CN210802390U - 触觉传感器、机器人及弹性体 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及传感控制领域，提供了一种触觉传感器、机器人及弹性体。其中，触觉传感器包括；弹性体，其上设有多个标记点；所述弹性体因接触物体发生形变致使所述多个标记点中至少部分标记点位置变化，所述至少一个摄像头用于采集弹性体形变后所述多个标记点的图像信息；根据采集到的图像信息获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值确定出所述物体的三维结构参数。本实用新型实施例提供的技术方案，将结构光与光学触觉传感技术融合，在无需增加结构光投射设备，不改变原有体积的情况下，使得触觉传感器具有感测被测物体三维结构信息的功能。

Description

触觉传感器、机器人及弹性体

技术领域

本实用新型涉及传感控制领域，特别涉及一种触觉传感器、机器人、触觉传感器用弹性体及物体感测方法。

背景技术

触觉传感器是用于机器人中模仿触觉功能的传感器。按照实施原理，触觉传感器可分为：压阻式，电容式，压电式，量子隧道式，光学式，气动式，结构式声学和多模式触觉传感器。它们中的一些善于测量物体的力量，或者在感测纹理、温度、硬度等做得很好。

但目前的触觉传感器无法感测到被测对象的三维结构信息。

实用新型内容

为了解决上述问题或至少部分地解决上述技术问题，在本实用新型的一个实施例中，提供了一种触觉传感器。该触觉传感器包括：

至少一个摄像头；

弹性体，其上设有多个标记点；

所述弹性体因接触物体发生形变致使所述多个标记点中至少部分标记点位置变化，所述至少一个摄像头用于采集弹性体形变后所述多个标记点的图像信息；

其中，根据采集到的图像信息获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值确定出所述物体的三维结构参数。

本实用新型的另一个实施例，提供了一种触觉传感器，包括：

至少一个摄像头；

弹性体，其上形成有结构光图案；

其中，所述结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案；

所述弹性体因接触物体发生形变致使所述结构光图案变化，所述至少一个摄像头用于采集含有形变后结构光图案的图像信息。

本实用新型的实施例还提供了一种机器人，包括：

机体；

处理器，设置在所述机体内；

触觉传感器，设置在所述机体上，并与所述处理器连接；

其中，所述触觉传感器包括：

至少一个摄像头；

弹性体，其上设有多个标记点形成的图案；

所述弹性体因接触物体发生形变时，所述至少一个摄像头采集弹性体形变后所述多个标记点的图像信息，并发送给所述处理器，由所述处理器根据采集到的图像信息获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值确定出所述物体的三维结构参数。

本实用新型的实施例还提供了一种触觉传感器用弹性体，弹性体上形成有结构光图案；所述结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案。

本实用新型实施例提供的一种技术方案，通过在触觉传感器的弹性体上设置结构光图案；在触觉传感器碰触到物体时，弹性体上的结构光图案会随着物体的接触部轮廓发生形变，便可利用结构光理论，完成接触物体的三维结构参数的确定。本实用新型实施例提供的技术方案，将结构光与光学触觉传感技术融合，在无需增加结构光投射设备，不改变原有体积的情况下，使得触觉传感器具有感测被测物体三维结构信息的功能。

本实用新型实施例还提供了另一种技术方案，触觉传感器的弹性体上设置有多个标记点；在触觉传感器碰触到物体时，弹性体上的多个标记点中部分或全部标记点的位置会发生变化；触觉传感器的至少一个摄像头采集含有多个标记点的图像信息；根据至少一个摄像头采集到的图像信息，可获知多个标记点在空间坐标系下的坐标值；由多个标记点在空间坐标下的坐标值即可确定出被碰触物体的三维结构参数。本实用新型实施例提供的技术方案，实现了光学触觉传感器具有感测被测物体三维结构信息的功能。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅用于示意本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图中未提及的技术特征、连接关系乃至方法步骤。

图1是本实用新型实施例的触觉传感器的立体爆炸示意图；

图2是本实用新型实施例的触觉传感器的立体示意图；

图3是本实用新型实施例的触觉传感器的剖面爆炸示意图；

图4是基于本实用新型实施例提供的触觉传感器实现物体三维结构参数感测的流程示意图；

图5是基于本实用新型另一实施例提供的触觉传感器实现物体三维结构参数感测的流程示意图；

图6是本实用新型实施例的结构光图案内任意标记点与两个摄像头之间的关系示意图；

图7是本实用新型实施例的结构光图案内任意标记点与右侧摄像头的坐标系关系示意图；

图8是本实用新型实施例的结构光图案的空间坐标系与右侧摄像头的坐标系的关系示意图；

图9是本实用新型实施例的计算设备的模块框图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

应当理解，在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种，但是不排除包含至少一种的情况。

应当理解，尽管在本申请实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述某些部件，但这些部件不应仅仅被限于定于这些术语中。这些术语仅用来将各部件彼此区分开。例如，在不脱离本申请实施例范围的情况下，第一某某部件也可以被称为第二某某部件，类似地，第二某某部件也可以被称为第一某某部件。

还需要说明的是，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商品或者系统不仅包括那些要素，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商品或者系统所固有的要素。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商品或者系统中还存在另外的相同要素。

