CN1920477A - 接触面形变的传感方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械量传感领域，尤其接触面形状及其变化的触觉传感。对于触觉传感，一般都是传感压力，本发明是传感接触面的形状变化，如皮肤接触物体感知物体的形状及其变化。采用光学的方法。

Description

接触面形变的传感方法和装置

技术领域：

本发明涉及机械量传感领域，尤其接触面形状及其变化的触觉传感。

背景技术：

对于触觉传感，一般都是传感压力，本发明是传感接触面的形状变化，如皮肤接触物体感知物体的形状及其变化。

发明内容：

本发明传感接触面的形状变化的基本方法是：在与被传感对象接触的传感器的接触面的背面布有排列规则的标记，标记可以从上投射下来，也可以直接标记在接触面的反面。同时在不同方向拍摄这个有标记的面，从同一个标记在2个不同拍摄角度拍摄的画面中所处的位置，及2个摄像(摄像装置)位置之间的确定的位置关系，光路，可以计算出该标记的三维坐标。这些被确定三维坐标的标记连起来，就构成了整个接触面的形状，将连续拍摄的计算所得接触面形状动态连接，即得到动态变化的图像。不经坐标计算，直接观看拍摄的图像，观察接触面的变化，也是其应用的一种方式。

标记的规则排列，主要是在不同的摄像面上能辨别出是同一个标记的影像，例如标记是有排列规则的，可以从某特征点如某条边或角或特殊标记点为起点起推，按排列相邻的关系，推出(辨别)所有的标记点，一般并不要求位置很精确一致。

下面举例说明，图1是基本方法的图示例，1顶部摄像装置靶面(例：CCD或CMOS像敏单元构成的面阵)是水平放置，正对覆盖3传感面背面标记区，2侧面摄像装置靶面与水平面成夹角α，其靶面也完全覆盖3传感面背面标记区，在安置时保证1顶部摄像装置靶面和2侧面摄像装置靶面的一边是平行的，即x方向相同，且3传感面背面标记区上同一点在1顶部摄像装置靶面和2侧面摄像装置靶面上的x坐标相同，1顶部摄像装置靶面的最前边，即y坐标最小的边与2侧面摄像装置靶面的与水平面相交的边的距离为d，则任选一个标记，该标记中心在1顶部摄像装置靶面上的坐标为：(X1，y1)，在2侧面摄像装置靶面上的坐标为：e(X2，y2)，a为从e在y轴方向引线到2侧面摄像装置靶面边缘的交点，则可以作出几何计算图如图2，c为3传感面背面标记区上该标记的中心点，b为该标记中心点向上与水平面的交点，d为ab与ce的交点，e、b所在角都为直角，可以得到：

bc＝(y1+d)ctgα-y2/sinα

此为垂直方向坐标值，结合其水平面坐标(x1，y1)，该标记中心的三维坐标都有了。

如果以上2个摄像装置的位置、方向不同，则算式将改变，但在位置确定后，总是可以由(x1，y1)(x2，y2)确定标记的中心点的实际位置，可以计算得到该标记中心点的三维坐标，这里不作推导。

靶面的坐标如果方向与象素阵列相同的，例如可以用象素来作为单位，以0.5象素为一个计量单位，以方便运算，也节约存储空间，最后可以根据光路、象素实际大小等计算出标准计量单位值。例如如果仅需要单色辉度区分，一般象素间是紧挨着的，每个都可以用，精度准确度高。需要分色的，则每色象素不是紧挨的，直接用分辨率低，每个象素经过运算得到全色数据则精度差，所以尽量选用单色。

以某条边或角或特殊标记点为起点，根据标记间的排列关系，可以找到在2个面上都确认的点，求得每个标记中心的三维坐标。连接起来就是一个面。

由标记图案求标记的中心。比如椭圆形的可以二值化后，将椭圆的边缘坐标全部标出，x、y相邻的为同一个椭圆，以此分组。在一组中可以找到x、y最大、最小的点，以其差值最大的2点连线，中点即圆心。别的图案也可以是先求有特征的交点、极值距离点或中心点等。这里只是举例，其实现方法多样。

偏向于接触面垂直的方向拍摄，更容易得到其垂直方向运动投影的细节分辨率。

实际运用中，在靶面和标记之间还会有光学装置扩大靶面覆盖的面积，及进行光路的变换、组图等，在下面的例子中会有涉及，其计算也要根据实际情况有所变化。

图4所示为电路框图，1核心部件包括中央处理器、IO部件、存储部件，它与5摄像器件连接，获得摄像数据，也可以对5摄像器件进行设置和发命令，1核心部件获得数据后进行某种处理，例如压缩、坐标计算等处理；其结构也可以是多套核心部件各自与摄像器件独立连接，负责运算，另有1套核心器件协调处理。运算的结果可以通过4通讯部件端口给更高一级的计算单元处理，例如计算机；也可以直接在3显示部件上显示拍摄的图形，或计算的坐标，或根据计算结果拟合好的面。通过4通讯部件，还可以接收上位机的指令。与其他部件联络的信号及人机交互的信号通过2操作及输入输出部件来进行。

