CN112129438B - 一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感装置及方法，触觉传感装置包括曲面光波导板、复眼阵列、掩膜、光纤光锥、LED光源阵列、LED光源固定板阵列、LED光源固定支架阵列、探测器和底座；底座上表面上安装有探测器和LED光源固定支架阵列，所述探测器与光纤光锥的末端耦合，所述曲面光波导板和复眼阵列同球心安装于光纤光锥顶端上方，球心与探测器的中心位于同一竖直线上；复眼阵列的各个子眼之间填充有所述掩膜，所述LED光源固定支架阵列的顶部安装有LED光源固定板阵列，LED光源阵列放置于LED光源固定板阵列上。LED光源阵列中每个LED光源之间的角度间隔为6°。

Description

一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感装置及方法

技术领域

本发明涉及力值测量与仿生技术领域，特别是涉及一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感装置及方法。

背景技术

触觉感知能力是人类的基本感官之一。随着机器人向智能化方向发展，采用各类传感器获取触觉信息已被广泛应用，相较于传统的电学式触觉传感器，如电阻式、压电式、电容式、电磁式等，光学式触觉传感器具有分辨力高、体积小、灵敏度高、鲁棒性强等优势。基于光信息的触觉传感器主要有三种方式，基于反射膜原理，典型的是美国MIT提出Gelsight，该系统灵敏度较高，但前端感测面为平面，感测角度较小，空间分辨力低；日本立命馆大学的Kazuhiro Shimonomura提出了基于全内反射的光学触觉传感系统，该系统通过加入平面弹性层，可以有效的提高空间分辨力，但是感测面仍是平面，感测角度范围受限；具有大感测角度的是英国Bristol Robotics实验室提出的基于标记位移原理的Tactip，测头结构为外凸结构，该结构能够有效的增加力值感测角度，但不能实现各向同性。

综上，光波导式触觉传感器借助图像传感器和外凸结构，易实现更高的分辨力、更大的感测角。但是还存在一些难点，其一，若是想得到任意方向的接触力信息，那么柔性体测头应为外凸结构，若只用一个折转透镜，则外凸结构各处的泄露光折转角度不一致，从而会产生较大的边缘畸变；其二，力是三维矢量，但目前的图像传感器都是二维平面，因此若想得到触觉力的空间分布，势必需要复杂度更高、体积更大以及制造成本更高的光学系统。受昆虫的曲面复眼结构启发，复眼结构具有体积小、视场大、灵敏度及光能利用率高、可立体成像等诸多优点。将复眼引入触觉传感系统，通过观测柔性介质受力后发生的立体形变来表征触觉信息。复眼成像系统设计成曲面，不仅能够大大拓宽视场，还能够提高边缘成像的质量，从而提升其感测多方向接触力的能力，实现各向同性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感装置及方法，基于光全内反射的光波导板在外力作用下发生形变会产生光泄露，泄露光被复眼阵列接收，通过接收到的光能信息实现三维空间力测量。光锥光纤的末端耦合到探测器CCD上，复眼阵列将接收到的泄露光通过光纤光锥传输到探测器CCD上，再根据图像序列对三维空间力进行解耦。为测量大角度范围内高分辨力空间三维力提供技术支持。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感装置，其特征在于，包括曲面光波导板、复眼阵列、掩膜、光纤光锥、LED光源阵列、LED光源固定板阵列、LED光源固定支架阵列、探测器和底座；

所述底座上表面上安装有探测器和LED光源固定支架阵列，所述探测器与光纤光锥的末端耦合，所述曲面光波导板和复眼阵列同球心安装于光纤光锥顶端上方，球心与探测器的中心位于同一竖直线上；复眼阵列的各个子眼之间填充有所述掩膜，所述LED光源固定支架阵列的顶部安装有LED光源固定板阵列，LED光源阵列放置于LED光源固定板阵列上。

进一步的，LED光源阵列中每个LED光源之间的角度间隔为6°，LED光源阵列的入射角θ₁>62.68°。

进一步的，曲面光波导板的材料为不透明的硅胶，折射率n₂＝1.4。

本发明还提供一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感方法，包括以下步骤：

步骤一：当物体接触到曲面光波导板且光波导板在接触处P点产生变形，建立形变量与力之间的关系为：F₁＝f₁(Δx)、F₂＝f₂(Δy)、F₃＝f₃(Δz)，其中F₁、F₂、F₃分别是x、y、z方向的力分量，Δx、Δy、Δz分别是x、y、z方向的形变量，f₁、f₂、f₃分别是x、y、z方向的力与形变量之间的函数关系；