在上述的各实施例中，尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是本领域的普通技术人员应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。

本领域技术人员将进一步领会，结合本文中所公开的实施例来描述的各种解说性逻辑板块、模块、单元、电路、和算法步骤可实现为电子硬件、计算机软件、或这两者的组合。为清楚地解说硬件与软件的这一可互换性，各种解说性组件、框、模块、单元、电路、和步骤在上面是以其功能性的形式作一般化描述的。此类功能性是被实现为硬件还是软件取决于具体应用和施加于整体系统的设计约束。技术人员对于每种特定应用可用不同的方式来实现所描述的功能性，但这样的实现决策不应被解读成导致脱离了本申请的范围。

光学式触觉传感器通常包括：摄像头、弹性体及弹性体表面的附着层组成。其工作原理为：通过摄像头捕获因与物体接触而产生形变的弹性体(或流体)部分的图像，来获取触觉信息。在很大程度上，该弹性体表面的附着层决定了该类触觉传感器的性能。如若附着层选用为某些金属层时通常具有优异的纹理感知性能；若附着层选用感温变色材料则触觉传感器会对温度感知敏感；若附着层具有很多标记点时，可辅助该触觉传感器获取三维力信息等。

结构光是一组投影仪和相机组成的系统结构，其工作原理是：相机拍摄投影仪投影的具有一定结构特征的光线图案因物体的三维结构产生的形变，根据相机、投影仪之间的空间关系以及投影图案的形变信息便可获得物体的三维结构数据。通常情况下，结构光系统的相机的光轴和投影仪的中心轴之间具有角度差，形成三角几何关系，通过三角测量法测量出三维结构，因此该角度差是求解物体三维结构的重要因素之一。现有的结构光系统中的相机数目和投影仪数目可根据需求进行设计，比较典型的几种分别为一个相机一个投影仪，一个相机两个投影仪，或两个相机一个投影仪。一个相机一个投影仪及一个相机两个投影仪的系统通常根据相机光轴和投影仪中心轴之间形成的三角几何关系测量物体的三维结构；而两个相机一个投影仪的系统结构，对相机光轴和投影仪中心轴的角度差要求不严格(即该角度差可为0)，因其本身就具有三角几何关系，通过两个相机及投影机之间组成的三角几何关系即可求取物体的三维结构参数。

本申请的发明人发现：现有触觉传感器只能获取到物体的触觉信息，而不能感测物体的三维结构信息；而结构光系统虽然能获取物体的三维结构信息，但其极易受光线影响且系统庞大。若能将结构光的工作原理融合到触觉传感器中，将使得现有触觉传感器也具有感测被测物体三维结构信息的功能。

有鉴于此，本申请的实施例提供了一种触觉传感器、机器人、触觉传感器用弹性体及物体感测方法。

其中，一种触觉传感器，参见图1、图2所示，包括：至少一个摄像头1；弹性体2，其上设置有多个标记点形成的图案；所述弹性体2因接触物体发生形变致使所述标记点的图案变化，所述至少一个摄像头1用于采集弹性体形变后标记点图案的图像信息；其中根据采集到的图像信息获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值确定出所述物体的三维结构参数。

结构光，通常指的是一组由投影仪和相机组成的系统结构，通常由投影仪将某种形状的结构光投射到物体表面。其具体的工作原理为，通过相机拍摄投影仪投影的光线图案因物体的三维结构产生的形变，根据相机、投影仪之间的空间关系以及投影图案的形变信息便可获得物体的三维结构数据。

结构光技术被认为是数字化物体表面的最可靠技术之一，其具有高精度、高分辨等优势。目前，该技术已被应用于众多领域，如自动打磨机器人，探针校准，焊缝机器人等，且目前已实现利用基于结构光技术的单次扫描方法重建高帧率视频的每帧中物体的3D形状，即物体运动状态下的三维结构，该技术可促使获取更多的物体属性信息。

但是，现有技术的结构光系统通常十分庞大，而且极易受环境光影响，很难被应用于小型移动机器人的感知操作过程中。

在本申请中，无需设置投影仪，取而代之地，在触觉传感器的弹性体2上设置有多个标记点形成的图案，摄像头采集弹性体形变后标记点图案的图像信息。基于与传统的投影仪型结构光系统相同的测量原理，即，根据相机、标记点图案之间的空间关系以及标记点图案的形变信息便可获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，从而获得物体的三维结构数据。

此外，作为本申请实施例的进一步优选，参见图3所示，所述弹性体2为透明弹性体；所述至少一个摄像头1位于所述弹性体2的第一侧21；所述标记点图案设置在所述弹性体2内，或设置在所述弹性体2的第二侧22的弹性体表面上；其中，所述第一侧21与所述第二侧22相对；所述至少一个摄像头1中各摄像头1距所述标记点图案的距离满足成像需求。

值得强调的是，在本申请的实施例中，标记点图案可以被设置在所述弹性体2的内部，也可以被设置在所述弹性体2的第二侧22的弹性体表面上。为了便于摄像头1获取弹性体2上的标记点图案的变化，弹性体2可以设置为全透明的，也可以设置为半透明的。

