CN111337169B - 基于编码孔成像技术的触觉传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于编码孔成像技术的触觉传感装置，包括：感受单元，编码孔单元，光电转换单元和支撑架结构单元，其中，感受单元设置于最外层，用于将触摸行为产生的物理变化转化光学手段可见的变化；编码孔单元设置于感受单元的内一层，为一个平面或非平面的编码孔径板，编码孔径板上设有一个或多个可选通的点光源，用于通过点光源的切换产生多幅编码孔径图像；光电转换单元设置于最内层，用于将编码孔径图像转化为电信号；支撑架结构单元用于为感受单元、编码孔单元和光电转换单元提供稳定的结构支撑。该触觉传感装置结构简单紧凑，易于加工。

Description

基于编码孔成像技术的触觉传感装置

技术领域

本发明涉及触觉传感器技术领域，特别涉及一种基于编码孔成像技术的触觉传感装置。

背景技术

光学原理的触觉传感器，信息丰富，精度高，具有压觉，滑觉和冷热觉多种传感能力。但相关技术中加工制造工艺复杂，体积相对较大，微型镜头较为精密，不抗震，不抗温度变化等一系列缺点，例如：

发明专利CN201410301656.7“光学柔性二维切向力触觉传感器”，公开了一种由光源层，聚合物柔性传导层和光电探测层的传感器，由2×2的阵列光电探测器的光电流变化，测量二维切向力的大小和方向。但其“二维”信号仅能够表征二维切向力的大小和方向，不能表征触觉张量，更无法采集潮湿觉和冷热觉信息。

上海光机所郎海涛等人的论文《一种基于编码孔径成像原理的三维成像方法》中，提出了一种非相干可见光三维成像方法，第一步采用空间位置编码照相机阵列对物体拍照；在第二步中，首先将照相机阵列拍照得到的物体照片根据拍照时的位置关系合成为一幅图像，然后采用计算机程序模拟光学反投影解码方法再现出物体不同深度的表面分层图像。但该方法更适于远距离成像的3D重建，无法在近距离条件下获得清晰的图像，更无法重建相对精确的图像深度信息。

发明专利CN201210508853.7“一种近距离成像装置”中，包括外壳，照射单元，信号接收单元的装置。其中的照射单元包括发光体和照射透镜，发光体与照射透镜相对设置，信号接收单元包括传感器和信号接收透镜，传感器与信号接收透镜相对设置；所述照射透镜和信号接收透镜置于中继透镜的同一侧，中继透镜另一侧朝向外壳外。该技术方案中一次曝光能够获取多个图像信息，减少图像信息的采样时间，提高成像速度。该结构虽然能有效的实现近距离成像，但照明单元与信号接收单元相对放置，无法在触觉传感器中采用该布置方案，且该方案须采用透镜，增加了系统的不稳定性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于编码孔成像技术的触觉传感装置。

为达到上述目的，本发明实施例提出了基于编码孔成像技术的触觉传感装置，包括：感受单元，编码孔单元，光电转换单元和支撑架结构单元，其中，所述感受单元设置于最外层，用于将触摸行为产生的物理变化转化光学手段可见的变化；所述编码孔单元设置于所述感受单元的内一层，为一个平面或非平面的编码孔径板，所述编码孔径板上设有一个或多个可选通的点光源，用于通过所述点光源的切换产生多幅编码孔径图像；所述光电转换单元设置于最内层，用于将所述编码孔图像转化为电信号；所述支撑架结构单元，用于为所述感受单元、所述编码孔单元和所述光电转换单元提供稳定的结构支撑。

本发明实施例的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，采用更为精密的微型镜头，结构简单，结构紧凑，易于加工实现，稳定性更高，能够呈现3D图像，且具有计算能力较强的计算设备，编码孔图像重建不会额外增加计算设备的硬件成本。

另外，根据本发明上述实施例的基于编码孔成像技术的触觉传感装置还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述物理变化包括物体形变、物体滑移、物体颤动、物体温度或物体潮湿，所述光学手段可见的变化包括形状、位置或颜色。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述感受单元包括硅胶表皮、支撑丝、滑压小体、冷热觉薄膜和潮湿觉毛细管中任一种或多种任意组合方式。

