TWI482956B - 物體特性感測系統及其控制方法 - Google Patents

Description

物體特性感測系統及其控制方法

本發明係關於一種物體特性感測系統，尤其是一種藉由彈性腔體與受測物接觸時的壓力及接觸面積計算物體剛性之物體特性感測系統。

在需要感測是否碰觸到物體之應用領域，例如：微創手術設備、機器手臂抓握感知裝置或清掃用機器人(Robot)等，均須設置觸碰感測器，用以得知是否碰觸到物體。以微創手術設備為例，在進行微創手術過程中，當微創手術設備之器械在人體內移動時，必須於該器械之一端設置觸碰感測器，方能得知該器械是否已碰觸到人體組織(例如：人體之器官或血管等)，而且，當觸碰感測器接觸到人體組織(即受測物)時不能造成組織損傷，方可順利進行後續手術處理過程。尤其，當進行軟組織診斷作業(例如：軟組織是否產生硬化等)時，除了不能造成軟組織損傷，還需得知組織之機械特性值(例如：楊氏係數)，因此，觸碰感測器必須具有受測物之機械特性值的量測功能，且觸碰感測器之感測頭之剛性必須可以調整。

有鑑於此，經檢視習知觸碰感測器，可分為單點感測型及陣列感測型，前者係如美國公告第6,443,509號「TACTILE SENSOR」專利案，揭示第一種習知觸碰感測器，藉由量測電阻變化量及壓力值等參數，得知是否已接觸到物體；後者係如美國公告第5,760,530號「 PIEZOELECTRIC TACTILE SENSOR」專利案，揭示第二種習知觸碰感測器，係由壓電材料形成陣列式排列的數個觸碰單元，各該觸碰單元的量測資料，可以得知平面的力量分布情形。惟，上述二種習知觸碰感測器並不具備剛性調整及受測物之機械特性值的量測功能，當進行軟組織診斷作業時，除了可能造成軟組織損傷，並無法得知組織之機械特性值，因此，並不適用於上述微創手術設備，亦無法探測軟性受測物之特性。

另，美國公告第7,591,166號「TACTILE SENSOR AND USE THEREOF」專利案，揭示第三種習知觸碰感測器，當一感測頭碰觸一受測物時，該受測物受力而變形，該感測頭由一影像擷取裝置擷取該感測頭及該彈性受測物之間的接觸面積，並藉由該接觸面積的大小得知該受測物之受力情形，進而做滑動的偵測。

惟，上述第三種習知觸碰感測器並不具備剛性調整及受測物剛性量測功能，因此，並不適用於探測軟性受測物之特性。

綜上所述，有必要提供一種物體特性感測系統，可以對受測物進行機械特性值的量測功能，而且，感測頭之剛性可以調整，當應用於微創手術設備時，可以進行軟組織診斷作業；當應用於機器手臂抓握感知裝置，可以依據受測物之機械特性值而調整抓握功能。

本發明的目的乃改良上述之缺點，以提供一種物體特 性感測系統，當感測頭接觸受測物時，藉由感測頭內部壓力變化、感測頭之變形量或感測頭與受測物的接觸面積得知受測物之機械特性值。

本發明之次一目的係提供一種物體特性感測系統，當感測頭接觸受測物時，可以針對受測物之特性，而改變感測頭之剛性。

本發明之另一目的係提供一種物體特性感測系統之控制方法，當該物體特性感測系統接觸受測物時，可以藉由感測頭內部壓力變化、感測頭之變形量或感測頭與受測物的接觸面積，而得知受測物之機械特性值。

一種物體特性感測系統，係包含：一觸碰單元，係用以接觸一受測物，而改變該觸碰單元之一腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸面積；一擷取單元，係用以擷取該觸碰單元與該受測物之間的接觸面積；一壓控單元，係用以量測該觸碰單元之腔室壓力；及一處理單元，係用以儲存該接觸面積及該腔室壓力，並由該接觸面積及該腔室壓力計算該受測物之機械特性值。

其中，該受測物之機械特性值為楊氏係數。

其中，該處理單元係依據該接觸面積、該腔室壓力及該受測物之應變量計算該受測物之機械特性值。

其中，該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一中央變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑；該擷取單元，係用以擷取該中央變形量及該接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及 該處理單元，係用以儲存該受測物之材料特性，並依據該材料特性、該腔室壓力、該接觸半徑及該中央變形量計算該受測物之機械特性值。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E為該受測物之楊氏係數，v為該受測物的泊松比，p為該觸碰單元之腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，u_zo 為該受測物之中央變形量。

其中，該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一中央變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑；該擷取單元，係用以擷取該中央變形量及該接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係用以儲存該受測物之材料特性，並依據該材料特性、該腔室壓力、該接觸半徑及該中央變形量計算該受測物之機械特性值。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E^＊ 為該觸碰單元與該受測物的楊氏係數關係式，a 為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，p為該觸碰單元之腔室壓力，R為該觸碰單元與該受測物的曲率關係式，u_zo 為該受測物之中央變形量，n為有關該觸碰單元之材料的冪次，R₁ 為該觸碰單元之曲率，R₂ 為該受測物之曲率，E₁ 為該觸碰單元之楊氏係數，E₂ 為該受測物之楊氏係數，v₁ 為該觸碰單元的泊松比，v₂ 為該受測物的泊松比。

