CN111664976B - 基于视觉光环的阵列化压力测量方法、装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于视觉光环的阵列化压力测量方法、装置及制备方法，包括：获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像；将光环图像输入至解耦网络模型，获取该模型输出的压力信号的感知数据；其中，解耦网络模型是基于柔性透明微柱阵列受标准压力信号作用后的样本光环图像以及对应的识别标签进行训练后获得的。本实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，通过采集柔性透明微柱阵列的发生形变后产生的光环图像信息，并根据该光环图像获取施加于柔性透明微柱阵列的压力信号的感知数据，不易受到诸如温度或电磁干扰之类的外部环境的影响，更好地实现传感器的小型化和高集成度，并且压力检测灵敏度高。

Description

基于视觉光环的阵列化压力测量方法、装置及制备方法

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，涉及一种基于视觉光环的阵列化压力测量方法、装置及制备方法。

背景技术

智能化的应用领域越来越广泛，但智能算法的处理离不开精确数据的获取，如智能机器人的智能化工作与其对外界环境的信息感知密切相关，精确的数据感知方法可以大大的增进机器人的智能化程度。

目前，虽然机器视觉已得到迅速的发展，然而单纯的视觉感知系统依然存在众多问题，例如在不具有明显纹理特征、颜色相近的物品中，单纯的视觉感知系统无法实现较好的特征提取；在有强光干扰的环境中，单纯的视觉识别则会变盲；在进行一些精细、精密操作的时候，执行机构容易挡住视觉传感，从而造成视觉盲区等缺陷。

有鉴于此，亟需提供灵敏度更高且不受检测环境干扰的压力测量方法，能够满足智能机器人实现更加精细、复杂任务的需求。

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光环的阵列化压力测量方法、装置及制备方法。

第一方面，本发明实施例提供一种基于视觉光环的阵列化压力测量方法，包括：获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像；将光环图像输入至解耦网络模型，获取由解耦网络模型输出的压力信号的感知数据；其中，解耦网络模型是基于柔性透明微柱阵列受标准压力信号作用后的样本光环图像以及对应的识别标签进行训练后获得的。

作为可选地，上述获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像，包括：微柱和基底因受压力信号作用发生形变之后，在柔性透明微柱阵列底部形成凸面；利用设置于柔性透明微柱阵列底部的光源向所述凸面投射散射光线，散射光线经所述凸面反射至位于柔性透明微柱阵列底部的图像传感器；利用图像传感器对反射后的散射光线进行成像，生成光环图像信息，对光环图像信息进行分析，获取光环图像。

作为可选地，在将光环图像输入至解耦网络模型，获取由解耦网络模型输出的压力信号的感知数据之前，还包括：向柔性透明微柱阵列施加标准压力信号，并获取柔性透明微柱阵列受标准压力信号作用后的样本光环图像；将样本光环图像输入至预训练解耦网络模型中，提取样本光环图像的图像特征，将图像特征与标准压力信号的感知数据相对应，建立识别标签；通过多次改变标准压力信号的参数，并获取每次改变后的光环图像；将每个不同的标准压力信号与相应的光环图像一一对应，构建训练样本标签集；利用练样本标签集对预训练解耦网络模型进行迭代训练，直至达到预设的训练次数或训练结果收敛，获取解耦网络模型。

作为可选地，光环图像是由每个微柱和基底发生形变所形成的子光环图像所组成的。

作为可选地，在每个微柱的顶端旋涂温变材料，温变材料的颜色随温度变化而变化；在获取柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像的同时，获取柔性透明微柱阵列的温度变化图像信息；基于图像处理算法，根据温度变化图像信息，获取柔性透明微柱阵列的实时温度。

