整列中柔性透明微柱的预聚物与硅油按设定比例均匀混合后，浇筑与所述模具上，并加热固化后，倒模制成所述柔性透明微柱阵列。