以上的电路单元设计主要有2种形式，当然，也可以有中间过渡形式。这两种形式是：

1、作为电脑直接控制的一个单元，没有自己的显示和操作输入部件。但是也可以把一些与之关系密切的控制交给这个单元来作，如一些指示灯、按钮，与测试基座的配合信号等。与电脑之间例如可以用USB端口相连，或其他高速总线连接，如1394，PCI等。该单元仅作一些简单的压缩，计算工作可以交给电脑来完成，显示也完全由电脑完成。

2、作为一个独立的单元工作，不用上位机的介入也能完成几乎所有的基本功能。与上位机联机主要是数据存储交换。也可以增设自身的存储接口如存储卡接口等来交换数据。也可以增设上网接口，直接进行远程连接。

总之，电路部分的结构和形式可以有多种变化，并不影响本发明的实质。

对于一个摄像器件象素不够用的，增加象素帧数又不够的，还可以拼接多个摄像器件同时工作。

附图说明

以下图中所画部件形状，有的甚至完全与真实部件不相似，仅指代部件的大致方位。不影响对基本方法、装置的理解即可。

图1基本方法举例图示

图2基本方法举例的几何计算

图3为脉象传感器的外形示意

图4为电路硬件框图示例

图5独立光路5个方向的拍摄

图6共用摄像装置的多方向拍摄

图7是共用一个摄像器件的各个方向(1个顶视4个侧向)摄像在靶面上的分布图

图8是共用一个摄像器件的4个方向摄像，经光学器件移位调整在靶面上的分布图

具体实施方式

以下靶面成像部分例如采用物方远心光路，也可以根据具体情况变化。照明例如可以在物镜上方用半透半反镜或小棱镜分光，采用临界照明或柯勒照明等。

例1：1顶4边分别5套摄像装置。接触膜的反面标记区为预先画点，例如可以采用激光烧灼，点小，且平；也可以用其他方式着色。

如图5，在4个侧向以5侧面摄像装置靶面B和6物镜B为一套侧向，4面对称共4套摄像装置，及顶上1顶部摄像装置靶面A和2物镜A一套摄像装置(包括光路)，这些摄像装置都能覆盖7传感面背面标记区。

侧向摄像装置与水平面成一个小于90度夹角，倾向标记区，互不阻碍光路。这样在中间有凸起时，每个标记基本都能在至少两个摄像装置上得到坐标，多出的数据可以不用，也可以用于互校。但如果应用中有多峰凸起，且造成在各个方向的摄像装置上只有一个有坐标(有其影像)，而摄像装置的侧向角度已不能再调，则也可以用该标记与周围已知坐标标记点关系，根据其平放时的标记间距离和现在投影的距离，计算其粗略高度，运用此法，要求标记的排列间距是已知的标准的准确的。当然我们也可以增加不同方向、位置的摄像装置来解决问题。具体情况具体解决。

例2：1顶4边5套摄像装置，中心2边光干涉

本例与例1的差别是标记的方式，本例不在接触膜的反面标记区预先画点，而是通过在标记区形成干涉条纹，来作标记。干涉光产生和入射方式、位置有多种，例如最简单的是在一角的两边用单一波长的光从各自的双缝射出，在标记区上形成网格状，覆盖整个标记区。各处条纹宽度的差异，不影响标记作用。也可以使用光学器件使干涉光由其他位置射出，且对成像光路没有影响。

例3：1顶4边5套摄像装置，分时4边光干涉。

在例2的基础上，例如对角另2边也能射入干涉光，分时使用两对干涉光，即分时点亮2对干涉光，2次拍摄数据互补。这样有助于解决一个入射方向的干涉光被凸起的峰挡住，在峰的另一边部分看不到干涉条纹的问题，该部分可以在下一次拍摄时从对边的干涉光得到干涉条纹。例如动态时可以有点象CRT电视中的隔行扫描方式的处理。

例4：1顶3边4套摄像装置。

在例1中4套侧向的摄像装置去掉1套，余下3套水平互成120度夹角，这样效果与4套侧向相似，但计算稍复杂。其他例子中4套侧向的也可以改为3套侧向方式的。甚至如果只需观测一个侧向的波动效果，仅设一个侧向的都行，总之，是根据实际需要来配置。