第二方面，本发明实施例提供一种基于视觉光环的阵列化压力测量装置，该装置包括：柔性透明微柱阵列、图像传感器和图像处理装置；柔性透明微柱阵列由多个柔性透明的微柱阵列式布置在柔性透明的基底上构成；微柱受压力信号作用会发生形变，并相应的挤压基底，在柔性透明微柱阵列底部形成凸面；图像传感器用于获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像；图像处理装置用于将光环图像输入至解耦网络模型，获取由解耦网络模型输出的压力信号的感知数据。

作为可选地，本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，还包括光源；所述光源和图像传感器设置于柔性透明微柱阵列的底部，并与柔性透明微柱阵列的底部距离预设间隔；光源分布于图像传感器的周边；光源用于向柔性透明微柱阵列投射散射光线；图像传感器用于接收由柔性透明微柱阵列反射的散射光线进行成像生成光环图像信息。

作为可选地，本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，还包括透镜模组；透镜模组位于柔性透明微柱阵列与图像传感器中间；图像传感器还用于对光环图像信息进行分析，获取光环图像，并将光环图像上传至图像处理装置。

第三方面，一种如第二方面所述的基于视觉光环的阵列化压力测量装置的制备方法，主要包括：

将PDMS的预聚物与硅油按照需求比例搅拌混合，获取PDMS预聚物与硅油的复合物；将光刻胶旋涂在制备容器的内表面后进行曝光及显影处理；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所述光刻胶上，制作柔性透明微柱阵列的模具；将PDMS预聚物与硅油的复合物和固化剂按照预设比例混合均匀后，浇筑与所述模具上，并加热固化后，倒模制成柔性透明微柱阵列；将柔性透明微柱阵列与图像传感器进行集成后，与图像处理装置通信连接。

作为可选地，在倒模制成所述柔性透明微柱阵列之后，还包括：将温变材料和PDMS以预设的比例混合后，旋涂在每个微柱的顶端；加热，使温变材料旋涂物在微柱的顶端凝固成膜。

本发明提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法、装置及制备方法，通过采集柔性透明微柱阵列的发生形变后产生的光环图像信息，并根据该光环图像获取施加于柔性透明微柱阵列的压力信号的感知数据，不易受到诸如温度或电磁干扰之类的外部环境的影响，更好地实现传感器的小型化和高集成度，并且压力检测灵敏度高。

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光环的阵列化压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光环的阵列化压力测量方法的工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置的结构示意图；

图4为不同厚度的基底在不同压力作用下所获取的光环图像膨胀率的关系示意图；

图5为不同半径的微柱在不同压力作用下所获取的光环图像膨胀率的关系示意图；

图6为不同杨氏模量的微柱在不同压力作用下所获取的光环图像膨胀率的关系示意图；

图7为在不同压力作用下，光环图像膨胀率和微柱膨胀率的输出特性比对示意图；

图8为本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置的制备方法示意图；

图9为本发明实施例提供的另一基于视觉光环的阵列化压力测量装置的制备方法示意图。

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。

目前，柔性三维力传感器主要有应变式、压电式、电容式和压阻式这几类，且随着技术的发展，基于视觉图像的压力传感器也逐步被应用于智能化工作场景中。但是，现有的压力传感器在实现特征提取时，都或多或少存在对提取环境的要求过高的缺陷，例如要求具有提取体征的明显纹理特征、不能处于强光干扰、不能发生视觉遮挡等环境限制。

本发明实施例提供一种基于视觉光环的阵列化压力测量方法，如图1所示，包括但不限于以下步骤：

步骤S1，获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像；

步骤S2，将光环图像输入至解耦网络模型，获取由解耦网络模型输出的所述压力信号的感知数据；其中，解耦网络模型是基于所述柔性透明微柱阵列受标准压力信号作用后的样本光环图像以及对应的识别标签进行训练后获得的。

具体地，在本发明实施例所提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法中，柔性透明微柱阵列可以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，阵列排布在基底上构成该柔性透明微柱阵列。其中，微柱和基底可以是一体成型的，也可以是分别制作后，进行合成的。本发明实施例不对柔性透明微柱阵列中的微柱排列方式以及柔性透明微柱阵列的制作方法作具体限定。