当弹性体2具有较好的弹性时，设置在弹性体2内的标记点图案同样能够随弹性体2的形变发生变化，且该标记点图案被设置在弹性体2内部时，能够更好地防止弹性体2表面在长期使用过程中可能发生的磨损。

而标记点图案被设置地越靠近第二侧22表面，则其发生形变的幅度越大，越能更好地反应出被测物理的表面状况，当标记点图案被设置在弹性体2的第二侧22表面时，具有最佳的测量效果。

当然，若弹性体2为不透明的弹性体，则所述标记点图案可设置在所述弹性体2的处于摄像头1的视野采集范围内的端面上。假设摄像头1的视野采集范围内的端面称为第一端面；相应的，弹性体2的用于与被测物体接触的端面，称为第二端面，那么第一端面和第二端面为所述弹性体2的相对的两个端面。理论上，上述采用不透明的弹性体2实现也是可行的，但需控制弹性体2的厚度以保证第二端面接触被测物体时，第一端面必须随之发生相应的形变；这样设置在第一端面上的标记点图案才能发生变化，才能基于变化的标记点图案作后续的计算。相比较而言，透明弹性体2的实施方案，实现更简单，准确度会更高。

本申请的实施方式还提出了一种触觉传感器用的弹性体2的制备方法，其包括如下步骤：

S1、制备弹性体2的第一本体；

S2、利用丝网印刷技术，在所述第一本体上印刷标记点图案。

其中，弹性体2的第一本体可以是弹性体2本身，因此在第一本体上印刷的标记点图案相当于印刷在了弹性体2的一侧表面。

可选地，所述标记点编码图案的原料通过将硅油和彩色颜料以预设比例混合制成。进一步可选地，所述预设比例可以为1：6至1：4的范围内，特别可以为1:5。所述弹性体2的第一本体采用聚二甲基硅氧烷制备而成。聚二甲基硅氧烷具有透明度高、柔软性强的特点，特别适合作为本申请的弹性体2来使用。

当标记点图案被印刷在弹性体2内部时，其制备方法还可以包括如下步骤：

S1’、制备弹性体2的第二本体；

S2’、将所述第一本体和所述第二本体粘合，使所述标记点编码图案保留于所述弹性体2的内部。

通过彼此粘合的方式，可以将标记点图案很好地保留在弹性体2的内部，防止磨损。其中，第二本体的厚度可以小于第一本体，以提高标记点图案对形变的灵敏度。另外，第二本体还可以是不透明的，从而防止强环境光对摄像头1的识别可能产生的影响。

可选地，摄像头1的数量可以为1个，也可以是多个。在图1和图3中示意了摄像头1数量为两个时的情形。当摄像头1的数量为两个时，可选地，参见图3所示，所述弹性体2具有自所述第一侧21贯穿至所述第二侧22的中心轴线；两个摄像头1的设备参数相同；且两个所述摄像头1的镜头中心连线的中点在所述中心轴线上。

通常情况下，在设置有投影仪时，结构光系统的相机的光轴和投影仪的中心轴之间具有角度差，从而可以形成三角几何关系。通过三角测量法，相机可以测量出三维结构，因此该角度差是求解物体三维结构的重要因素之一。

在本申请中，通过设置两个相机，且将这两个相机设置成镜头中心连线的中点在所述中心轴线上的方式，可以在构成这一三角几何关系的前提下获得更好的成像质量。

在本申请的实施例中，所选用的设备参数具有一致性的两个摄像头1，可以极大幅度地方便后期处理。可选地，可以采用USB摄像模组，其焦距可以为20mm，尺寸可以为25mm*15mm*5mm。

另外，作为本申请的实施例的进一步优选，可以将两个摄像头1毗邻设置。相互靠近的摄像头1所获取的图像具有更好的一致性，因此可以进一步减少处理器的计算量。

在本申请的实施例中，摄像头1的数量是可以根据需求进行设定的。典型地，还可以设置为3枚、4枚的摄像头1。更多的摄像头1能够提供更多角度的标记点图案，提升物体三维结构的求解精度。

在另一种可实现的方案中，所述摄像头1的数量为一个；一个所述摄像头1的光轴与所述结构光图案所在平面呈锐角或钝角。

所述弹性体2具有自所述第一侧21贯穿至所述第二侧22的中心轴线。相应的，所述摄像头与标记点图案的设置方式有如下几种：

所述标记点图案所在平面垂直于所述中心轴线，所述摄像头1的光轴与所述标记点图案所在平面呈第一角度；或者，

所述标记点图案所在平面与所述中心轴线呈第二角度，所述摄像头1的光轴与所述中心轴线同轴；或者，

所述标记点图案所在平面与所述中心轴线呈第三角度，所述摄像头1的光轴与所述中心轴线呈第四角度。

通常，在仅设置一个摄像头1时，为了形成三角几何关系，摄像头1的光轴需要相对标记点图案的所在平面倾斜，因此第一角度、第二角度、第三角度、第四角度都可以为锐角或钝角。

