CN114113008A - 一种基于结构光的人工触觉设备和方法 - Google Patents

一种基于结构光的人工触觉设备和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于结构光的人工触觉设备和方法，该人工触觉设备包括激光器、相机和弹性膜，其中所述弹性膜的下表面用于接触物体，所述激光器用于向所述弹性膜的上表面发射结构光，所述弹性膜上设有荧光物质以使得在所述激光器向所述弹性膜的上表面发射结构光时所述弹性膜的上表面能够保留结构光的轨迹，所述相机用于捕捉所述弹性膜上表面的结构光的轨迹。本发明具有结构光的精度高、成本低等优点，同时能够避免传统结构光探测时出现的识别点错误等问题。

Description

一种基于结构光的人工触觉设备和方法
技术领域
本发明涉及触觉设备技术领域，尤其涉及一种基于结构光的人工触觉设备和方法。
背景技术
非视觉环境中的物体或环境场景探测是特种机器人实际应用的一大难点，如浑浊液体环境、烟雾环境或洞穴管道等无光环境。在一些环境中，由于污染物等原因，不利于传统光学或主动光学器件进行探测，超声波器件精度较低，因此机器触觉成为这类场景下的主要解决方案。
结构光探测技术在环境探测中已经成熟，其在工程化中主要问题是对探测物的反射面的反光度有要求，另外探测物表面的凸起程度太大时会造成相位错误，导致形状重建错误。
传统结构光探测原理是采用激光器发射激光到被测物体上，当被测物体有形变时，对应的点位置发生改变，被摄像头采集经计算得到物体的形状。但是采用该方法探测物体的形状需要保证被激光照射的物体表面反光度较为一致，并且光路中间不能有遮挡，否则无法有效成像；而且被探测的物体形状变化不能太大，否则对应点识别时可能造成错位(相位错误)。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为避免传统结构光探测时出现的上述技术问题，本发明提出一种基于结构光的人工触觉设备和方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明公开了一种基于结构光的人工触觉设备，包括激光器、相机和弹性膜，其中所述弹性膜的下表面用于接触物体，所述激光器用于向所述弹性膜的上表面发射结构光，所述弹性膜上设有荧光物质以使得在所述激光器向所述弹性膜的上表面发射结构光时所述弹性膜的上表面能够保留结构光的轨迹，所述相机用于捕捉所述弹性膜上表面的结构光的轨迹。
优选地，所述弹性膜由透明介质填充，且保持张紧状态。
优选地，所述弹性膜由气体填充，且保持张紧状态。
优选地，所述弹性膜采用弹性薄膜。
优选地，所述荧光物质为在所述弹性薄膜的内层或内部涂设的荧光涂料。
优选地，所述激光器所发射的结构光的波长为405nm。
优选地，所述荧光物质为黄绿色。
优选地，所述激光器发射的结构光为特定图案的结构光，所述特定图案为点阵、条纹、网格或相位图。
本发明还公开了一种基于结构光的人工触觉方法，采用上述的人工触觉设备来获取物体的形状，包括以下步骤：所述激光器向所述弹性膜的上表面发射结构光，所述激光器的结构光的光点激发所述荧光物质并充能使得所述荧光物质发光以在所述弹性膜的上表面保留结构光的轨迹，所述相机捕捉所述弹性膜上表面的结构光的轨迹，并根据所述弹性膜上表面的结构光的轨迹计算得到物体的形状。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的基于结构光的人工触觉设备和方法，利用弹性膜作为反射面，同时弹性膜上设有荧光物质，通过带有荧光特性的弹性膜可以保留结构光光点的轨迹，从而避免传统结构光探测时出现的问题。
附图说明
图1是本发明优选实施例的基于结构光的人工触觉设备的结构示意图；
图2是图1中的人工触觉设备接触物体的示意图；