进一步地，在压力信号作用于柔性透明微柱阵列时，受压的微柱则会向下发生弹性形变，与此同时，由于微柱与柔性的基底相连接(或一体成型、或相接触)，则将其所受的外力传递至与其相接触的基底部分，从而导致基底向外力方向形成一个类似凸镜的凸出。

在光线通过该凸出部位进行反射或透射时，必然与未生成凸出部位的基底产生区别。根据凸镜成像原理，则会在位于柔性透明微柱阵列底部且位于受力的微柱的对应位置，生成光环图像。

一般来说，通过合理的调整微柱的直径以及基底的厚度，并在适当的位置进行光环图像采集，能使得所获取的光环图像的外切圆面积远大于微柱截面面积。

作为可选地，可以通过外置光源，加强入射至柔性透明微柱阵列的光线，以增强光环图像的清晰度。

进一步地，在获取到柔性透明微柱阵列受压力信号作用的光环图像后，将获取的光环图像输入至已经训练完成的解耦网络模型中。利用解耦模型对光环图像进行图像分析处理，输出与施加于柔性透明微柱阵列受压力信号所对应的感知数据。

其中感知数据可以包括压力信号的大小以及三维方向。在柔性透明微柱阵列、以及光环图像获取装置选定(包括相对位置的设定)后，由于光环图像的形状仅与基底的凸出程度以及凸出的形状相关，而基底的凸出则是由压力信号直接造成的，故所获取到的光环图像能够反映出压力信号的感知数据。

作为可选地，可以根据光环图像的外切圆及内切圆特征、光环图像不同部位的明暗程度等进行压力信号的大小以及三维方向的确定。

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压力信号作用后的样本光环图像以及对应的识别标签进行训练后获得的，识别标签是根据压力信号预先确定的，并与样本光环图像一一对应。

本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，通过采集柔性透明微柱阵列的发生形变后产生的光环图像信息，并根据该光环图像获取施加于柔性透明微柱阵列的压力信号的感知数据，不易受到诸如温度或电磁干扰以及视线遮挡之类的外部环境的影响，更好地实现传感器的小型化和高集成度，并且压力检测灵敏度高。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，上述获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像，可以包括：

微柱和基底因受压力信号作用发生形变之后，在柔性透明微柱阵列底部形成凸面；利用设置于柔性透明微柱阵列底部的光源向凸面投射散射光线，散射光线经凸面反射至位于柔性透明微柱阵列底部的图像传感器；利用图像传感器对反射后的散射光线进行收集，获取光环图像信息，对光环图像信息进行分析，生成光环图像。

如图2所示，本发明实施例提供一种于视觉光环的阵列化压力测量方法的原理示意图，当压力信号作用在柔性透明微柱阵列上部(为表述方便将柔性透明微柱阵列底部的对应侧称作柔性透明微柱阵列上部)，微柱受到压力作用时，会连同基底向下压形成凸面。此时置于柔性透明微柱阵列底部的光源，如光源A点会发出光线，经过凸面反射后投射至图像传感器上的B点。由众多光源点组成的光圈会在在图像传感器上成像，形成一个比微柱截面更大更明显的光环图像信息。通过利用摄像头等装置捕捉生成的一幅光环图像。

如图2中所示，微柱在施加压力后，会发生形变，导致形变后的投影面积大于微柱边缘原始位置的投影面积，但所形成的光环图像的投影确要远大于形变后的微柱截面。

作为可选的，柔性透明微柱阵列的微柱形状可以是横截面为圆形、三角形、多边形等柱状结构。柔性透明微柱的直径可以设置为1μm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。

作为可选地，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底部所形成的凸面形变状态的捕获，可以在基底的底部设置镜面反射涂料。