其中，該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一邊緣變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑；該擷取單元，係用以擷取該邊緣變形量及該接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係用以儲存該受測物之材料特性，並依據該腔室壓力、該接觸半徑及該邊緣變形量計算該受測物之機械特性值。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E為該受測物之楊氏係數，v為該受測物的泊松比，p為該觸碰單元之腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，u_za 為該受測物之邊緣變形量。

其中，該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一中央變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑及體積；該擷取單元，係用以擷取該中央變形量、該接觸半徑及該體積變化量 ；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係依據該腔室壓力、該接觸半徑及該體積變化量計算該受測物之機械特性值。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E為該受測物之楊氏係數，p₂ 為該觸碰單元接觸該受測物後的腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，V_a 為該觸碰單元於接觸該受測物前後的體積變化量。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E為該受測物之楊氏係數，p₁ 為該觸碰單元接觸該受測物前的腔室壓力，p₂ 為該觸碰單元接觸該受測物後的腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，t為溫度係數，V₀ 為該觸碰單元的體積，V₁ 為該觸碰單元接觸該受測物前的體積，V₂ 為該觸碰單元接觸該受測物後的體積。

其中，該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物變形，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑及曲率；該擷取單元，係用以擷取該觸碰單元之曲率、該受測物之曲率及該接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元 之腔室壓力；及該處理單元，係依據該腔室壓力、該觸碰單元之曲率、該受測物之曲率及該接觸半徑計算該受測物之機械特性值。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E^＊ 為該觸碰單元與該受測物的楊氏係數關係式，p為該觸碰單元之腔室壓力，R為該觸碰單元與該受測物的曲率關係式，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，n為有關該觸碰單元之材料的冪次，R₁ 為該觸碰單元之曲率，R₂ 為該受測物之曲率，E₁ 為該觸碰單元之楊氏係數，E₂ 為該受測物之楊氏係數，v₁ 為該觸碰單元的泊松比，v₂ 為該受測物的泊松比，ρ為該受測物之表面曲率。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E^＊ 為該觸碰單元與該受測物的楊氏係數關係式，p為該觸碰單元之腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，n為n為有關該觸碰單元之材料的冪次，R₁ 為該觸碰單元之曲率，ρ為該受測物之表面曲率，E₁ 為該觸碰單元之楊氏係數，E₂ 為該受測物之楊氏係數，v₁ 為該觸 碰單元的泊松比，v₂ 為該受測物的泊松比。

其中，該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸面積；該擷取單元，係用以擷取該觸碰單元之變形量、該移動距離及該接觸面積的接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係儲存該受測物之材料特性，並依據該材料特性、該腔室壓力、該接觸半徑及該變形量計算該受測物之機械特性值。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，Y為該受測物之楊氏係數，v為該受測物之泊松比，p為該觸碰單元之腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，u_z 為該受測物於接觸區域內任一點之變形量，r為該接觸區域內之任一點半徑，E(r/a)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍內任一點之半徑的第二類橢圓全積分式。

其中，該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示：

其中，Y為該受測物之楊氏係數，v為該受測物之泊松比，p為該觸碰單元之腔室壓力，r為該接觸範圍外任一點之半徑，u_z 為該受測物在該接觸區域外任一點之變形量 ，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，E(a/r)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍外任一點之半徑的第二類橢圓全積分式，K(a/r)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍外任一點之半徑的第一類橢圓全積分式。

其中，該觸碰單元接觸該受測物前，由該壓控單元將該觸碰單元充壓至一預定壓力值。

其中，該擷取單元朝向該觸碰單元及該受測物。

其中，該觸碰單元係由一彈性膜及一透明板形成一腔室，該壓控單元連通該腔室，用以改變該觸碰單元之腔室內的流體壓力，使該觸碰單元之剛性改變。

其中，該壓控單元係由一壓力源及一壓力感測器連通該觸碰單元之腔室，用以改變該腔室內的流體壓力及感測該腔室內的腔室壓力。

其中，該處理單元係由一處理程式依據該觸碰單元之移動距離、該受測物與該觸碰單元之接觸面積、該受測物之變形量、該觸碰單元之變形量及該觸碰單元之腔室壓力及該受測物之材料特性計算該受測物之剛性，並依據該受測物之剛性而控制該壓控單元，以改變該觸碰單元之腔室壓力。