而相比于设置多个摄像头1时而言，在摄像头1数量减少的前提下，显著地降低了触觉传感器的成本。

本申请还提供一种安装有上述触觉传感器的机器人。即，一种机器人，包括：机体、处理器及触觉传感器。其中，处理器设置在所述机体内；触觉传感器，设置在所述机体上，并与所述处理器连接。所述触觉传感器包括：弹性体及至少一个摄像头。弹性体上设有多个标记点；所述弹性体因接触物体发生形变时，所述至少一个摄像头采集弹性体形变后所述多个标记点的图像信息，并发送给所述处理器，由所述处理器根据采集到的图像信息获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值确定出所述物体的三维结构参数。

在另一个较佳的实施例中，弹性体表面设置的多个标记点形成的图案为结构光图案，该结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案。通过摄像头1采集到弹性体2上的这一结构光图案的变化，基于与传统的投影仪型结构光系统相同的测量原理，可以实现对引起弹性体2形变的物体表面的三维结构数据的检测。

这里需要说明的是：本实施例提供的所述触觉传感器与上述实施例的区别仅在于弹性体上形成的一个是结构光图案，一个是多个标记点。其他结构均相同，具体内容可参见上述实施例中的描述，此处不再赘述。

值得一提的是，结构光的类型可被分为多种，简单的结构化的光包括：点结构光、线结构光以及简单的面结构光等等。而复杂一些的结构光则包括对结构光图案的光学结构进行图案编码，而据此根据图案的编码信息的变化能够获得的三维结构数据也将随之变化。结构光图案主要用于辅助三维结构求解过程中的标记点匹配，图案的编码方式有空间法。空间方法编码的图案通常只需要一张图案，且图案中的标记点的排列方式具有空间关系。本申请的实施方式中，可以对弹性体2上的结构光图案进行编码。

本申请的实施例还提供了一种触觉传感器用弹性体2，所述弹性体2上形成有结构光图案。具体实施时，该结构光图案可设置在弹性体2内，也可设置在弹性体2的一侧表面上。

此外，基于上述的触觉传感器，本申请的实施例还提供了一种机器人，包括：机体、处理器及触觉传感器。其中，处理器设置在所述机体内；触觉传感器设置在所述机体上，并与所述处理器连接。所述触觉传感器包括：至少一个摄像头1及弹性体2。弹性体2上设有多个标记点形成的图案；所述弹性体2因接触物体发生形变时，所述至少一个摄像头1采集弹性体2形变后所述多个标记点的图像信息，并发送给所述处理器，由所述处理器根据采集到的图像信息获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值确定出所述物体的三维结构参数。

可选地，所述弹性体上标记点形成的图案可以为结构光图案.其中，所述结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案。所述弹性体2因接触物体发生形变致使所述结构光图案变化，所述至少一个摄像头1用于采集含有形变后结构光图案的图像信息，并发送给所述处理器，由所述处理器根据形变后结构光图案的图像信息，确定所述物体的三维结构参数。

这里需要说明的是：本实施例提供的所述机器人的触觉传感器与上述实施例的触觉传感器基本相同，因此具体内容可参见上述实施例中的描述，此处不再赘述。

基于上述结构和方法，本申请还提供了一种应用场景如下：

场景一

在服务机器人的机械臂上，安装了前述的触觉传感器。服务机器人抓取某物体，触觉传感器的弹性体2与该物体发生接触，物体表面对弹性体2施加压力，使弹性体2发生形变，从而使设置在弹性体2上的结构光图案发生相应的变形。至少一个摄像头1采集了结构光图案所发生的变形过程以及含有形变后结构光图案的图像信息，发送给服务机器人的处理器。经过处理器的计算，即可生成该物体表面的三维结构参数，从而提高服务机器人的物体识别能力。以服务机器人抓取模型橙子和真的橙子的动作为例，当橙子为模型时，具有刚性的光滑表面，而橙子为水果时，则具有相对柔软的粗糙表面。弹性体2在遇到这两种表面时，发生形变的过程、形变的最终结果带来的结构光图案的改变同样具有不同的特征。通过识别这些特征既可辅助服务机器人获得模型橙子和真橙子表面软硬度的触觉信息，又可获得二者的三维结构参数，以辅助服务机器人区别真橙子还是模型橙子。

场景二

在辅助机器人的机械臂上，安装了前述的触觉传感器。辅助机器人进入特殊的环境，如恶劣环境、水下环境或人手无法触及的环境等，触觉传感器的弹性体2与环境中存在的物体发生接触，物体表面对弹性体2施加压力，使弹性体2发生形变，从而使设置在弹性体2上的结构光图案发生相应的变形。至少一个摄像头1采集了含有形变后结构光图案的图像信息，并把图像信息发送给辅助机器人的处理器。经过处理器的计算，即可生成该环境中存在物体表面的三维结构参数，从而提高辅助机器人的感知能力。以辅助机器人探测水下物体的三维结构为例，辅助机器人进入水下空间，在水下空间内移动，移动过程中通过不断的碰触物体外轮廓的不同位置，以获得水下空间内该物体的三维结构参数。