作为可选地，本发明实施例中所使用的光源可以是平面LED光源或者LED灯管等，对此本实施例不作具体地限定。

本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，通过利用柔性透明微柱阵列的形变所形成的凸面来反映出压力信号的特征，并利用光学成像原理将凸面的特征表征成光环图像信息，最后通过对光环图像信息所生成的光环图像进行数据分析，最终获取压力信号的感知数据，不易受到诸如温度或电磁干扰之类的外部环境的影响，更好地实现传感器的小型化和高集成度，并且压力检测灵敏度高。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在将光环图像输入至解耦网络模型，获取由解耦网络模型输出的所述压力信号的感知数据之前，还可以包括：

向柔性透明微柱阵列施加标准压力信号，并获取柔性透明微柱阵列受标准压力信号作用后的样本光环图像；将样本光环图像输入至预训练解耦网络模型中，提取样本光环图像的图像特征，将图像特征与标准压力信号的感知数据相对应，建立识别标签；通过多次改变标准压力信号的参数，并获取每次改变后的光环图像；将每个不同的标准压力信号与相应的光环图像一一对应，构建训练样本标签集；利用练样本标签集对所述预训练解耦网络模型进行迭代训练，直至达到预设的训练次数或训练结果收敛，获取解耦网络模型。

具体地，本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法还包括对解耦网络模型进行预训练的步骤，具体包括：利用已知的标准压力信号(如利用压力计检测确定的压力信号)施加在柔性透明微柱阵列上，并获取与每个标准压力信号相对应的样本光环图像。将标准压力信号所对应的样本光环图像作为解耦网络模型的输入，以标准压力信号的感知数据作为解耦网络模型的输出标签，对该网络模型进行迭代训练，直至训练结果收敛，或者达到预设的训练次数为止，获取训练后的模型。

本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，利用解耦网络模型对光环图像进行解耦分析，获取造成柔性透明微柱阵列发生形变的压力信号的感知数据，可以更好地实现传感器的小型化和高集成度且压力检测灵敏度高。同时，由于它收集图像信息而不是电信号，因此它不容易受到诸如温度或电磁干扰之类的外部环境的影响。传感器的压力性能得到准确量化。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，光环图像是由每个微柱和基底发生形变所形成的子光环图像所组成的。

具体地，本发明实施例中的柔性透明微柱阵列是有基底以及设置于及基底上的多个微柱构成，当压力信号施加在柔性透明微柱阵列后，会造成一个或者多个微柱发生形变，并相应地在于微柱相连接的基底的底部生成一个凸面。而每个凸面可以在光线作用下，共同生成一幅光环图像。

利用解耦网络模型对每一幅光环图像分别进行感知数据的分析后，可以构建出整个柔性透明微柱阵列的所受压力信号的三维感知数据。

本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，通过获取柔性透明微柱阵列中受力的所有微柱所对应的光环图像，并对光环图像进行分析后，获取施加在柔性透明微柱阵列上的三维压力信号，有效的提高了测量的精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，可以在每个微柱的顶端旋涂温变材料，温变材料的颜色随温度变化而变化；在获取柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像的同时，获取柔性透明微柱阵列的温度变化图像信息；基于图像处理算法，根据温度变化图像信息，获取柔性透明微柱阵列的实时温度。

一方面，由于压力传感器对环境温度存在一定的要求，当超过每种压力传感器的工作温度阈值时，都可能会影响传感器的检测精度，甚至后导致传感器的损坏；另一方面，为了进一步地实现传感器的小型化和高集成度，将压力传感器和温度传感器进行集成，本发明实施例提供一种基于视觉光环的阵列化压力测量方法，通过在微柱的顶端旋涂一层颜色可以随温度变化的材料，通过图像传感器可以获得颜色变化信息，最后利用预先构建的温度识别模型(如KNN聚类算法)，对颜色变化信息进行读取，实现一定范围内温度的测量。本发明实施例提供的温度测量方式可以配合任何基于视觉检测的传感装置使用，也可单独使用。