其中，該物體特性感測系統之控制方法，包含：一準備步驟，係由該壓控單元將該觸碰單元充壓至一預定壓力值，再將該觸碰單元朝向該受測物移動；一設定步驟，係由該處理單元定義該觸碰單元開始接觸該受測物之位置為一變形距離原點；一擷取步驟，係由該擷取單元擷取該觸碰單元與該受測物之間的接觸面積，並由該壓控單元量測 該觸碰單元之腔室壓力，再由該處理單元計算該觸碰單元之移動距離及變形量；及一計算步驟，係由該處理單元依據該腔室壓力及該彈性膜與該受測物之間的物理量計算該受測物之機械特性值。

其中，該物理量包含該彈性膜與該受測物之間的接觸面積、接觸半徑、變形量、移動距離、腔室體積或其組合。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：本發明全文所述之「剛性」(Stiffness)，係指物體抵抗變形之能力，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

本發明全文所述之「泊松比」(Poisson Ratio)，係指物體之橫向應變量與軸向應變量之比值，例如：一般軟組織的泊松比為0.49，係本發明所屬技術領域中具有通常知識者可以理解。

請參閱第1圖所示，其係本發明物體特性感測系統較佳實施例之系統示意圖，其係包含一觸碰單元1、一擷取單元2、一壓控單元3及一處理單元4，該觸碰單元1係用以接觸一受測物A，因而改變該觸碰單元1內部之一腔室壓力，並改變該觸碰單元1與該受測物A之間的接觸面積；該擷取單元2係用以擷取該觸碰單元1與該受測物A之 間的接觸面積；該壓控單元3係用以量測該觸碰單元1之腔室壓力；該處理單元4係用以儲存該接觸面積及該腔室壓力，並由該接觸面積及該腔室壓力計算該受測物A之機械特性值，例如：楊氏係數(Young’s modulus)等。在此實施例中，為方便後續說明，該受測物A之機械特性值係以楊氏係數作為實施態樣，惟不以此為限。

請再參閱第1圖所示，該觸碰單元1係由一彈性膜11及一透明板12形成一感測頭，該彈性膜11係由可透光之彈性材質製成，例如：矽膠或乳膠等，用以接觸一受測物A，進而改變該彈性膜11與該受測物A之間的接觸面積。在此實施例中，該彈性膜11係以矽膠作為實施態樣，惟不以此為限。該透明板12係由可透光之硬性材質製成，例如：壓克力、塑膠或玻璃等，該透明板12設有一通孔121，可以供流體(例如：氣體或液體等)流通；該透明板12之一表面結合該彈性膜11之周緣，使該彈性膜11與該透明板12共同形成一個可變容量之腔室13。在此實施例中，該透明板12係以玻璃作為實施態樣，惟不以此為限。該腔室13連通該透明板12之通孔121，該腔室13內所容置的流體量可由流體進出該通孔121而改變，進而改變該腔室13內的腔室壓力、該彈性膜11之形變量及剛性。其中，當該受測物A與該彈性膜11相互接觸時，將會改變該腔室13內的腔室壓力，該腔室壓力與該彈性膜11之剛性呈正相關。

請再參閱第1圖所示，該擷取單元2係由可以感測物體位移及變形量之裝置構成，例如：習知影像式感測器、 超音波式感測器或光學式感測器等，其物體位移及變形量之感測方式為熟知該項技藝者可以理解，在此容不贅述。該擷取單元2具有一擷取端21，該擷取端21朝向該觸碰單元1之透明板12及該受測物A，使該透明板12位於該擷取端21與受測物A之間，以便該擷取端21透過該透明板12擷取該觸碰單元1之移動距離及該受測物A與該觸碰單元1接觸時之形變狀態，例如：該受測物A與該觸碰單元1之接觸面積、該受測物A之變形量、觸碰單元1之變形量、曲率等幾何物理變化量，並輸出訊號表示該些幾何物理變化量。在此實施例中，該擷取單元2係以影像式位移感測器(例如：攝影機或照相機等)作為實施態樣，惟不以此為限，該擷取單元2與該觸碰單元1相結合，當該觸碰單元1與擷取單元2同時朝向該受測物A(如第1圖所示之D方向)移動時，該擷取單元2可以擷取具有該觸碰單元1及該受測物A之影像畫面(Video Frame)，其中該擷取單元2在使用前較佳先作校正，以獲知影像像素和實際尺寸的對應關係；而且，由該觸碰單元1與該受測物A之接觸區域的影像像素數量可以換算該接觸面積；除此之外，由於該受測物A之變形量與該觸碰單元1受壓迫後的長度(簡稱壓後長度)有關，因此，該壓後長度可作為換算該變形量之參考。