场景三

在扫地机器人的边缘处，安装了前述的触觉传感器。扫地机器人在室内作业遭遇障碍物时，触觉传感器与障碍物发生接触，其上所设置的弹性体2发生形变，从而使设置在弹性体2上的结构光图案发生相应的变形。至少一个摄像头1采集了含有形变后结构光图案的图像信息，并将图像信息发送给扫地机器人的处理器。经过处理器的计算，即可生成该物体表面的三维数据模型，扫地机器人基于该三维数据模型，可以对作业环境进行三维空间重建。

本申请首次将结构光技术与触觉传感技术融合，将结构光技术原理应用于接触式传感领域，使触觉传感技术能够求解物体的三维结构信息。本申请的实施例所提供的机器人能够在操作过程中获得接触物体的三维结构、属性信息(软硬度、粗糙度等)，这些辅助信息提高了机器人的操作精细度，使机器人更加智能化。而且相比于现有技术而言，本申请所提出的触觉传感器将结构光技术集成到一个简单小巧、可随意移动、价廉的结构中，突破了传统结构光系统原有的设备庞大而昂贵、无法移动、参数易变、易受外界环境光影响等局限性问题。

进一步的，本申请提供的实施例中触觉传感器还可以包括：

照明装置3，用于为所述至少一个摄像头1采集所述标记点图案提供符合采集要求的环境照度。

现有技术的结构光系统，由于需要设置投影仪进行投射，在投射和获取结构光图案的过程中，对环境的照度提出了较为严格的要求。而在本申请的实施例中，由于不需设置投影仪，所设置的照明装置3所提供的光照可以使得无论在何种环境照度下，触觉传感器依然能够发挥稳定的三维结构模型构建作用。也就是说，本申请所提出的触觉传感器对环境光照不敏感，因此还解决了结构光传感器的光敏感问题。

进一步地，所述照明装置3可以包括：

若干枚灯珠31，各所述灯珠31环绕所述弹性体2的周围均匀布置，并朝向所述标记点编码图案的所在方向。其中，可以为这些灯珠31设置独立的固定板32，以用于形成支撑。

在本申请的实施例中，参见图1所示，采用了16个均匀布置在弹性体2四周且总电压不超过4V的贴片式白色LED灯。这些LED给弹性体2提供了稳定且统一的光照，能够避免由于外界自然光的亮度变化造成的测量偏差。

可选地，触觉传感器还可以包括：电路板4，所述摄像头1设置在所述电路板4上；支撑板23，通过支撑柱24固定在所述电路板4上，用于支撑所述弹性体2，所述支撑板23的对应所述摄像头1的部位开设有透光孔。

进一步的，基于上述结构，触觉传感器还可以包括：外壳6，所述外壳6上开设有窗口，所述弹性体2的一部分伸出所述窗口，其余部分容纳于所述外壳6内。

具体说来，参见图1、图2所示，外壳6可以包括上壳体61和下壳体62。其中，窗口被设置的上壳体61上，弹性体2的位于壳体内部的部分的宽度可以略大于窗口的开口宽度，以便将弹性体2卡在壳体内。此外，下壳体62还可以开设有用于连接线缆的线缆接口63，以便摄像头1对外通信连接。

在本申请的又一实施例中，还提供了一种物体感测方法。本实施例提供的所述物体感测方法的执行主体可以是安装有采用上述实施例方案实现的触觉传感器的设备，如机器人等；或者是与执行体(如机械臂)连接的计算设备，如计算机、控制器等等，其中，执行体上安装有采用上述实施例方案实现的触觉传感器，触觉传感器包括：弹性体及至少一个摄像头。弹性体上设有多个标记点。具体的，如图4、图5所示，所述物体感测方法包括如下步骤：

101、弹性体因接触物体发生形变时，获取由摄像头采集的弹性体形变后多个标记点的图像信息。

其中，摄像头数量为一个或多个。

102、根据获取到的图像信息，确定所述物体的三维结构参数。

具体地，步骤102还包括：

1021、根据获取到的图像信息，确定所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值。

1022、根据所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，得出所述物体的三维结构参数。

本实施例提供的所述方法，可基于现有结构光理论来实现物体三维结构参数的确定。通过标记点图案与至少一个摄像头所形成的三角几何关系，利用三角测量法即可得到接触物体的三维结构参数。

本实施例提供的技术方案，通过在触觉传感器的弹性体2上设置标记点图案；在触觉传感器碰触到物体时，弹性体2上的标记点图案会随着物体的接触部轮廓发生形变，便可利用结构光测量理论，完成接触物体的三维结构参数的确定。本申请各实施例提供的技术方案，将结构光与光学触觉传感技术融合，在无需增加结构光投射设备，不改变原有体积的情况下，使得触觉传感器具有感测被测物体三维结构信息的功能。

在一种可实现的技术方案中，如图5所示，上述步骤102“根据获取到的图像信息，确定所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值”，可具体包括如下步骤：

获取与所述摄像头相关的参数。

具体的，若所述摄像头的数量为一个，则所述参数可包括但不限于：所述摄像头的光轴与结构光图案所在平面的夹角，以及所述摄像头的焦距等。若所述摄像头的数量为两个，则所述参数可包括但不限于：两个所述摄像头的光轴中心的距离，以及所述摄像头的焦距等。