具体地，在本发明实施例中的随温度变化的材料可以是温变液晶(温变液晶检测温度范围为28℃-43℃)是一种可以随温度变化的材料，在温度最低阈值以下为浅黄色液晶体，升温后会随着温度的变化而变换颜色，超过最高温度阈值后颜色不再变化。作为可选地，在具体使用过程中，也可以根据实际检测温度范围的需求，选用其它的材料，对此本实施例不作具体地限定。

本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，通过在微柱的顶端旋涂温变材料，在压力检测的同时能够实现温度的测量，在保证压力传感器的稳定工作温度范围的同时，有效的实现传感器的小型化和高集成度。

作为可选地，如图2所示，可以在图像传感器与柔性透明微柱阵列之间增设透镜模组，用于将凸面反射的光线进行发散处理，使入射至图像传感器的光环图像信息更明显，以形成一个更清晰的光环图像。

本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，通过增设透镜模组，以获取更为清晰、放大化的光环图像，有效的提高了检测的精度。

本发明实施例提供一种基于视觉光环的阵列化压力测量装置，如图3所示，包括柔性透明微柱阵列21、图像传感器22和图像处理装置23。其中，柔性透明微柱阵列21由多个柔性透明的微柱阵列式布置在柔性透明的基底上构成；微柱受压力信号作用会发生形变，并相应的挤压所述基底，在柔性透明微柱阵列底部形成凸面；图像传感器22用于获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像；图像处理装置23用于将光环图像输入至解耦网络模型，获取由解耦网络模型输出的压力信号的感知数据。

具体地，如图2所示，柔性透明微柱阵列21与图像传感器22在光路上顺序设置，图像传感器22位于柔性透明微柱阵列21的底部，且两者之间存在一定的间隙，以便于图像传感器22接收由柔性透明微柱阵列21底部反射的所有的光线。

当柔性透明微柱阵列21的上部承受压力，微柱和基底的受力部位会发生弹性形变，从而在柔性透明微柱阵列21的底部生成凸面。当光线照射至凸面并被凸面反射后，进入至图像传感器22。图像传感器22对接收到的反射后的散射光线进行收集，获取光环图像信息。对光环图像信息进行分析，生成光环图像。

将光环图像输入至训练好的解耦网络模型(如KNN聚类模型)中，对该图像进行分析识别，输出施加在柔性透明微柱阵列21的上部的压力信号的感知数据。

本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，通过采集柔性透明微柱阵列的发生形变后产生的光环图像信息，并根据该光环图像获取施加于柔性透明微柱阵列的压力信号的感知数据，不易受到诸如温度或电磁干扰之类的外部环境的影响，更好地实现传感器的小型化和高集成度，并且压力检测灵敏度高。

基于上述实施例的内容，作为可选地，本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，还可以包括光源。光源和图像传感器设置于柔性透明微柱阵列的底部，并与柔性透明微柱阵列的底部距离预设间隔；光源分布于图像传感器的周边；光源用于向柔性透明微柱阵列投射散射光线；图像传感器用于接收由柔性透明微柱阵列反射的散射光线进行成像生成光环图像信息。

其中所使用的光源可以是平面LED光源或者LED灯管等发光器件，当其为平面LED光源时，可以水平设置于图像传感器22的底部位置(与图像传感器22保持一定的预设距离)。当其为LED灯管时，最好为柔性的，可以均匀的设置于图像传感器22的四周。

当压力信号作用在柔性透明微柱阵列上部(为表述方便将柔性透明微柱阵列底部的对应侧称作柔性透明微柱阵列上部)，微柱受到压力作用时，会连同基底向下压形成凸面。此时置于柔性透明微柱阵列底部的光源，如光源A点会发出光线，经过凸面反射后投射至图像传感器上的B点。由众多光源点组成的光圈会在在图像传感器上成像，形成一个比微柱截面更大更明显的包含更明显的光环图像信息的投影，最后进一步对光环图像信息进行分析，生成光环图像。

本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，通过增设光源，以加强入射至柔性透明微柱阵列21上的光线强度，生成更为清晰的光环图像，有效的提高了检测的灵敏度和精度。

