CN1908579A - 测量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

测量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：在接触传感面的反面画一些很小的规则的几何图案，当接触面波动时，这些小图案会跟着接触面动，从顶上看，小图案倾斜变化可以从图形的变化上反映出来(边的水平投影)，小图案平面的垂直升降变化则不能被直接观察到，但如果可以确定每个小图案的倾斜变化，则将整个传感面的小图案都连接起来，就可以得出整个传感面的变化。从边缘的已知位置处出发，根据相连的关系，可以推知每个小图案的确定位置状态。这些小图案可以是正方形、矩形、六边形等等如图1，当倾斜时，其边在水平面上的投影会变短，根据其边长的变化可以计算出小图案倾斜的角度(其方向另法分别)，从边缘开始将确定倾斜角度的各个小图案逐个全部连接起来，就能复原出整个传感面的形状。顶视可以利用摄像装置。

这其中，顶视时，得到同一个水平投影的小图案位置不是唯一的，如对于如图2所示的长方形来说其倾斜可以视为2个倾斜方向合成，即长边b、d一上一下的倾斜及短边a、c一上一下的倾斜，从下面可以看出这两种情况下都会出现不同倾斜位置却有同样水平投影。

1、以短边的中点连线为轴，从水平面开始分别顺逆两个方向的转动相同角度(如b边在上30度或d边在上30度)，两短边在水平面的投影是相同的(且都缩短了)。

2、以长边的中点连线为轴，从水平面开始分别顺逆两个方向的转动相同角度(两短边分别在上)，两长边在水平面的投影是相同的(且都缩短了)。

这水平投影相同的不同倾斜方向的分别有如下三大方法：

一、不附加另外信号的方法。

历史跟踪法，从开始已知的原始状态，跟踪其变化过程，前提是以我们的采样速度，形状变化是渐变的。但在接***面时，譬如小图案为长方形，当到其一对边(或两对边)的水平投影与实际边长基本一致时，接下来的该一对边(或两对边)的变化将难以判定其方向。有如下方法可以辅助判别。

a)最大增量限制法。根据信号的变化情况限定每次采样的最大角度增幅，这样在难以判别倾斜的方向时，将超过最大角度增幅的方向排除。

b)临界区法。设定边投影接近实际长度的倾斜角附近为临界区，对落入此区或从此区出发的进行下面的甄别，这样可以节省计算量：

i.周边增量比较法。即跟周边的倾斜角度增量方向作比较。如果周边的都是一个方向，且下面几次采样周边的变化方向仍是同一个方向，则从该方向。

ii.自身延后比较去波折法。对于会导致角度在临界区附近小幅振荡的倾斜角度方向取法，不从。这是基于对信号变化特性的认识来排除的。

iii.延后确定法。延后至角度大过一定值，其他信息报告方向，或邻接环境确定方向，再回推确定。

二、附加另外信号的方法

上面所述小图案分割的测量方法，具体实施时，可以给小图案着色，相邻小图案的着色不同，如膜本色和黑色相间；也可以只将小图案之间的边界线画出，小图案本身不着色。我们称前者为块法，后者为网格法。对于网格法可以采用下述的a)方法；块法则可以采用下述的b)方法。其总的设想都是，将块(即小图案)或边(网格线)垫高，块的垫高是相间的，即邻接块1个垫高1个不垫高，并且其垫高层的侧向颜色与被垫高的标记颜色(即网络线的颜色或块的颜色)及周围露出的颜色(如膜本色)不同。在面倾斜时，垫高层的侧向颜色露出被摄入，从垫高层不同方向的侧向颜色露出，可以判断该块的倾斜方向，甚至可以据此露出量的多少推算倾斜的角度。下面都以矩形小图案为例来说明。