請再參閱第1圖所示，該壓控單元3設有一壓力源31及一壓力感測器32，該壓力源31係由可以改變流體壓力之裝置構成，例如：氣壓或液壓控制裝置等，該壓力源31係藉由管路連通該透明板12之通孔121及該腔室13，用 以改變該腔室13內的流體壓力，使該觸碰單元1之彈性膜11的剛性改變，而且，該壓力源31還可以設有一控制閥311，當該腔室13內的流體壓力到達一定值後，該控制閥311可以阻絕該腔室13與該壓力源31之間的管路，使該腔室13形成封閉環境，以維持該腔室13內的流體壓力，進一步暫停該壓力控管作業，以降低該壓力源31之耗電量。在此實施例中，該壓力源31係以氣壓控制裝置作為實施態樣，該壓力源31經由一導管33連通該壓力感測器32及該觸碰單元1之腔室13，惟不以此為限。該壓力感測器32係由可以感測流體壓力之裝置構成，例如：氣壓計或液壓計等，該壓力感測器32連通該腔室13，用以感測該腔室13內的腔室壓力狀態，並輸出訊號表示該腔室壓力。在此實施例中，該壓力感測器32係以氣壓計作為實施態樣。

請再參閱第1圖所示，該處理單元4係由具有資料處理及儲存功能之裝置構成，例如：各式微處理器(Micro-Processor)、數位訊號處理器(DSP)或電腦(Computer)等。在此實施例中，該處理單元4係以電腦作為實施態樣，惟不以此為限。該處理單元4係儲存並執行一處理程式(Computer Program)，且該處理單元4電性連接該擷取單元2及該壓控單元3，用以接收該擷取單元2及該壓控單元3之訊號，而儲存該觸碰單元1之移動距離、該受測物A與該觸碰單元1之接觸面積、該受測物A之變形量、該觸碰單元1之變形量及該觸碰單元1之腔室13內的腔室壓力等參數，並由該處理程式依據有關接觸力學之參數(例如：上述接觸面積、變形量、曲率、體積變化量及腔室 壓力等參數值)及該受測物A之材料特性(例如：泊松比等特性值)計算該受測物A之剛性。而且，該處理程式還可以依據該受測物A之剛性，使該處理單元4輸出訊號至該壓控單元3之壓力源31，以改變該腔室13內的腔室壓力。在此實施例中，該受測物A之材料特性係以泊松比作為實施態樣，惟不以此為限；該處理單元4可以預存該受測物A之材料特性(例如：軟組織之泊松比為0.49)，或者，該處理單元4可以儲存數種物體之材料特性與物體之形變情形的對應關係資料，並由該擷取單元2所擷取之物體之形變情形，而換算該受測物A之材料特性。

除此之外，該處理單元4還可以電性連接一介面單元(圖未繪示)，例如：觸控螢幕等，作為操作人員與該處理單元4之間交換資訊的介面。

請參閱第2圖所示，其係本發明物體特性感測系統較佳實施例之控制方法的運作流程圖，其中，該物體特性感測系統之控制方法包含一準備步驟S1、一設定步驟S2、一擷取步驟S3及一計算步驟S4。請一併參閱第3a及3b圖所示，其係本發明物體特性感測系統較佳實施例之使用情形示意圖(一)及(二)。

該準備步驟S1，係由該壓控單元3將該觸碰單元1充壓至一預定壓力值，再將該觸碰單元1朝向該受測物A移動。詳言之，該物體特性感測系統開始使用(例如：啟動電源)時，係由該處理單元4傳送訊號至該壓控單元3，使該壓力源31對該觸碰單元1之腔體13進行充壓(例如：充氣)，該處理單元4同時接收該壓力感測器32所輸出 之腔室壓力，待該腔室壓力達到該預定壓力值時，該處理單元4控制該壓力源31停止充壓。其中，該預定壓力值可依據該彈性膜11之材質差異而有所不同，並預先儲存於該處理單元4中，例如：若選擇該彈性膜11為矽氧樹脂(silicone)或聚二甲基矽氧烷(PDMS)等具有彈性的透明材料，則該腔室13密閉時的預定壓力值可選為大於大氣壓力之值(例如：4千帕，kpa)；而且，該預定壓力值還可以藉由該彈性膜11的膨脹高度或曲率來判定，例如：選擇該彈性膜11的膨脹高度(或曲率)為8毫米(mm)作為該預定壓力值。接著，將該觸碰單元1朝向該受測物A移動(如第3a圖所示之移動方向D)，使該受測物A與觸碰單元1可以相互接觸。之後，進行該設定步驟S2。

該設定步驟S2，係由該處理單元4定義該觸碰單元1開始接觸該受測物A之位置為一變形距離原點。詳言之，如第1及3a圖所示，該處理單元4係接收該擷取單元2之訊號(例如：影像畫面)，而得知該觸碰單元1是否已接觸到該受測物A，當該觸碰單元1之彈性膜11朝向該受測物A移動，而使該彈性膜11之輪廓C21開始接觸該受測物A之輪廓C11時，該處理單元4定義該開始接觸位置於該移動方向D之座標為該變形距離原點O，作為後續擷取其他幾何物理量之參考位置。

該擷取步驟S3，係由該擷取單元2擷取該觸碰單元1與該受測物A之間的接觸面積，並由該壓控單元3量測該觸碰單元1之腔室壓力，再由該處理單元4計算該觸碰單元1之移動距離及變形量。詳言之，由於該擷取單元2所 擷取之資料(例如：影像畫面)包含該觸碰單元1及該受測物A之接觸面積的資訊，因此，該處理單元4可以由該影像畫面資料得知該觸碰單元1與該受測物A之接觸面積。同時，該壓控單元3之壓力感測器32可以量測該觸碰單元1之腔室13內的壓力，並輸出該腔室壓力p至該處理單元4加以儲存。