基于上述实施例的内容，作为可选地，本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，还可以包括透镜模组；透镜模组位于柔性透明微柱阵列与图像传感器中间；图像传感器22还用于对光环图像信息进行收集，生成光环图像，并将所述光环图像上传至图像处理装置。

具体地，可以在图像传感器与柔性透明微柱阵列之间增设透镜模组，用于将凸面反射的光线进行发散处理，使入射至图像传感器22的光环图像信息清晰化，以形成一个更大、更清晰的光环图像。

具体地，可以增设一个摄像装置该摄像装置主要用于对图像传感器22上所生成光环图像进行采集。摄像装置通信连接图像处理装置23，以实时的将获取的光环图像上传至图像处理装置23。

图像处理装置23中预存储有训练好的解耦网络模型，用于接收光环图像，并对其进行分析，获取压力信号的感知数据。

进一步地，本发明实施例中所采用的图像传感器可以是CCD/CMOS等图像传感器。

进一步地，考虑到光线的成像原理，本发明实施例中所采用的柔性透明微柱阵列的材质可以是采用PDMS等透明弹性材料制成。

进一步地，当微柱受到压力时，利用光学原理捕捉膨胀变大的光环是本发明实施例的理论基础，由于不同粗细、不同材料的微柱和不同厚度的基底在相同的压力作用下光环的膨胀大小不同，这将影响到传感器对压力感知的性能。如微柱横截面积变大，图片识别的形变分辨率会增加，但感知力的灵敏度会变小；如果材料的刚度较小，则会增加感知三维力的灵敏度，但同时会减少其动态反应时间；而且在实际中往往伴随着材料黏度的增加，影响最后动态效果；同时基底的不同厚度也会影响到测量压力的感知范围。考虑上述影响压力检测效果的诸多因素，本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，首先通过理论仿真的手段研究不同形态参数和材料特性的微柱，在不同压力作用下的膨胀变形。图4-图6为不同的形态参数和材料特性的微柱，在不同压力作用下的膨胀变形示意图，其中，图4为不同厚度的基底在不同压力作用下所获取的光环图像膨胀率的关系示意图；图5为不同半径的微柱在不同压力作用下所获取的光环图像膨胀率的关系示意图；图6为不同杨氏模量的微柱在不同压力作用下所获取的光环图像膨胀率的关系示意图。

如图4所示，可以明显的获知看到：随着基底厚度的增加，压力的灵敏度也随之增加。因此，可以根据应用场景通过改变基底的厚度来调节压力的灵敏度。由于基层厚度从600μm到900μm的灵敏度变化缓慢，因此可以得出结论，基层厚度为600μm及以上可以获得较好的性能。

此外，还研究了不同半径的微柱的光环膨胀率与压力的关系。结果显示如图5所示。当微柱的直径为300um时，传感器的压力阈值从2mN增加到4mN，并且压力灵敏度大大降低。因此，微柱的半径一般设置小于300μm，例如选择为200μm。

另外可以通过改变微柱的杨氏模量实现光环图像膨胀率的调整。通过研究微柱的杨氏模量对压力敏感性的影响，图6示出了具有不同杨氏模量(600K，800K和1000K)的材料的压力传感器的输出特性，结果表明，如果材料的刚度较小，则压力的敏感性均匀增加。实际上，可以通过更改材料或使用具有可调刚度的复合材料来调整杨氏模量。

最后，本发明实施例通过提供仿真实验结果，以展示传感器的压力输出特性。

如图7(a)所示，首先使用图像传感器对压力传感器的输出特性进行了校准，并使用压力计测试了传感器的压力感知性能。在不同压力下(0mN，2mN，4mN，6mN，8mN，10mN，12mN，14mN，16mN，18mN，20mN，22mN，24mN，26mN，28mN，30mN，32mN)通过4倍透镜组记录光环和微柱的膨胀变形，如图7(b)所示。