根据与所述摄像头相关的参数及获取到的图案信息，计算所述图案中多个点在一个摄像头坐标系下的坐标值；

根据所述标记点图案中多个点所述摄像头坐标系下的坐标值以及所述摄像头坐标系与空间坐标系的关系，得出所述标记点图案中多个点在空间坐标系下的坐标值；

基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，确定所述物体的三维结构参数。

下面以摄像头1的数量为两个为例，两个摄像头1的设备参数相同；与所述两个摄像头1相关的参数包括：两个摄像头1的光轴中心距离B以及摄像头1的焦距f。两个摄像头1分别为第一摄像头和第二摄像头，第一摄像头采集到第一图像信息，第二摄像头采集到第二图像信息。下面将进一步介绍所述标记点图案的多个点中的一个点(下文称为第一点)在空间坐标系下的坐标值的计算过程；图案中的其他坐标值计算过程类同。即上述步骤1022中“根据与所述摄像头相关的参数及获取到的图案信息，计算所述结构光图案中多个点在一个摄像头坐标系下的坐标值”，可包括：

S1、获取所述第一点在所述第一图像信息中对应成像点在第一摄像头坐标系下的X向坐标值X1。

S2、获取所述第一点在所述第二图像信息中对应成像点在第二摄像头坐标系下的X向坐标值X2。

S3、根据所述X1、所述X2、所述光轴中心距离B及所述焦距f，计算所述第一点在所述第一摄像头坐标系下的Z向坐标值Z1’。

这里需要补充的是：所述第一点在所述第二摄像头坐标系下的Z向坐标值与所述第一点在所述第一摄像头坐标系下的Z向坐标值相等。实际应用中，所述第一点在所述第一摄像头坐标系下的Z向坐标值亦可称为深度。

S4、获取所述第一点在所述第一图像信息中对应成像点在第一摄像头坐标系下的Y向坐标值Y1。

S5、根据所述X1、所述Y1、所述Z1’及所述焦距f，计算所述第一点在所述第一摄像头坐标系下的X向坐标值X1’及Y向坐标值Y1’。

根据三角形相似原理，可得出如下关系：

(X1’，Y1’，Z1’)即第一点在所述第一摄像头坐标系下的坐标值。

本申请又一较佳的实施例还提供了一种物体感测方法。该方法是对应于触觉传感器的弹性体上设置有结构光图案的场景。即，本实施例提供的所述物体感测方法的执行主体是安装有触觉传感器的设备，如机器人等；或者是与执行体(如机械臂)连接的计算设备，如计算机、控制器等等，其中，执行体上安装有触觉传感器。触觉传感器包括：弹性体及至少一个摄像头。弹性体上设有结构光图案。具体的，所述物体感测方法包括如下步骤：

201、弹性体因接触物体发生形变时，获取由摄像头采集的含有形变后结构光图案的图像信息。

其中，摄像头数量为一个或多个。所述结构光图案形成在所述弹性体上，且所述结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案。

202、根据获取到的图像信息，确定所述物体的三维结构参数。

上述步骤202“根据获取到的图像信息，确定所述物体的三维结构参数”，可包括如下步骤：

2021、根据与所述摄像头相关的参数及获取到的图案信息，计算所述图案中多个点在一个摄像头坐标系下的坐标值；

2022、根据所述结构光图案中多个点所述摄像头坐标系下的坐标值以及所述摄像头坐标系与空间坐标系的关系，得出所述标记点图案中多个点在空间坐标系下的坐标值。

这里需要说明的是，上述步骤2022中基于图像信息确定各标记点在一个摄像头坐标系下的坐标值的过程，可参见上述步骤S1～S5的内容。

为方便理解，接下来将结合图6、图7和图8对上述物体感测方法进行说明。图6、图7和图8所示的方法是基于上述图1至图3所示结构的触觉传感器中两个摄像头各自采集到的含有形变后结构光图案或多个标记点的图像信息，来完成物体三维结构参数的确定。在弹性体2因接触被测物体发生形变时，弹性体上的结构光图案发生形变。假设结构光图案中有一标记点P(相当于上述方法步骤中提及的第一点)，其在空间坐标系下的坐标值为：(X_W，Y_W，Z_W)。

设两个摄像头中第一摄像头的光轴中心为O_R，第二摄像头的光轴中心为O_L。第一摄像头坐标系为X_RY_RZ_R，坐标系中心为O_R；第二摄像头坐标系为X_LY_LZ_L，坐标系中心为O_L。两个摄像头的光轴中心的距离为B，焦距均为f。

参见图6所示，第一摄像头采集到第一图像信息，第二摄像头采集到第二图像信息。第一标记点P在第一图像信息中对应的成像点为p₂；p₂在第一摄像头坐标系X_RY_RZ_R中X_R轴上的坐标为x；第一标记点P在第二图像信息中对应的成像点为p₁；p₁在第二摄像头坐标系X_LY_LZ_L中X_L轴上的坐标为x’。基于三角形相似性可推导出如下计算公式：