可选地，在本发明的一个实施例中，所述感受单元包括硅胶表皮、支撑丝、滑压小体、冷热觉薄膜和潮湿觉毛细管中任一种或多种任意组合方式。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述支撑丝为具有形状记忆特性的金属丝或非金属丝，表面涂覆为黑色或白色两种颜色，在所述感受单元中起到支撑作用，保持所述感受单元的形状，并在接触力作用下，探测所述感受单元的形变。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述滑压小体包括敏感端和指示杆，其中，所述敏感端暴露在所述硅胶表皮外，或由一薄层硅胶表皮覆盖，所述指示杆为扁平截面，方形截面或圆形截面的细杆，表面涂覆为黑色或白色两种颜色，当发生轻微的滑动或压动时，所述敏感端发生移动或转动，带动所述指示杆运动，探测所述滑压小体的移动或转动。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述冷热觉薄膜贴附于所述硅胶表皮较薄处，分为两层，一层为黑白网格纹底膜，另一层为热敏变透明度薄膜，其中，所述热敏变透明度薄膜在触觉传感装置的工作温度范围内，薄膜透明度根据工作温度发生单调变化，探测的黑白网格的对比度变化。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述潮湿觉毛细管包括开漏端，毛细管和毛玻璃指示腔，所述开漏端接触液体后，因毛细现象将液体经毛细管吸入到所述毛玻璃指示腔，所述毛玻璃指示腔的毛玻璃盖板接触液体后，探测的所述毛玻璃指示腔透明度。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述硅胶表皮为所述感受单元的基本结构，所述支撑丝，所述滑压小体，所述冷热觉薄膜和所述潮湿觉毛细管均埋置于所述硅胶表皮中，全部包覆于硅胶表皮中或末端小部分暴露与被触物体接触。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述编码孔单元的编码孔形式采用圆环型编码孔或方格型编码孔，所述编码孔板分为若干区域，不同区域可以采用相同或不同规律排布编码孔。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述编码孔单元中的光源为微型发光二极管，所述微型发光二极管的导线腐蚀或印刷布设在所述编码孔板上，且不影响编码孔板透光布局。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述编码孔单元的基板为绝缘材料镂空制成。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述光电转换单元为一个或多个面阵光电转换器件，其中，采用CCD或CMOS光电转换器件或具有光子计数功能的SiPM平板光电转换器件。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述支撑架结构单元与所述感受单元紧密结合，以保证所述触觉传感装置的密封性能。

部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的基于编码孔成像技术的触觉传感装置的结构示意图；

图2为根据本发明一个实施例的感受单元结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的编码孔单元结构示意图；

图4为根据本发明一个实施例的控制计算单元各功能实现流程图；

图5为根据本发明一个实施例的控制计算单元中编码孔图像分析功能的实现流程图；

图6为根据本发明实施例中一种叠加实现三维成像或图像超分辨的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于编码孔成像技术的触觉传感装置。

图1是本发明一个实施例的基于编码孔成像技术的触觉传感装置的结构示意图。

如图1所示，该系统10包括：感受单元100，编码孔单元200，光电转换单元300和支撑架结构单元400。

其中，感受单元100设置于最外层，用于将触摸行为产生的物理变化转化光学手段可见的变化。

其中，物理变化包括物体形变、物体滑移、物体颤动、物体温度或物体潮湿，光学手段可见的变化包括形状、位置或颜色。

也就是说，感受单元100将应触摸行为而产生的形变，滑移，颤动，温度或潮湿的变化，并转化为光学手段可见的形状，位置，颜色变化。

进一步地，在本发明的一个实施例中，感受单元100至少包括硅胶表皮，还包括支撑丝，滑压小体，冷热觉薄膜和潮湿觉毛细管等一种或多种组合结构。

具体地，如图2所示，感受单元100中的支撑丝，为具有形状记忆特性的金属丝或非金属丝，呈正弦型，螺旋线型，圆环型，十字花型或复杂空间曲线型，表面涂覆为黑色或白色两种颜色，在感受单元中起到支撑作用，保持感受单元的形状，并在拉力或压力等较大的接触力作用下，体现为编码孔成像手段可探测的形变。

感受单元100中的滑压小体，由敏感端和指示杆构成，其中，敏感端暴露在硅胶表皮外，或由一薄层硅胶表皮覆盖，指示杆为扁平截面，方形截面或圆形截面的细杆，表面涂覆为黑色或白色两种颜色，当轻微的滑动或压动发生时，敏感端发生移动或转动，带动指示杆运动，体现为编码孔成像手段可探测的移动或转动。