步骤二：通过接触处P点得到泄露光的出射位置Q点的坐标，利用几何光学的方法进行分析，由于接触面的形变导致曲面光波导板局部不满足全反射条件，取内部的一条光线以及z＝z₁截面进行分析，根据

得到Q点的坐标，其中，P(t-Δx,b-Δy,z₁)是受力位置点，Q点是光出射点位置，O点是坐标原点，

是受力点P的法向量；

步骤三：得到泄露光强度；在P点利用菲涅耳公式计算P点的反射光强度，在Q点处再次利用菲涅耳公式计算出折射光强度，即泄露光的强度。两次利用菲涅耳公式得到的泄露光强度的表达式为：E_p2＝g₁(E_p1)，E_s2＝g₂(E_s1)，其中，E_p1、E_s1、E_p2、E_s2分别表示的是入射光的p分量和s分量振幅，泄露光的p分量和s分量的振幅，g₁、g₂是泄露光与入射光和形变量之间的函数关系；

步骤四：建立泄露光强度与三维力之间的关系表达式，结合步骤一到步骤三所得到的关系表达式，得到的力与泄露光之间的表达式是：F₁＝h₁(E_p2,E_s2,Δx)、F₂＝h₂(E_p2,E_s2,Δy)、F₃＝h₃(E_p2,E_s2,Δz)，其中，h₁、h₂、h₃是泄露光与三维力之间的函数关系；

步骤五：建立探测器上的灰度值以及形心位移与三维力之间的关系表达式；复眼阵列作为接收泄露光的第一部分，经过复眼阵列之后的泄露光再经过光纤光锥最终用探测器接收；得到三维力与灰度值以及形心位移之间的关系为：F_x＝f_x(u_x)、F_y＝f_y(u_y)、F_z＝-g(G)，其中，F_x、F_y、F_z分别是x方向的剪切力、y方向的剪切力和z方向的法向力，f_x、f_y、g分别是三维力与形心位移和灰度值之间的关系曲线；关系曲线作为三维力测量的数学模型，根据探测器上光斑的灰度值和曲线g计算法向力，根据探测器上光斑的形心位移信息和曲线f_x、f_y计算剪切力；即可得到传感装置的三维触觉力测量模型。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.触觉传感装置基于曲面光波导板的全内反射，曲面光波导板的材料是不透明的硅胶，当接触物与曲面光波导板接触且产生力的作用，在接触处光波导板会发生形变，因而接触处不满足全反射条件而产生泄露光，泄露光利用复眼阵列接收，并通过光纤光锥实现无损传输，光纤光锥的末端与探测器耦合，建立泄露光与三维力之间的函数关系式实现空间三维力的解耦。将不透明的硅胶作为光波导板材料，其一是由于其具有传光特性，其二是具有柔性，作为触觉探头能具有较高的灵敏度，能有效的阻挡外界的微小扰动，还能够阻挡外界杂散光，减少图像处理流程。

2.相较于平面复眼，利用曲面复眼阵列作为泄露光的接收装置，其一是能够具有大角度测量范围，其二是能够保证对于来自各个方向的泄露光都能均匀接收，具有各向同性。且各个子眼之间用掩膜填充，能在保证有足够多的光线成像的同时，有效减少各个子眼之间的串扰。

3.本发明中采用的是半球形的光波导板作为前端触觉力的感受装置，能够实现大角度范围内的触觉力感知，利用复眼阵列接收光能信息，相比于传统的电学式触觉传感器，光学式传感器具有分辨力高、体积小、灵敏度高以及电无源性等特性。

4.光纤光锥用来传输光信号，每根光纤的光轴都与一个子眼透镜的光轴位于同一直线上，其一是在光能传输的前端就减少了各个子眼透镜之间的串扰和耦合，其二是能保证边缘子眼与中心子眼具有成像一致性。曲面光波导板、复眼阵列同球心，能够保证整个装置的集成度较高。通过对大角度高分辨力触觉的测量方法中的技术难题进行分析，为研制维间耦合误差小、灵敏度高、分辨力高、实时性好的触觉力传感装置提供技术支持。