当该传感器受到压力时，通过同时观察光环和微柱受力后的变化，光环和微柱都膨胀变形且半径增大，但由图7(b)的结果可以看出，微柱的膨胀率曲线变化缓慢，而光环的膨胀率曲线变化快速。在图7(c)中，光环受力膨胀的灵敏度要远远大于微柱受力膨胀的灵敏度。综上所述，可以获知本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量的灵敏度获得了显著提升。

本发明实施例提供一种基于视觉光环的阵列化压力测量装置的制备方法，如图8所示，包括但不限于以下步骤：

Q1，将PDMS的预聚物与硅油按照需求比例搅拌混合，获取PDMS预聚物与硅油的复合物；

Q2，将光刻胶旋涂在制备容器的内表面后进行曝光及显影处理；

Q3，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；

Q4，将PDMS预聚物与硅油的复合物和固化剂按照预设比例混合均匀后，浇筑于模具上，并加热固化后，倒模制成柔性透明微柱阵列；

Q5，将柔性透明微柱阵列与图像传感器进行集成后，与图像处理装置通信连接。

作为一种可选实施例，如图9所示，本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置的制备方法，主要分为两大步骤，第一部分是PDMS复合材料的制备，第二部分是微柱阵列的制备。

关于PDMS复合材料的制备：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。

关于微柱阵列的制备：首先，清洗晶圆，并进行等离子体清洗，然后将SU-8旋涂在硅晶圆上，曝光、显影，将设计的图形转移到SU-8上，制作成模具，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，之后浇筑在SU8模板上，加热固化后，倒模形成带微柱的微流道结构。

基于上述实施例的内容，作为可选地，本发明实施例提供的基于视觉光环的阵列化压力测量装置的制备方法，在倒模制成柔性透明微柱阵列之后，还包括：

将温变材料和PDMS以预设的比例混合后，旋涂在每个微柱的顶端；加热，使温变材料旋涂物在所述微柱的顶端凝固成膜。

具体地，通过将温变液晶和PDMS以一定的比例混合，将温变液晶和PDMS的混合物旋涂在微柱顶端，再加热使其凝固；温变液晶在微柱顶端成膜，再将带有测温层的整个传感器装置放置在恒温调节箱内。从28℃(室温)开始调节温度，微柱的底部的图像传感器就可以采集微柱顶端在28℃-43℃之间的颜色变化，继而得到温度变化图像信息。最后，利用图像处理算法(如KNN聚类算法)处理图像信息。

利用本发明实施例提供的制备方法获取基于视觉光环的阵列化压力测量装置，可以更好地实现传感器的小型化和高集成度，有利于传感器向多功能方向发展。

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)

1.一种基于视觉光环的阵列化压力测量方法，其特征在于，包括：

获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像；其中，微柱与柔性的基底相连接，将其所受的外力传递至与其相接触的基底部分，从而导致基底向外力方向形成一个类似凸镜的凸出；根据凸镜成像原理，则会在位于柔性透明微柱阵列底部且位于受力的微柱的对应位置，生成光环图像；将所述光环图像输入至解耦网络模型，获取由所述解耦网络模型输出的所述压力信号的感知数据；

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压力信号作用后的样本光环图像以及对应的识别标签进行训练后获得的。

2.根据权利要求1所述的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，其特征在于，所述获取在柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像，包括：

所述微柱和基底因受所述压力信号作用发生形变之后，在柔性透明微柱阵列底部形成凸面；

利用设置于所述柔性透明微柱阵列底部的光源向所述凸面投射散射光线，所述散射光线经所述凸面反射至位于所述柔性透明微柱阵列底部的图像传感器；

利用所述图像传感器对反射后的散射光线进行收集，获取光环图像信息，对所述光环图像信息进行处理，获取所述光环图像。

3.根据权利要求1所述的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，其特征在于，在将所述光环图像输入至解耦网络模型，获取由所述解耦网络模型输出的所述压力信号的感知数据之前，还包括：