請再參閱第3a及3b圖所示，該處理單元4可以依據該擷取單元2所擷取之影像，得知影像畫面推進或拉遠狀態、估算該彈性膜11未變形之輪廓C21，以及，估算該彈性膜11與受測物A之接觸面積及其接觸半徑a等資訊。當該彈性膜11由該變形距離原點O繼續朝向該受測物A移動時，將會使該受測物A產生凹陷變形，例如：當該彈性膜11朝向該受測物A移動該移動距離值h時，除了該受測物A會產生凹陷之外，該彈性膜11亦會受到該受測物A壓迫而變形，使該彈性膜11變形後之輪廓C22緊貼著該受測物A變形後之輪廓C12。

因此，由該彈性膜11之輪廓C21及輪廓C22可以計算該彈性膜11於不同半徑r的變形量，例如：該彈性膜11之中央變形量d_o ，藉由該接觸半徑a、該移動距離值h、該彈性膜11之中央變形量d_o 及該變形距離原點O等數值，可供該處理單元4估算該受測物A之邊緣變形量u_zz (即該接觸區域邊緣之變形量)、中央變形量u_zo (即該接觸區域中央之變形量)，以及，該受測物A於該接觸區域內/外任一點之變形量u_z 。

該計算步驟S4，係由該處理單元4依據該腔室壓力及 該彈性膜11與受測物A之間的物理量(例如：接觸面積、接觸半徑、變形量、移動距離、腔室體積或其組合等)計算該受測物A之機械特性值，例如：楊氏係數等機械特性值。詳言之，該處理單元4可由該腔室壓力、該接觸半徑、該受測物A的應變量(例如：中央變形量或邊緣變形量等)、該腔室13的體積變化量、該彈性膜11的曲率及該受測物A的曲率等不同參數組合，計算該受測物A之機械特性值，舉例說明如後所述。

舉例而言，該處理單元4可以依據該腔室壓力、該接觸半徑及該受測物A之應變量(例如：中央變形量)計算該受測物A之機械特性值，如下式(1)所示： 其中，E為該受測物A之楊氏係數；v為該受測物A的泊松比；p為該觸碰單元1之腔室壓力；a為該觸碰單元1與受測物A之接觸半徑；u_zo 為該受測物A之中央變形量。

或者，該處理單元4可以依據該接觸半徑、該腔室壓力、該觸碰單元1的曲率、該受測物A的曲率及該受測物A之中央變形量計算該受測物A之機械特性值，如下式(2a)、(2b)及(2c)所示： 其中，E^＊ 為該觸碰單元1與受測物A的楊氏係數關係式， a為該觸碰單元1與受測物A之接觸半徑；p為該觸碰單元1之腔室壓力；R為該觸碰單元1與受測物A的曲率關係式；u_zo 為該受測物A之中央變形量；n為有關該觸碰單元之彈性膜11材料的冪次，例如：線性材料等於3，非線性材料大於3，諸如：橡膠為3.6，矽膠為3.8等；R₁ 為該觸碰單元1之彈性膜11之曲率；R₂ 為該受測物A之曲率；E₁ 為該觸碰單元1之彈性膜11之楊氏係數；E₂ 為該受測物A之楊氏係數；v₁ 為該觸碰單元1之彈性膜11的泊松比；v₂ 為該受測物A的泊松比。

或者，該處理單元4可以依據該腔室壓力、該接觸半徑及該受測物A之邊緣變形量計算該受測物A之機械特性值，如下式(3)所示： 其中，E為該受測物A之楊氏係數；v為該受測物A的泊松比；p為該觸碰單元1之腔室壓力；a為該觸碰單元1與受測物A之接觸半徑；u_za 為該受測物A之邊緣變形量。

或者，該處理單元4可以依據該腔室壓力、該接觸半徑及該觸碰單元1之體積變化量計算該受測物A之機械特性值，如下式(4a)或(4b)所示： 其中，E為該受測物A之楊氏係數；p₁ 為該觸碰單元1接觸該受測物A前的腔室壓力；p₂ 為該觸碰單元1接觸該受 測物A後的腔室壓力；a為該觸碰單元1與受測物A之接觸半徑；V_a 為該觸碰單元1於接觸該受測物A前後的體積變化量；t為溫度係數(在常溫環境下為一定值)；V₀ 為該觸碰單元1的體積；V₁ 為該觸碰單元1接觸該受測物A前的體積值；V₂ 為該觸碰單元1接觸該受測物A後的體積。