附图说明

图1是基于仿生复眼的光学触觉力测量装置结构示意图；

图2是曲面光波导板全内反射示意图；

图3是简化的曲面光波导板单元体；

图4a和图4b是曲面光波导板受力形变产生泄露光示意图；

图5是复眼结构剖面图；

图6是球坐标与笛卡尔坐标的转换示意图。

附图标记：1-曲面光波导板；2-复眼阵列；3-掩膜；4-光纤光锥；5-LED光源阵列；6-LED光源固定板阵列；7-LED光源固定支架阵列；8-探测器；9-底座。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感装置及方法，本发明是基于光全内反射的曲面光波导板在外力的作用下会产生泄露光，泄露光利用复眼阵列接收，并通过光纤光锥进行无损传输，最后在探测器上形成光斑。利用探测器上的光能分布进行三维力解耦。

根据大角度，高分辨力的触觉力测量的要求，采取如图1所示的基于仿生复眼的光学触觉力测量装置。该装置包括曲面光波导板1，复眼阵列2，掩膜3，光纤光锥4，LED光源阵列5，LED光源固定板阵列6，LED光源固定支架阵列7，探测器8，底座9。

如图1所示，底座9上放置探测器8以及LED光源固定支架阵列7，探测器8采用的是型号为a2A2590-60umBAS的CCD，其尺寸大小为5.4mmx4.2mm，分辨率为2592×1944，帧速率为60fps。探测器8与光纤光锥4的末端耦合，曲面光波导板1、复眼阵列2以及光纤光锥4同球心，球心与探测器8的中心位于同一竖直线上，曲面光波导板的内径为12mm，外径为14mm，复眼阵列的基底外侧曲率半径为11mm，基底内侧曲率半径为10mm，子眼的厚度为0.5mm，掩膜厚度为0.5mm，光纤光锥的大端半径为8mm，小端边长为5mm。LED光源阵列5中所采用的是THORLABS的LED631E，中心波长为635nm，半角为20°。为了保证曲面光波导板受光均匀，LED光源之间的角度间隔为6°。放置在LED光源固定板阵列6上，LED光源固定板阵列6与LED光源固定支架阵列7刚性连接，LED光源的入射角θ₁>62.68°。

见图2，曲面光波导板1受光均匀且满足全内反射条件，n₁＝1是空气的折射率，本发明中采用不透明的硅胶作为光波导板的材料，其折射率n₂＝1.4，根据全内反射条件计算得到LED光源的入射角θ₁>62.68°；

具体的，首先根据光在硅胶和空气的界面处A′点发生全内反射临界条件可得：

所以可得当A′点的反射角θ₂≥45.58°时，在光波导板1中才能发生全内反射，在三角形OA′B中，n_v＝7mm，m_v＝6.5mm，根据三角形余弦定理可得：

可得o＝0.75mm，在三角形OA′B中再次利用余弦定理：

得到B点的折射角θ′＞39.39°，入射光在空气和硅胶的界面B点发生折射，根据折射定律：

n₁sinθ₁＝n₂sinθ′ (4)

最终得到B点的入射角θ₁>62.68°，当LED光源的入射角满足此条件，在曲面光波导板1中会产生全内反射。

曲面光波导板1受力变形可简化为曲梁的受力变形，利用曲梁的形变理论得到形变量和力之间的关系，其简化的曲面光波导板单元体示意图如图3所示：

其中，A是横截面面积，R是轴线曲率半径，R₀、R₁分别是曲面光波导板的内径和外径。y′是距离中轴线的距离，E是材料的弹性模量，t、b、h分别是单元体的宽度、长度和高度，a是曲面光波导板受力后中性轴的偏置距离，F₁是法向力，F₂是轴向力，F₃是剪切力，S是截面对中性轴的面积矩，Δx、Δy、Δz分别代表的是x、y、z方向的形变量,

是F₁对x求偏导，

是F₂对x求偏导，θ′₁、θ′₂分别是力F与x-z平面夹角和力F在x-z平面的投影与y轴的夹角。

通过变形量得到折射光位置。利用几何光学的方法进行分析，由于接触面的形变导致曲面光波导板局部不满足全反射条件。建立坐标系以及取光波导板内部一条光线以及z＝z₁截面进行分析，其结构示意图如图4a和图4b所示，Q点的坐标的计算公式如下所示：

