CN1920477B - 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)

1.一种脉象传感装置，其特征在于包括：

一个囊，其中

所述囊的下部具有由弹性膜构成的传感面，且

所述囊内充满压缩空气或一定压强的透明液体，从而使所述囊的所述传感面在受压时具有与人指搭脉类似的接触状态；

用于拍摄囊的传感面背面的摄像装置，

用于投射分布在所述传感面背面上的多个有排列规则的标记的标记投射装置，

从而借助所述囊的所述传感面获得一定压力下脉搏搏动动态影像。

2.如权利要求1所述的脉象传感装置，其特征在于所述囊有一个透明封盖。

3.如权利要求1所述的脉象传感装置，其特征在于进一步包括：

与所述囊的上部连接的一个桶，所述囊和桶是连通的，囊和桶都充满所述压缩空气或所述透明液体，且所述桶和囊是总体密封的；

在桶的上部的一个透明封盖；

一个活动支架，所述桶被安装在所述活动支架上。

4.如权利要求3所述的脉象传感装置，其特征在于进一步包括：

安装在所述活动支架上的应变压力传感器，用于控制所述传感面与被测部位之间的加压压力和传感脉搏压力信号。

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