或者，該處理單元4可以依據該腔室壓力、該觸碰單元1的曲率、該受測物A的曲率及該接觸半徑計算該受測物A之機械特性值，如下式(5a)、(5b)及(5c)或者(6)所示： 其中，E^＊ 為該觸碰單元1與受測物A的楊氏係數關係式；p為該觸碰單元1之腔室壓力；R為該觸碰單元1與受測物A的曲率關係式；a為該觸碰單元1與受測物A之接觸半徑；n為有關該觸碰單元1之材料的冪次；R₁ 為該觸碰單元1之曲率；R₂ 為該受測物A之曲率；E₁ 為該觸碰單元1之楊氏係數；E₂ 為該受測物A之楊氏係數；v₁ 為該觸碰單元1之彈性膜11的泊松比；v₂ 為該受測物A的泊松比；ρ為該受測物A之表面曲率。

在此實施例中，該處理單元4還可以依據該接觸面積、該腔室壓力、該移動距離、該變形量及該受測物A之材料特性參數(例如：泊松比等)，計算該受測物A之機械 特性值。詳言之，如第3b圖所示，該處理單元4可以由該接觸面積估算該接觸半徑a(例如：標準化半徑)並加以儲存，例如：設定該接觸面積之長度或寬度之最小值的二分之一作為該標準化半徑。

而且，該處理單元4可以依據預存或換算之受測物A的泊松比作為該受測物A之材料特性參數，並依據該處理單元4所儲存之該腔室13內部之腔室壓力p、該接觸半徑a及該受測物A於該接觸區域內/外任一點之變形量uZ計算該受測物A之機械特性值，其計算方式係如下式(7a)及(7b)所示： 其中，Y為該受測物A之楊氏係數；v為該受測物A之泊松比；p為該觸碰單元1之腔室13內部的腔室壓力；a為該接觸半徑；在上式(7a)中，r為該接觸區域內任一點之半徑，Y為(r<a)之楊氏係數，u_z 為該受測物A於該接觸區域內任一點之變形量，E(r/a)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍內任一點之半徑的第二類橢圓全積分式。在上式(7b)中，r為該接觸區域外任一點之半徑，Y為(r>a)之楊氏係數，u_z 為該受測物A在該接觸區域外任一點之變形量，E(a/r)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍外任一點之半徑的第二類橢圓全積分式，K(a/r)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍外任一點之半徑的第一類橢圓全積分式。

此外，當該觸碰單元1接觸該受測物A時，該處理單元4除了可計算該受測物A之機械特性值，還可以送出訊號至該壓控單元3之壓力源31，改變該觸碰單元1之腔室13的腔室壓力，進而使該觸碰單元1之彈性膜11的剛性改變。

請參閱第4圖所示，其係本發明用於感測該受測物A平移情形之示意圖，其中，由於該處理單元4可以依據該擷取單元2所擷取之影像畫面，而得知該彈性膜11之表面變化情形，因此，在進行該準備步驟S1之前，還可以於該彈性膜11之中心位置L繪製一標記符號(Pattern or Mark)M，例如：環、圓、方形等圖案，當該彈性膜11接觸該受測物A時，若該影像畫面之標記符號M並非位於該中心位置L，則由該中心位置L朝向該標記符號M之方向，即可得知該受測物A相對於該彈性膜11之水平移動方向。

其中，當該彈性膜11接觸該受測物A時，透過該擷取單元2所擷取該彈性膜11上的標記符號M所佔面積大小，即可得知該受測物A與該擷取單元2的間距變化情形，若該擷取單元2的焦距固定，則該受測物A與該擷取單元2的距離越近，該擷取單元2所擷取的標記符號所佔面積越大。如第5a及5b圖所示，當該標記符號由M1擴大至M2時，表示該受測物A與該觸碰單元1之透明板12的間距由g1縮短至g2；反之亦然。

藉由前揭之技術手段，本發明物體特性感測系統較佳實施例所揭示的主要特點列舉如下：當該觸碰單元1移動而接觸該受測物A時，該處理單元4藉由該腔室壓力及該 彈性膜11與受測物A之間的物理量(例如：接觸面積、接觸半徑、變形量或移動距離等)，可以計算該受測物A之機械特性值，當上述技術特徵應用於微創手術設備，用以進行軟組織診斷作業(例如：軟組織是否產生硬化等)時，具有可以得知軟組織之機械特性值之功效；另，當應用於機器手臂抓握感知裝置時，可以依據該受測物A之機械特性值，而調整機器手臂之抓握功能，具有避免該受測物A受損之功效。

再者，當該觸碰單元1移動而接觸該受測物A時，該處理單元4可由該腔室壓力及該彈性膜11與受測物A之間的物理量(例如：接觸面積、接觸半徑、變形量或移動距離等)，計算該受測物A之機械特性值，再由該處理單元4送出訊號至該壓控單元3之壓力源31，改變該觸碰單元1之腔室13的腔室壓力，進而使該觸碰單元1之彈性膜11的剛性改變，當應用於微創手術設備時，可以達到避免破壞組織之功效；當應用於機器手臂抓握感知裝置時，可以達到避免破壞握持物之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