设曲面光波导板1受力变形的曲线方程为：

y＝kx+b′

其中，k为比例系数，b′为截距。

根据入射光线向量和反射光线向量之间的关系：

P(b-Δx,h-Δy,z₁)是受力位置点，Q点是光出射点位置，受力点P的切平面的单位法向量为：

则可以求得Q点的坐标为

根据P点和Q点的坐标可以计算得到泄露光强度，在P点利用菲涅耳公式得到反射光强度，在Q点再次利用菲涅耳公式得到折射光强度，即泄露光强度。计算公式如下所示:

其中，n₂sinβ₁＝n₁sinβ₂、n₂sinβ′₁＝n₁sinβ′₂，E_p1、E_s1、E_p2、E_s2分别表示的是入射光的p分量和s分量振幅，泄露光的p分量和s分量的振幅，n₁、n₂分别指的是空气和光波导板的折射率，β₁、β′₁分别表示的是光线在受力位置P点的入射角和光泄露处Q点的入射角，β₂、β′₂分别表示的是光线在受力位置P点的折射角和光泄露处Q点的折射角。

泄露光强度与三维力之间的关系表达式，结合式(5)、(6)、(7)得到的力的三个分量与光强度之间的关系表达式为：

其中，函数a₁、a₂、a₃、b₁、b₂、b₃、c₁、c₂、c₃、d₁、d₂、d₃是比例系数，可以通过标定实验得到。

具体的，如图5所示，复眼阵列2的基底材料选用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)，利用单点金刚石切削法进行制造，复眼透镜总视场角为a_c＝180°，令每个视场角a_f＝16°，则在一个截面上，需要的子眼个数为11个。复眼剖面图展示的是在一个截面圆周上的子眼位置和数量。R₂、R₃、L₁分别表示基底外侧和内侧曲率半径和子眼面型高度。本实施例取R₂＝11mm，R₃＝10mm，L₁＝0.5mm。根据R₂、a_f的值，求出子眼孔径为：

为了使得子眼光轴均与光锥大端球面垂直，必须保证光锥大端与复眼透镜基底同球心，取子眼透镜焦距为f，则光锥大端半径：

R_d＝R₂+L₁-f (9)

为了实现目标空间位置的准确探测，各个子眼通道的像不允许重叠，则子眼在光锥大端球面上成像像高为：

h′＝π·R_d/(2*11) (10)

由透镜成像原则有：

h′＝2*f*tan(a_f/2) (11)

为了保证每一个子眼在视场角的范围内，能有足够多的光线参与成像，则肯定会有额外的光线会成像在相邻子眼的区域内，从而造成子眼串扰，导致成像质量降低，为了保证相邻子眼之间保留一定的视场重叠，本实施例最终取a_f＝18.5°，由式(9)、(10)、(11)可得：

R_d＝8mm

f＝3.5mm

子眼透镜焦距f＝3.5mm，光锥大端半径R_d＝8mm，小端边长为5mm。

触觉传感器的分辨力和三维力解算

l′＝f＝3.5mm，光源波长λ＝635nm，有效孔径D为3mm，则艾里斑半径为：

根据阿贝正弦公式：

HN sinμ＝H'N'sinμ'

其中，H是物空间分辨的最小距离。H′为像空间的艾里斑半径。物空间折射率n＝1，像空间折射率n′＝1，物方孔径角μ＝71.6°，像方孔径角μ′＝23.2°，则系统的理论衍射极限分辨力：H＝0.37μm。

曲面光波导板1到子眼之间的距离l＝0.5mm，假设光锥和CCD可理想实现三维球面到二维平面的图像压缩，则透镜横向放大率为：

光锥表面积为402.12mm²；CCD面积为22.68mm²，故缩放比为β′＝17.73。由此计算物方到像方将放大约0.39倍，像方最小线度为0.144μm小于CCD像素尺寸2μm。因而触觉传感器的物方分辨力为衍射极限分辨力0.37μm。

对于三维力计算，利用图像传感器的图像灰度值和形心位移作为三维力计算的特征参量。本实施例拟采用图像传感器接收到的二维光能信息实现三维空间力测量，利用光斑的灰度值计算法向力，光斑形心位移计算剪切力。简化复眼阵列和光纤光锥，曲面光波导板的接触面积与和图像传感器的二维光斑坐标之间的关系如图6所示。