图3是弹性薄膜上的结构光的光点及光点移动轨迹示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1和图2所示，是本发明优选实施例提出的基于结构光的人工触觉设备的结构示意图，该触觉设备包括激光器10、相机20和弹性薄膜30，激光器10的结构光照射于弹性薄膜30的上表面上而不是直接照射物体40，由弹性薄膜30的下表面接触物体40形变，结构的形变进而被相机20捕捉，弹性薄膜30可保证表面反射度一致。
具体地，弹性薄膜30由气体或透明介质填充，且保持张紧状态以保证无褶皱。弹性薄膜30的内层或内部有荧光涂料，结构光的光点会激发荧光涂料并充能，使其发光，这样光点就能保留其移动轨迹一段时间，如图3所示，而此时轨迹被相机捕捉，避免了探测物凹凸起伏较大造成的光点错位。
在进一步的实施例中，激光器采用405nm的波段，该波段接近荧光材料充能的中心波长且易被相机接收，进一步提高结构光探测的精度。其中激光器发射的结构光为特定图案的结构光，特定图案为点阵、条纹、网格或相位图等。
在进一步的实施例中，荧光材料采用黄绿色，发光效果教好，提高相机采集效果。
本发明优选实施例还提供一种基于结构光的人工触觉方法，采用上述人工触觉设备，激光器向弹性薄膜的上表面发射结构光，激光器的结构光的光点激发荧光涂料并充能使得荧光涂料发光以在弹性薄膜的上表面保留结构光的轨迹，相机捕捉弹性薄膜上表面的结构光的轨迹，并根据弹性薄膜上表面的结构光的轨迹计算得到物体的形状。
本发明优选实施例提供的基于结构光的人工触觉设备和方法，其中通过在物体上设置带有荧光涂料的弹性薄膜，使物体在弹性薄膜上形变的过程可以保留进而得到物体形状，该设备和方法具有结构光的精度高、成本低等优点，同时避免了结构光对被测物表面的反光度要求和可能出现的识别点错误问题。该设备和方法特别适合在传统光学设备无法发挥作用的浑浊环境、烟雾环境等条件下进行环境测量，拓宽了人工触觉设备的应用范围。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于结构光的人工触觉设备，其特征在于，包括激光器、相机和弹性膜，其中所述弹性膜的下表面用于接触物体，所述激光器用于向所述弹性膜的上表面发射结构光，所述弹性膜上设有荧光物质以使得在所述激光器向所述弹性膜的上表面发射结构光时所述弹性膜的上表面能够保留结构光的轨迹，所述相机用于捕捉所述弹性膜上表面的结构光的轨迹。
2.根据权利要求1所述的人工触觉设备，其特征在于，所述弹性膜由透明介质填充，且保持张紧状态。
3.根据权利要求1所述的人工触觉设备，其特征在于，所述弹性膜由气体填充，且保持张紧状态。
4.根据权利要求1所述的人工触觉设备，其特征在于，所述弹性膜采用弹性薄膜。
5.根据权利要求4所述的人工触觉设备，其特征在于，所述荧光物质为在所述弹性薄膜的内层或内部涂设的荧光涂料。
6.根据权利要求1所述的人工触觉设备，其特征在于，所述激光器所发射的结构光的波长为405nm。
7.根据权利要求1所述的人工触觉设备，其特征在于，所述荧光物质为黄绿色。
8.根据权利要求1所述的人工触觉设备，其特征在于，所述激光器发射的结构光为特定图案的结构光，所述特定图案为点阵、条纹、网格或相位图。
9.一种基于结构光的人工触觉方法，其特征在于，采用权利要求1至8任一项所述的人工触觉设备来获取物体的形状，包括以下步骤：所述激光器向所述弹性膜的上表面发射结构光，所述激光器的结构光的光点激发所述荧光物质并充能使得所述荧光物质发光以在所述弹性膜的上表面保留结构光的轨迹，所述相机捕捉所述弹性膜上表面的结构光的轨迹，并根据所述弹性膜上表面的结构光的轨迹计算得到物体的形状。
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