〔本發明〕

1‧‧‧觸碰單元

11‧‧‧彈性膜

12‧‧‧透明板

121‧‧‧通孔

13‧‧‧腔室

2‧‧‧擷取單元

21‧‧‧擷取端

3‧‧‧壓控單元

31‧‧‧壓力源

311‧‧‧控制閥

32‧‧‧壓力感測器

33‧‧‧導管

4‧‧‧處理單元

a‧‧‧接觸半徑

d_o ‧‧‧中央變形量

g1,g2‧‧‧間距

h‧‧‧移動距離值

p‧‧‧壓力

r‧‧‧半徑

u_z ‧‧‧變形量

u_za ‧‧‧邊緣變形量

u_zo ‧‧‧中央變形量

A‧‧‧受測物

C11,C12‧‧‧輪廓

C21,C22‧‧‧輪廓

D‧‧‧移動方向

L‧‧‧中心位置

M,M1,M2‧‧‧標記符號

O‧‧‧變形距離原點

S1‧‧‧準備步驟

S2‧‧‧設定步驟

S3‧‧‧擷取步驟

S4‧‧‧計算步驟

第1圖：本發明物體特性感測系統較佳實施例之系統示意圖。

第2圖：本發明物體特性感測系統較佳實施例之控制方法的運作流程圖。

第3a圖：本發明物體特性感測系統較佳實施例之使用情形示意圖(一)。

第3b圖：本發明物體特性感測系統較佳實施例之使用情形示意圖(二)。

第4圖：本發明用於感測受測物平移情形之示意圖。

第5a圖：本發明用於擷取受測物與觸碰單元的間距示意圖(一)。

第5b圖：本發明用於擷取受測物與觸碰單元的間距示意圖(二)。

1‧‧‧觸碰單元

11‧‧‧彈性膜

12‧‧‧透明板

121‧‧‧通孔

13‧‧‧腔室

2‧‧‧擷取單元

21‧‧‧擷取端

3‧‧‧壓控單元

31‧‧‧壓力源

311‧‧‧控制閥

32‧‧‧壓力感測器

33‧‧‧導管

4‧‧‧處理單元

A‧‧‧受測物

D‧‧‧移動方向

Claims (25)