感受单元100中的冷热觉薄膜，贴附于硅胶表皮较薄处，分为两层，一层为黑白网格纹底膜，另一层为热敏变透明度薄膜，其中，热敏变透明度薄膜，在触觉传感装置的工作温度范围内，温度由低到高，薄膜透明度单调变化,则温度的单调变化，体现为编码孔成像手段可探测的黑白网格的对比度变化。

感受单元100中的潮湿觉毛细管，包括开漏端，毛细管和毛玻璃指示腔，开漏端接触液体后，因毛细现象将液体经毛细管吸入到毛玻璃指示腔，毛玻璃指示腔的毛玻璃盖板接触液体后，体现为编码孔成像手段可探测的毛玻璃指示腔透明度提高。

感受单元100中的硅胶表皮，是感受单元的基本结构，上支撑丝，滑压小体，冷热觉薄膜和潮湿觉毛细管均埋置于硅胶表皮中，全部包覆于硅胶表皮中，或末端小部分暴露与被触物体接触。

编码孔单元200设置于感受单元的内一层，为一个平面或非平面的编码孔径板，编码孔径板上设有一个或多个可选通的点光源，用于通过点光源的切换产生多幅编码孔径图像。

其中，编码孔单元200的编码孔形式采用圆环型编码孔或方格型编码孔，编码孔板分为若干区域，不同区域采用相同或不同规律排布编码孔。编码孔单元的基板为绝缘材料镂空制成。

具体而言，如图3所示，编码孔单元中的光源为微型发光二极管，二极管的导线腐蚀或印刷布设在编码孔板上，且不影响编码孔板透光布局，微型发光二极管顺次首尾相连，且任意两二极管间均可引出导线到控制计算单元，以实现选择零个，任意一个或多个点亮。优选地，本发明实施例光源的发光波长采用400nm至450nm的蓝光波长，以减少散射和衍射效应。

光电转换单元300设置于最内层，用于将编码孔径图像转化为电信号。

进一步地，在本发明的一个实施例中，光电转换单元300为一个或多个面阵光电转换器件，其中，具体实现方式为CCD或CMOS光电转换器件，特殊的为具有光子计数功能的SiPM平板光电转换器件。

支撑架结构单元400用于连接和支撑感受单元、编码孔单元和光电转换单元。

也就是说，支撑架结构单元400，对感受单元100，编码孔单元200和光电转换单元300提供稳定的结构支撑，使上述结构在触觉传感器的工作压力条件下，不发生相对位移或形变，具有防水防尘要求的条件下，支撑架结构单元与感受单元紧密结合，共同实现本装置的密封性能。

进一步地，如图4所示，本发明实施例的触觉触感装置还可以包括：控制计算单元，具有光源控制，图像压缩功能，图像暂存，图像比较，总线控制和编码孔图像分析等功能中的一种或多种。

其中，如图5所示，控制计算单元的编码孔图像分析功能，包括两种实现方式，第一种方式，根据编码孔的特征，利用编码孔图像进行重建计算，并根据重建图像中感受单元中的支撑丝、滑压小体、冷热觉薄膜、潮湿觉毛细管和硅胶表皮等结构，发生的形状，位置，颜色变化进行触觉传感分析计算，并最终得到触觉特征向量；第二种方式，根据光线经编码孔呈现的叠加图像，利用深度神经网络模型，以已知触觉条件的实验样本为训练集，实现触觉特征向量的输出，或直接实现触觉识别，分类等功能。

需要说明的是，对同一触觉状态，多次变化发光的点光源，形成不同光源条件描述同一触觉状态的多幅编码孔曝光图像时，通过叠加实现三维成像或图像超分辨。例如，如图6所示，分别进行三次曝光：第一次，仅点亮光源a；第二次，仅点亮光源b和c；第三次，点亮光源a，b，c，则第三次的图像为第一次和第二次的线性叠加，通过该方法可实现图像的超分辨。

进一步地，本发明实施例的触觉触感装置也可不具有控制计算单元，或者当控制计算单元不具备编码孔图像分析功能的条件下，触觉传感装置须与配套的计算装置联接工作，联接到计算装置的方式，分为单独接入和总线接入两种；单独接入方式，为基本的应用方式，多只触觉传感装置分别通过数据线，联接到计算装置的，亦视为单独接入方式；总线接入方式，多只触觉传感装置通过触觉总线传输信号，每个触觉传感装置端设有轻型的计算装置，在光电转换单元获得的图像比较发现信号较大变化时，申请总线传输当前触觉传感装置信号，该机制称为“注意力抢占机制”。