其中，Zw′为第一标记点P在第一摄像头坐标系X_RY_RZ_R下的深度，即第一标记点P在第一摄像头坐标系X_RY_RZ_R中Z_R轴上的坐标值。

这里需要说明的是：实际上，上述计算过程也可将上述第一摄像头坐标系替换为第二摄像头坐标系，本申请实施例对此不作具体限定。

可选地，也可用成像界面的像素坐标系作为参考坐标系来进行Zw′的计算。即，参见图6所示，第一标记点P在第一图像信息中对应的成像点为p₂；p₂在成像界面2的像素坐标系下的横轴上的坐标为a，成像界面2的像素坐标系的原点为(u₂，v₂)；第一标记点P在第二图像信息中对应的成像点为p₁；p₁在成像界面1的像素坐标系下的横轴上的坐标为b，成像界面1的像素坐标系的原点为(u₁，v₁)。相应的，基于如下的公式3：

x+x′＝b-a (公式3)

上述公式2还可转换为如下公式4：

假设标记点P在第一摄像头坐标系X_RY_RZ_R下的坐标为：(X′_W，Y′_W，X′_W)。参见图7所示，(X′_W，Y′_W，Z′_W)的值可以通过如下方式求解：

设p₂在第一摄像头坐标系X_RY_RZ_R下的坐标为(x，y，z)，则根据三角形相似原理，(X′_W，Y′_W，Z′_W)与(x，y，z)存在的关系为：

其中，Z′_W，x，y和f均已知，从而可求解出X′_W和Y′_W。

参见图8所示，第一摄像头坐标系X_RY_RZ_R，其中X_RY_R平面与空间坐标系X_wY_wZ_w中X_wY_w平面的距离为L，根据向量的加法原则，可得：

转化成坐标向量，即：

因此，P的空间坐标值为：

Y_W＝-Y′_W

Z_W＝Z′_W-L

最后，基于上述计算过程，可求出结构光图案上所有标记点的空间坐标；基于所有标记点的空间坐标，即可确定出被测物体的三维结构参数。

综上所述，本申请首次将结构光技术与触觉传感技术融合，将结构光技术原理应用于接触式传感领域，使触觉传感技术能够求解物体的三维结构信息。本申请的实施例所提供的机器人能够在操作过程中获得接触物体的三维结构、属性信息(软硬度、粗糙度等)，这些辅助信息提高了机器人的操作精细度，使机器人更加智能化。而且相比于现有技术而言，本申请所提出的触觉传感器将结构光技术集成到一个简单小巧、可随意移动、价廉的结构中，突破了传统结构光系统原有的设备庞大而昂贵、无法移动、参数易变等局限性问题。

如图9所示，本实施例还提供一种计算设备。该计算设备可以为与安装有触觉传感器的设备(如扫地机器人)连接的客户端设备，如手机、智能穿戴设备，或者该计算设备为与安装有触觉传感器的设备(如扫地机器人)连接的网络侧服务器，等等，本实施例对此不作具体限定。具体的，所述计算设备包括：存储器51及处理器52，其中，

所述存储器51，用于存储程序；

所述处理器52，与所述存储器51耦合，用于执行所述存储器51中存储的所述程序，以用于：

弹性体因接触物体发生形变时，获取由摄像头采集的含有形变后标记点图案的图像信息；所述多个标记点设置在所述弹性体上，所述摄像头的数量为至少一个；

根据获取到的图像信息，确定所述物体的三维结构参数。

上述存储器51可被配置为存储其它各种数据以支持在计算设备上的操作。这些数据的示例包括用于在计算设备上操作的任何应用程序或方法的指令。存储器51可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如静态随机存取存储器(SRAM)，电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)，可擦除可编程只读存储器(EPROM)，可编程只读存储器(PROM)，只读存储器(ROM)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。

上述处理器52在执行存储器51中的程序时，除了上面的功能之外，还可实现其它功能，具体可参见前面各实施例的描述。

进一步，如图9所示，计算设备还包括：通信组件43、显示器44、电源组件45、音频组件46等其它组件。图9中仅示意性给出部分组件，并不意味着计算设备只包括图9所示组件。

本申请又一实施例还提供了一种计算设备。本实施例的计算设备与上述图9所示计算设备的结构类同；区别在于处理器实现的功能不同。具体的，计算设备包括：存储器及处理器，其中，

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，与所述存储器耦合，用于执行所述存储器中存储的所述程序，以用于：

弹性体因接触物体发生形变时，获取由摄像头采集的含有形变后结构光图案的图像信息；其中，所述结构光图案形成在所述弹性体上，且所述结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案；所述摄像头的数量为至少一个；

根据获取到的图像信息，确定所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值；

根据所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，得出所述物体的三维结构参数。

相应地，本申请实施例还提供一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被计算机执行时能够实现上述各实施例提供的物体感测方法的步骤或功能。

最后应说明的是，本领域的普通技术人员可以理解，为了使读者更好地理解本申请，本申请的实施例提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于上述各实施例的种种变化和修改，也可以基本实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。因此，在实际应用中，可以在形式上和细节上对上述实施例作各种改变，而不偏离本申请的精神和范围。

Claims (21)

1.一种触觉传感器，其特征在于，包括：

至少一个摄像头；

弹性体，其上设有多个标记点形成的图案；

所述弹性体因接触物体发生形变致使所述多个标记点中至少部分标记点位置变化，所述至少一个摄像头用于采集弹性体形变后所述多个标记点的图像信息；

其中，根据采集到的图像信息获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值确定出所述物体的三维结构参数。