在曲面光波导板中，接触图像的灰度值与法向力是成比例关系的：

其中，C和g″(x,y)分别是转换系数和灰度值分布。定义S′为接触区域的面积，对于接触微元g″(x,y)进行积分则可得到大面积接触的灰度值，定义为G。

忽略接触物与光波导板之间的摩擦力，则水平方向的剪切力分量F_x、F_y的计算公式为：

其中K_x、K_y是被测物x和y方向的弹性系数，接触面积在水平方向上的x运动分量和y运动分量定义为u_x、u_y和球坐标下的灰度值g″(x_i,y_i)分别表示为：

其中，g′(x,y)为探测器上光斑的灰度值，u′_x(x,y)、u′_y(x,y)分别代表的是探测器上光斑灰度值的形心位移的x和y方向分量。

是g″(x_i,y_i)的形心与笛卡尔坐标下x轴的夹角，φ_i是笛卡尔坐标系下g′(x,y)与x轴的夹角。

关于该触觉测量装置进行测量时的环境控制；

对于光强的测量，由于曲面光波导板的材料是不透明的硅胶，外界杂散光对测量结果的影响很小(可忽略)。本实施例从隔振、温度两个方面加以控制：

①把装置安装在有隔振措施的平台上。

②实验室恒温控制。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于仿生复眼的大角度高分辨力触觉传感方法，基于触觉传感装置，包括曲面光波导板、复眼阵列、掩膜、光纤光锥、LED光源阵列、LED光源固定板阵列、LED光源固定支架阵列、探测器和底座；所述底座上表面上安装有探测器和LED光源固定支架阵列，所述探测器与光纤光锥的末端耦合，所述曲面光波导板和复眼阵列同球心安装于光纤光锥顶端上方，球心与探测器的中心位于同一竖直线上；复眼阵列的各个子眼之间填充有所述掩膜，所述LED光源固定支架阵列的顶部安装有LED光源固定板阵列，LED光源阵列放置于LED光源固定板阵列上，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：当物体接触到曲面光波导板且光波导板在接触处P点产生变形，建立形变量与力之间的关系为：F₁＝f₁(Δx)、F₂＝f₂(Δy)、F₃＝f₃(Δz)，其中F₁、F₂、F₃分别是x、y、z方向的力分量，Δx、Δy、Δz分别是x、y、z方向的形变量，f₁、f₂、f₃分别是x、y、z方向的力与形变量之间的函数关系；

步骤二：通过接触处P点得到泄露光的出射位置Q点的坐标，利用几何光学的方法进行分析，由于接触面的形变导致曲面光波导板局部不满足全反射条件，取内部的一条光线以及z＝z₁截面进行分析，根据

得到Q点的坐标，其中，P(t-Δx,b-Δy,z₁)是受力位置点，Q点是光出射点位置，O点是坐标原点，

是受力点P的法向量；

步骤三：得到泄露光强度；在P点利用菲涅耳公式计算P点的反射光强度，在Q点处再次利用菲涅耳公式计算出折射光强度，即泄露光的强度；两次利用菲涅耳公式得到的泄露光强度的表达式为：E_p2＝g₁(E_p1)，E_s2＝g₂(E_s1)，其中，E_p1、E_s1、E_p2、E_s2分别表示的是入射光的p分量和s分量振幅，泄露光的p分量和s分量的振幅，g₁、g₂是泄露光与入射光和形变量之间的函数关系；

步骤四：建立泄露光强度与三维力之间的关系表达式，结合步骤一到步骤三所得到的关系表达式，得到的力与泄露光之间的表达式是：F₁＝h₁(E_p2,E_s2,Δx)、F₂＝h₂(E_p2,E_s2,Δy)、F₃＝h₃(E_p2,E_s2,Δz)，其中，h₁、h₂、h₃是泄露光与三维力之间的函数关系；

步骤五：建立探测器上的灰度值以及形心位移与三维力之间的关系表达式；复眼阵列作为接收泄露光的第一部分，经过复眼阵列之后的泄露光再经过光纤光锥最终用探测器接收；得到三维力与灰度值以及形心位移之间的关系为：F_x＝f_x(u_x)、F_y＝f_y(u_y)、F_z＝-g(G)，其中，F_x、F_y、F_z分别是x方向的剪切力、y方向的剪切力和z方向的法向力，f_x、f_y、g分别是三维力与形心位移和灰度值之间的关系曲线；关系曲线作为三维力测量的数学模型，根据探测器上光斑的灰度值和曲线g计算法向力，根据探测器上光斑的形心位移信息和曲线f_x、f_y计算剪切力；即可得到传感装置的三维触觉力测量模型。

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