a)边露色定向法。如图4所示。画面上各个面上的不同花纹表示不同的颜色。如点状花纹为蓝色，斜线花纹为绿色，白板为红色。如果边的某侧面露绿色，则与该侧面相邻接的块的这一侧在下(如a边在下，相对于同属该块的c边而言)。2边侧面露色都确定后，就可以确定块的旋转方向，即如c边在上多少度，b边在上多少度等。如果该块完全水平则4边都不露绿色。

b)块露色定向法，如图5所示。画面上各个面上的不同花纹表示不同的颜色。如“\”状花纹为蓝色，“/”状花纹为绿色，白板为红色。如果块的某侧面露绿色，则表示块的该侧在上(如a边在上，相对于同属该块的c边而言)。块的两侧面露色都确定后，就可以确定块的旋转方向，即如a边在上多少度，b边在上多少度等。如果该块完全水平则4边都不露绿色。

三、辉度区分法

以同样倾斜的块上离摄像头距离近的辉度大，远的辉度小，来比较判断该块的那一边在上。可以用块上的辉度变化，或边上的辉度变化来判别。

这种判断因为块比较小，倾斜时上下相差太小而难以辨别其差异，可以将传感面的块都浸入光吸收系数很大的透明体中，以增大其变化量，当然要处理好折射问题。对摄像头的动态范围和颜色深度、信噪比都有比较高的要求。

a)边辉度变化规律定向法

b)块辉度变化规律定向法

以上“二、”“三、”也可以结合“一、”来进行，如可以跟踪延后判别块的倾斜方向，有些块的倾斜待定方向在变化到一定角度后会在辉度或颜色上表现出来，再回过去确定其方向。有的可以根据“一、”可以简单地判定方向，而无须取样判断颜色或辉度。

以上所述的以颜色来分别，也可以用灰度来分别，如3色的灰度替代为1、1/3、1/9灰度变化或1、1/9、1/81等，每个标记都有很宽的区间不与其他标记交叉，每个标记的辨别范围也比较宽。仅用灰度时可以去除摄像器件的滤色器。

除以上基本方法外，还有一些补充的、优化的方法和装置。

1、计算处理方法

按照常规的方法去识别网格、计算边长倾角、拼图运算量比较大。这里列出比较简捷的计算处理方法。

a)数据的记录形式。记录块的交点坐标，即网格的交点中心的坐标。

b)坐标参照。交点中心位于象素坐标的位置即其水平坐标，即水平坐标以图像器件的像敏区平面为参照。Z坐标以传感面的一个起推参考点的高度为参照，并以此为0点。x、y单位可以取半个象素点距。

c)中间数据。用于帮助快速运算的数据，如交点中心坐标，交点圆直径。下次运算可以直接先凑此位置，不符再稍作移动后凑，直至凑上。

d)建立摄像头靶面象素距与传感面的实际尺寸的对应关系。

i.即透过镜头后的实际对应关系，传感面摄入到摄像头靶面占了多少象素，据此可以算出象素距与传感面的实际尺寸的对应关系。

ii.对于运用颜色标记的，还可以利用摄像器件的滤色器颜色分布单独处理。如采用Bayer滤色器，可以将象素比较多的G分给计算量用，提高角度精度；或分给检测露色用，提高露色检测灵敏度；R、B则分配给其他信号，象素单色数据并不一定比运算后的综合数据综合精度低，虽然看上去传感这种颜色的象素少了。

e)基于渐变，在上次数据的基础上寻找本次数据的变化，如交点的定位。及无变化的数据可以无须重新运算。

f)求每个交点的坐标。

首次推算运算量较大，也可以出厂时存入。首次之后，从起推点出发，基于上次数据递推出会比较快。

找交点中心在上次的附近找，从原来的平面坐标点向周围扩散找，直到圆周出现对角的空白，而周围是线色；用色块则是2色块相间；用点则是圆点中心；以上还需要加入方向判断的色影响。