2.根据权利要求1所述的触觉传感器，其特征在于，所述弹性体为透明弹性体；

所述至少一个摄像头位于所述弹性体的第一侧；

所述多个标记点设置在所述弹性体内，或设置在所述弹性体的第二侧的弹性体表面上；

其中，所述第一侧与所述第二侧相对；所述至少一个摄像头中各摄像头距所述多个标记点的距离满足成像需求。

3.根据权利要求1或2所述的触觉传感器，其特征在于，所述摄像头的数量为一个；

所述多个标记点在同一平面上；

一个所述摄像头的光轴与所述多个标记点所在平面呈锐角或钝角。

4.根据权利要求1或2所述的触觉传感器，其特征在于，所述摄像头的数量为两个。

5.根据权利要求2所述的触觉传感器，其特征在于，

所述弹性体具有自所述第一侧贯穿至所述第二侧的中心轴线；

所述摄像头的数量为两个；

两个所述摄像头的设备参数相同；

两个所述摄像头的镜头中心连线的中点在所述中心轴线上。

6.一种触觉传感器，其特征在于，包括：

至少一个摄像头；

弹性体，其上形成有结构光图案；

其中，所述结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案；

所述弹性体因接触物体发生形变致使所述结构光图案变化，所述至少一个摄像头用于采集含有形变后结构光图案的图像信息。

7.根据权利要求6所述的触觉传感器，其特征在于，所述弹性体为透明弹性体；

所述至少一个摄像头位于所述弹性体的第一侧；

所述结构光图案设置在所述弹性体内，或设置在所述弹性体的第二侧的弹性体表面上；

其中，所述第一侧与所述第二侧相对；所述至少一个摄像头中各摄像头距所述结构光图案的距离满足成像需求。

8.根据权利要求7所述的触觉传感器，其特征在于，所述摄像头的数量为一个；

一个所述摄像头的光轴与所述结构光图案所在平面呈锐角或钝角。

9.根据权利要求7所述的触觉传感器，其特征在于，所述摄像头的数量为两个。

10.根据权利要求9所述的触觉传感器，其特征在于，

所述弹性体具有自所述第一侧贯穿至所述第二侧的中心轴线；

两个所述摄像头的设备参数相同；

两个所述摄像头的镜头中心连线的中点在所述中心轴线上。

11.根据权利要求6至10中任一项所述的触觉传感器，其特征在于，还包括：

照明装置，用于为所述至少一个摄像头采集所述结构光图案提供符合采集要求的环境照度。

12.根据权利要求6至10中任一项所述的触觉传感器，其特征在于，还包括：

电路板，所述摄像头设置在所述电路板上；

支撑板，通过支撑柱固定在所述电路板上，用于支撑所述弹性体，所述支撑板的对应所述摄像头的部位开设有透光孔。

13.根据权利要求6至10中任一项所述的触觉传感器，其特征在于，还包括：

外壳，所述外壳上开设有窗口，所述弹性体的一部分伸出所述窗口，其余部分容纳于所述外壳内。

14.一种机器人，其特征在于，包括：

机体；

处理器，设置在所述机体内；

触觉传感器，设置在所述机体上，并与所述处理器连接；

其中，所述触觉传感器包括：

至少一个摄像头；

弹性体，其上设有多个标记点形成的图案；

所述弹性体因接触物体发生形变时，所述至少一个摄像头采集弹性体形变后所述多个标记点的图像信息，并发送给所述处理器，由所述处理器根据采集到的图像信息获得所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值，基于所述多个标记点在空间坐标系下的坐标值确定出所述物体的三维结构参数。

15.根据权利要求14所述的机器人，其特征在于，所述弹性体上标记点形成的图案为结构光图案；

其中，所述结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案。

16.根据权利要求14或15所述的机器人，其特征在于，

所述弹性体为透明弹性体；

所述至少一个摄像头位于所述弹性体的第一侧；

所述多个标记点设置在所述弹性体内，或设置在所述弹性体的第二侧的弹性体表面上；

其中，所述第一侧与所述第二侧相对；所述至少一个摄像头中各摄像头距所述多个标记点的距离满足成像需求。

17.根据权利要求16所述的机器人，其特征在于，所述摄像头的数量为一个；

所述多个标记点在同一平面上；

一个所述摄像头的光轴与所述多个标记点所在平面呈锐角或钝角。

18.根据权利要求16所述的机器人，其特征在于，所述摄像头的数量为两个。

19.根据权利要求18所述的机器人，其特征在于，

所述弹性体具有自所述第一侧贯穿至所述第二侧的中心轴线；

两个所述摄像头的设备参数相同；

两个所述摄像头的镜头中心连线的中点在所述中心轴线上。

20.一种触觉传感器用弹性体，其特征在于，所述弹性体上形成有结构光图案；

所述结构光图案为模拟结构光投射在平面上形成的图案。

21.根据权利要求20所述的触觉传感器用弹性体，其特征在于，所述弹性体为透明弹性体；

所述结构光图案设置在所述弹性体内，或设置在所述弹性体的一侧表面上。

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