1. 一種物體特性感測系統，係包含：一觸碰單元，係用以接觸一受測物，而改變該觸碰單元之一腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸面積；一擷取單元，係用以擷取該觸碰單元與該受測物之間的接觸面積；一壓控單元，係用以量測該觸碰單元之腔室壓力；及一處理單元，係用以儲存該接觸面積及該腔室壓力，並由該接觸面積及該腔室壓力計算該受測物之機械特性值。
2. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值為楊氏係數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該處理單元係依據該接觸面積、該腔室壓力及該受測物之應變量計算該受測物之機械特性值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一中央變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑；該擷取單元，係用以擷取該中央變形量及該接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係用以儲存該受測物之材料特性，並依據 該材料特性、該腔室壓力、該接觸半徑及該中央變形量計算該受測物之機械特性值。
5. 如申請專利範圍第4項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E為該受測物之楊氏係數，v為該受測物的泊松比，p為該觸碰單元之腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，u_zo 為該受測物之中央變形量。
6. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一中央變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑及曲率；該擷取單元，係用以擷取該中央變形量、該觸碰單元之曲率、該受測物之曲率及該接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係依據該接觸半徑、該腔室壓力、該觸碰單元之曲率、該受測物之曲率及該中央變形量計算該受測物之機械特性值。
7. 如申請專利範圍第6項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E^＊ 為該觸碰單元與該受測物的楊氏係數關係式，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，p為該觸碰單元之腔室壓力，R為該觸碰單元與受測物的曲率關係式，u_zo 為該受測物之中央變形量，n為有關該觸碰單元之材料的冪次，R₁ 為該觸碰單元之曲率，R₂ 為該受測物之曲率，E₁ 為該觸碰單元之楊氏係數，E₂ 為該受測物之楊氏係數，v₁ 為該觸碰單元的泊松比，v₂ 為該受測物的泊松比。
8. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一邊緣變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑；該擷取單元，係用以擷取該邊緣變形量及該接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係用以儲存該受測物之材料特性，並依據該腔室壓力、該接觸半徑及該邊緣變形量計算該受測物之機械特性值。
9. 如申請專利範圍第8項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E為該受測物之楊氏係數，v為該受測物的泊松比，p為該觸碰單元之腔室壓力，a為該觸碰單元與該 受測物之接觸半徑，u_za 為該受測物之邊緣變形量。
10. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一中央變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑及體積；該擷取單元，係用以擷取該中央變形量、該接觸半徑及該體積變化量；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係依據該腔室壓力、該接觸半徑及該體積變化量計算該受測物之機械特性值。
11. 如申請專利範圍第10項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E為該受測物之楊氏係數，p₂ 為該觸碰單元接觸該受測物後的腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，V_a 為該觸碰單元於接觸該受測物前後的體積變化量。
12. 如申請專利範圍第10項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E為該受測物之楊氏係數，p₁ 為該觸碰單元接觸該受測物前的腔室壓力，p₂ 為該觸碰單元接觸該受測物後的腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半 徑，t為溫度係數，V₀ 為該觸碰單元的體積，V₁ 為該觸碰單元接觸該受測物前的體積，V₂ 為該觸碰單元接觸該受測物後的體積。
13. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物變形，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸半徑及曲率；該擷取單元，係用以擷取該觸碰單元之曲率、該受測物之曲率及該接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係依據該腔室壓力、該觸碰單元之曲率、該受測物之曲率及該接觸半徑計算該受測物之機械特性值。
14. 如申請專利範圍第13項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E^＊ 為該觸碰單元與該受測物的楊氏係數關係式，p為該觸碰單元之腔室壓力，R為該觸碰單元與該受測物的曲率關係式，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，n為有關該觸碰單元之材料的冪次，R₁ 為該觸碰單元之曲率，R₂ 為該受測物之曲率，E₁ 為該觸碰單元 之楊氏係數，E₂ 為該受測物之楊氏係數，v₁ 為該觸碰單元的泊松比，v₂ 為該受測物的泊松比，ρ為該受測物之表面曲率。
15. 如申請專利範圍第13項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，E^＊ 為該觸碰單元與該受測物的楊氏係數關係式，p為該觸碰單元之腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，n為有關該觸碰單元之材料的冪次，R₁ 為該觸碰單元之曲率，ρ為該受測物之表面曲率，E₁ 為該觸碰單元之楊氏係數，E₂ 為該受測物之楊氏係數，v₁ 為該觸碰單元的泊松比，v₂ 為該受測物的泊松比。
16. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該觸碰單元，係能夠接觸該受測物，使該受測物產生一變形量，並改變該觸碰單元之腔室壓力及該觸碰單元與該受測物之間的接觸面積；該擷取單元，係用以擷取該觸碰單元之變形量、該移動距離及該接觸面積的接觸半徑；該壓控單元，係用以改變該觸碰單元之剛性及量測該觸碰單元之腔室壓力；及該處理單元，係儲存該受測物之材料特性，並依據該材料特性、該腔室壓力、該接觸半徑及該變形量計算該受 測物之機械特性值。
17. 如申請專利範圍第16項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，Y為該受測物之楊氏係數，v為該受測物之泊松比，p為該觸碰單元之腔室壓力，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，u_z 為該受測物於該接觸區域內任一點之變形量，r為該接觸面積內任一點之半徑，E(r/a)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍內任一點之半徑的第二類橢圓全積分式。
18. 如申請專利範圍第16項所述之物體特性感測系統，其中該受測物之機械特性值的計算方式係如下式所示： 其中，Y為該受測物之楊氏係數，v為該受測物之泊松比，p為該觸碰單元之腔室壓力，r為該接觸區域外任一點之半徑，u_z 為該受測物在該接觸區域外任一點之變形量，a為該觸碰單元與該受測物之接觸半徑，E(a/r)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍外任一點之半徑的第二類橢圓全積分式，K(a/r)為該接觸面積之半徑與該接觸範圍外任一點之半徑的第一類橢圓全積分式。
19. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該觸碰單元接觸該受測物前，由該壓控單元將該觸碰單元充壓至一預定壓力值。
20. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中 該擷取單元朝向該觸碰單元及該受測物。
21. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該觸碰單元係由一彈性膜及一透明板形成一腔室，該壓控單元連通該腔室，用以改變該觸碰單元之腔室內的流體壓力，使該觸碰單元之剛性改變。
22. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該壓控單元係由一壓力源及一壓力感測器連通該觸碰單元之腔室，用以改變該腔室內的流體壓力及感測該腔室內的腔室壓力。
23. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統，其中該處理單元係由一處理程式依據該觸碰單元之移動距離、該受測物與該觸碰單元之接觸面積、該受測物之變形量、該觸碰單元之變形量及該觸碰單元之腔室壓力及該受測物之材料特性計算該受測物之剛性，並依據該受測物之剛性而控制該壓控單元，以改變該觸碰單元之腔室壓力。
24. 如申請專利範圍第1項所述之物體特性感測系統之控制方法，包含：一準備步驟，係由該壓控單元將該觸碰單元充壓至一預定壓力值，再將該觸碰單元朝向該受測物移動；一設定步驟，係由該處理單元定義該觸碰單元開始接觸該受測物之位置為一變形距離原點；一擷取步驟，係由該擷取單元擷取該觸碰單元與該受測物之間的接觸面積，並由該壓控單元量測該觸碰單元之腔室壓力，再由該處理單元計算該觸碰單元之移動距離 及變形量；及一計算步驟，係由該處理單元依據該腔室壓力及該彈性膜與該受測物之間的物理量計算該受測物之機械特性值。
25. 如申請專利範圍第24項所述之控制方法，其中該物理量包含該彈性膜與該受測物之間的接觸面積、接觸半徑、變形量、移動距離、腔室體積或其組合。