例5：1顶4边3套摄像装置，顶部固定干涉光免摄像器件

在使用干涉光的例子中如果干涉光发射光路定位精确，则与光同向的顶部的摄像影像是不变的，或基本不变的，此时，可以略去顶部的摄像装置，而将其摄像的图案数据存在存储部件里每次调用即可。

例6：利用光学器件折射侧向影像，缩小侧向体积。

以上举例的侧向摄像装置使侧向的体积比较大，如何减小，我们可以利用光学器件，例如棱镜来从侧面折射影像到上端顶部，那么原来的侧面摄像装置全部移到上部。

例7：侧向折射后，且共用一套摄像装置

以上举例的多个方向、位置的摄像，每个都有自己的独立的光学装置和摄像器件，这样体积大，成本高。如图6，以例1为参照，本例将侧向的摄像，通过2光学器件例如棱镜折射(3、4、5同样)，与标记区一起，通过6物镜，例如通过1套物方远心光路，在顶部的摄像器件上成像。根据光路的变化，靶面区域分配的变化，计算也作必要调整。以上各例都可以本方法调整。唯取消顶部摄像装置的需要加上，但仍可以不直接摄像标记区，其方法见例8。

例8：调整靶面影像布局，充分利用靶面。

在例7的基础上用光学器件来调整、移位光路，使能充分利用靶面，又不与其他各路及发射到标记区的光路互相影响。如图7是图6所示光路在靶面区域上的直接分布，边上4块为4个侧向影像。图8则是4个影像(如1顶3侧或无顶4侧)经过光学器件调整后的成像，充分利用了靶面。图7也可以调整为两行3列，利用靶面长宽比不同，充分利用靶面。当然，如果实在因为靶面太小，导致计算精度下降，我们也可以将几个摄像面阵排在一起用，但影像要避开芯片之间的间隔。

例9：作为脉象传感器的应用

以上示例的系统装入外套，底部接触传感面做成囊的皮。如图3。下部为相似于人指的囊，例如囊面有弹性，囊的下部双线表示此处为传感面背面标记区，并不表示双层。上部为藏有部分或全部光学部件的桶，可以大于囊。摄像装置可以桶外衔接，也可以桶内衔接。例如一种用法是我们可以通过1个或多个侧面观察一定压力下脉象搏动动态影像；更定量的是根据各个点的坐标，平滑连接成一个平面，可放大观察，可作自动分析判断的基础数据。观察一定压力下脉象搏动动态影像，可以与脉象的指感和文字描述相对应。

囊与桶之间是相对隔离的，或完全隔离的，囊用透明封盖密封，囊内充压缩空气或充满一定压强的透明液体；如果不隔离的话，则桶和囊都充满，桶上端要密封。囊的传感部位局部受压时与人指目部的皮肤有相似的弹性特性。如果是充液体，要考虑其折射影响。囊和桶之间的连接必须牢固。桶的形状不一定是圆的，可以有多种适合需要的形状选择，如方形、长方形、椭圆形或其他不对称的形状等等。桶将被固定到活动支架上，或经由与上部的摄像器件所在部件的连接固定到活动支架上。

此传感，例如还可以与连接支架部的应变压力传感结合，或与囊传感面的压电效应结合(比如用PVDF薄膜作囊面)电荷放大获得压力信号，控制加压压力及传感脉搏压力信号。

例如囊还可以开一个通孔到另一弹性容器，该弹性容器甚至可以是可调的。

本发明的典型应用是脉搏传感，与人指的触感相似，视觉与触觉可以对应。与前人的指感描述可以对应。也提供了一个比较全面的记录手段，和作为脉象自动辨识判断的较全面的数据基础。

但本发明的应用面是很广泛的，具体实现方式也是很多样的，以上的举例并不表示其实现的方式只有这些。本发明通过计算还可以转换为压力传感。

本发明包含所有这些处于权利要求范围内的选择、修改、变化，而不止于举例的范围。

Claims (4)

1.一种接触面形变的传感方法和装置，其特征在于，在接触面的背面设置很多有排列规则的标记，用摄像装置拍摄标记区的变化，可以观察接触面的形状及其变化，其数据可以记录。

2.如权利要求1所述，所说的摄像装置，其特征在于，从一个标记在2个不同摄像装置的位置，可以计算出标记的三维坐标。

3.如权利要求2所述，所说的标记的三维坐标，其特征在于，将各个标记点的三维坐标平滑连接起来，可以构成一个曲面，其细部可以放大。

4.如权利要求2所述，所说的标记的三维坐标，其特征在于，这些数据可以作为自动分析判断的数据基础。

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