向所述柔性透明微柱阵列施加标准压力信号，并获取所述柔性透明微柱阵列受所述标准压力信号作用后的样本光环图像；

将所述样本光环图像输入至预训练解耦网络模型中，提取样本光环图像的图像特征，将所述图像特征与所述标准压力信号的感知数据相对应，建立所述识别标签；

通过多次改变标准压力信号的参数，并获取每次改变后的光环图像；

将每个不同的标准压力信号与相应的光环图像一一对应，构建训练样本标签集；

利用所述练样本标签集对所述预训练解耦网络模型进行迭代训练，直至达到预设的训练次数或训练结果收敛，获取所述解耦网络模型。

4.根据权利要求1所述的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，其特征在于，所述光环图像是由每个所述微柱和基底发生形变所形成的子光环图像所组成的。

5.根据权利要求1所述的基于视觉光环的阵列化压力测量方法，其特征在于，在每个所述微柱的顶端旋涂温变材料，所述温变材料的颜色随温度变化而变化；

在获取柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像的同时，获取所述柔性透明微柱阵列的温度变化图像信息；

基于图像处理算法，根据所述温度变化图像信息，获取所述柔性透明微柱阵列的实时温度。

6.一种基于视觉光环的阵列化压力测量装置，其特征在于，包括：

柔性透明微柱阵列、图像传感器和图像处理装置；

所述柔性透明微柱阵列由多个柔性透明的微柱阵列式布置在柔性透明的基底上构成；所述微柱受压力信号作用会发生形变，并相应的挤压所述基底，在柔性透明微柱阵列底部形成凸面；

所述图像传感器用于获取在所述柔性透明微柱阵列受压力信号作用后，由微柱和基底发生形变所形成的光环图像；其中，微柱与柔性的基底相连接，将其所受的外力传递至与其相接触的基底部分，从而导致基底向外力方向形成一个类似凸镜的凸出；根据凸镜成像原理，则会在位于柔性透明微柱阵列底部且位于受力的微柱的对应位置，生成光环图像；所述图像处理装置用于将所述光环图像输入至解耦网络模型，获取由所述解耦网络模型输出的所述压力信号的感知数据。

7.根据权利要求6所述的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，其特征在于，还包括光源；

所述光源和所述图像传感器设置于所述柔性透明微柱阵列的底部，并与所述柔性透明微柱阵列的底部距离预设间隔；

所述光源分布于所述图像传感器的周边；

所述光源用于向所述柔性透明微柱阵列投射散射光线；

所述图像传感器用于接收由所述柔性透明微柱阵列反射的散射光线进行成像生成光环图像信息。

8.根据权利要求7所述的基于视觉光环的阵列化压力测量装置，其特征在于，还包括透镜模组；

所述透镜模组位于所述柔性透明微柱阵列与所述图像传感器中间；

所述图像传感器还用于对所述光环图像信息进行分析，获取光环图像，并将所述光环图像上传至所述图像处理装置。

9.一种如权利要求6所述的基于视觉光环的阵列化压力测量装置的制备方法，其特征在于，包括：

将PDMS的预聚物与硅油按照需求比例搅拌混合，获取PDMS预聚物与硅油的复合物；

将光刻胶旋涂在制备容器的内表面后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；

将所述PDMS预聚物与硅油的复合物和固化剂按照预设比例混合均匀后，浇筑于所述模具上，并加热固化后，倒模制成所述柔性透明微柱阵列；

将所述柔性透明微柱阵列与图像传感器进行集成后，与所述图像处理装置通信连接。

10.根据权利要求9所述的基于视觉光环的阵列化压力测量装置的制备方法，其特征在于，在倒模制成所述柔性透明微柱阵列之后，还包括：

将温变材料和PDMS以预设的比例混合后，旋涂在每个所述微柱的顶端；

加热，使温变材料旋涂物在所述微柱的顶端凝固成膜。

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