根据本发明实施例提出的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，采用更为精密的微型镜头，结构简单，结构紧凑，易于加工实现，稳定性更好，另外，基于编码孔成像技术的基本原理，对触觉传感器能够形成遮光的封闭腔体，且成像距离较短，成像目标物的各形态单元已知的一系列具体技术特点进行了设计，相对于采用通用的编码孔成像装置具有突出的优势，能够呈现短距离的3D重建，且具有计算能力较强的计算设备，编码孔图像重建不会额外增加计算设备的硬件成本。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，包括：感受单元，编码孔单元，光电转换单元和支撑架结构单元，其中，

所述感受单元，设置于最外层，用于将触摸行为产生的物理变化转化光学手段可见的变化，进一步地，

所述感受单元包括硅胶表皮、支撑丝、滑压小体、冷热觉薄膜和潮湿觉毛细管，其中，所述滑压小体包括敏感端和指示杆，所述敏感端暴露在所述硅胶表皮外，或由一薄层硅胶表皮覆盖，所述指示杆为扁平截面，方形截面或圆形截面的细杆，表面涂覆为黑色或白色两种颜色，当发生轻微的滑动或压动时，所述敏感端发生移动或转动，带动所述指示杆运动，探测所述滑压小体的移动或转动，所述冷热觉薄膜贴附于所述硅胶表皮较薄处，分为两层，一层为黑白网格纹底膜，另一层为热敏变透明度薄膜，其中，所述热敏变透明度薄膜在触觉传感装置的工作温度范围内，薄膜透明度根据工作温度发生单调变化，探测的黑白网格的对比度变化；

所述物理变化包括物体滑移、物体颤动、物体温度和物体潮湿，所述光学手段可见的变化包括形状、位置和颜色；

所述编码孔单元，设置于所述感受单元的内一层，为一个平面或非平面的编码孔径板，所述编码孔径板上设有多个可选通的点光源，用于通过所述点光源的切换产生多幅编码孔径图像；

所述光电转换单元，设置于最内层，用于将所述编码孔径图像转化为电信号；

所述支撑架结构单元，用于连接和支撑所述感受单元、所述编码孔单元和所述光电转换单元；以及

控制计算单元，用于包括光源控制，图像压缩，图像暂存，图像比较，总线控制和编码孔图像分析，其中，所述编码孔图像分析功能包括根据光线经编码孔呈现的叠加图像，利用深度神经网络模型，以已知触觉条件的实验样本为训练集，实现触觉特征向量的输出，或直接实现触觉识别、分类。

2.根据权利要求1所述的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，所述支撑丝为具有形状记忆特性的金属丝或非金属丝，表面涂覆为黑色或白色两种颜色，在所述感受单元中起到支撑作用，保持所述感受单元的形状，并在接触力作用下，探测所述感受单元的形变。

3.根据权利要求1所述的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，所述潮湿觉毛细管包括开漏端，毛细管和毛玻璃指示腔，所述开漏端接触液体后，因毛细现象将液体经毛细管吸入到所述毛玻璃指示腔，所述毛玻璃指示腔的毛玻璃盖板接触液体后，探测的所述毛玻璃指示腔透明度。

4.根据权利要求1所述的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，所述硅胶表皮为所述感受单元的基本结构，所述支撑丝，所述滑压小体，所述冷热觉薄膜和所述潮湿觉毛细管均埋置于所述硅胶表皮中，全部包覆于硅胶表皮中或末端小部分暴露与被触物体接触。

5.根据权利要求1所述的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，所述编码孔单元的编码孔形式采用圆环型编码孔或方格型编码孔，所述编码孔板分为若干区域，不同区域采用相同或不同规律排布编码孔。

6.根据权利要求1所述的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，所述编码孔单元的基板为绝缘材料镂空制成。

7.根据权利要求6所述的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，所述编码孔单元中的光源为微型发光二极管，所述微型发光二极管的导线腐蚀或印刷布设在所述编码孔板上，且不影响编码孔板透光布局。

8.根据权利要求1所述的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，所述光电转换单元为一个或多个面阵光电转换器件，其中，采用CCD或CMOS光电转换器件或具有光子计数功能的SiPM平板光电转换器件。

9.根据权利要求1所述的基于编码孔成像技术的触觉传感装置，其特征在于，所述支撑架结构单元与所述感受单元紧密结合，以保证所述触觉传感装置的密封性能。

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