高度的运算最终分解为：在一条直线上的2点(即前交点中心)，它们之间的高差，是直线在水平面的投影和直线本身长度所构成的直角三角形的另外一条边。

g)误差的处理

i.由块内弯曲导致的边变为曲线可以近似按照直线计算

ii.曲面误差，通过减小块，可以减小误差

iii.边长的象素计算误差。通过增大块内象素可以减小角度误差。

iv.由角度误差引发的高度误差最终可能与应该的边缘线不吻合，将最终累计高度误差分散到线上的交点上，如均摊修改其绝对高度。

v.块的倾斜运动超过了90度，即凸起部形成弯钩，这种情况的处理比较复杂，需要侧向摄影信息的辅助。很多测量无此情况，则无须处理。

vi.块平面在自身平面转动对我们的计算方法没有影响。当在水平面时没有影响；当不在水平面时将影响边在水平面的投影长度，但我们的计算是基于这样的原理：在一条直线上的2点，它们之间的高差，是直线在水平面的投影和直线本身长度所构成的直角三角形的另外一条边。

vii.缺块处理：到接近90度块比较多的地方的中间***一个90度的块，还可以从边缘内推将丢失的补上。

2、边缘起推法。

如果角或边缘上一点没设定，则整个面的浮沉运动不能检测出。或者侧面摄影以计算该起始点的位置，即侧面另外置一面网格或仅一条标志线，专门摄入计算起始角点位置深度。

也可以不用设定一个角，一定压力下的测量是基本面稳定时测的，只要网格能覆盖测试时的变化面即可，压力可以用另外的方法测出。

3、传感面如何具备类似皮肤的弹性。

a)传感面本身有弹性。

b)传感面无弹性，但与之衔接的部分有弹性。

c)传感面的里面形成类似的压力囊，如囊内有压缩空气，也可以通过液体等传递到其他弹性部件。

这种弹性压力的计算，可以通过表面的形变；也可以传递到其他弹性部件最终以一般压力传感的方式传感出来；还可以用压电薄膜材料做传感面，直接引线作电荷放大得到。

4、弹性拉伸形变计算法。

传感面本身的拉伸变形会影响对倾斜度的计算，一种办法是不让传感面拉伸变形或限制在一个精度许可的范围里；另一个办法是计算其拉伸程度，并综合到块的倾斜角计算和对块的边长里去，其方法如下：

块表面喷色，勿浸透，块面拉伸时，露出块底本色，露出本色的象素点与表面颜色象素点的比例，即表示拉伸程度。计算倾角时应该将其减去(都是水平投影的)，但倾角折算为高度时应该再加上这段拉伸产生的高度，应该是正切tg的关系。

拉伸增加的高度＝(查表高度/块边水平长度)×拉伸水平的长度

5、传感面可以开模为曲面，标记网为曲面，直接出孔；外层膜可以用平面膜热压出，或也可以开模直接出；最后粘合即可。

6、传感面的边缘最好有标志。

7、拉伸取样块的放置：可以与别的块结合，但在寻找边界时会需要对表色和底色分别进行判断，增加运算量。所以也可以设置在边界以外的地方，如圆形标志的最里层，或网格的空白块，或色块中特制的某块。

摄像可以采用物方远心光路，对于出现的弥散斑，计算中还需要考虑。

图像的光的传递还可以采用光纤，摄影的方向也可以是多个综合的。

在摄像头的四周可以布置照明***，如以发光二极管为光源，前面加匀光装置，使光源光线不要直入摄像头，使被测面的反光达到摄像头的光度要求即可。照明***也可以采用类似临界照明或珂拉照明，可以按照拉赫不变量去计算。除特别说明的以辉度测量的以外，对均匀照明的要求不高。

附图说明

图1传感接触面的背面的小图案示意，可以是正六边形或矩形或其他。

图2矩形小图案的4边a、c为短边，b、d为长边。

图3小图案为矩形色块相间的示意，“\”状花纹为颜色。

图4网格法，“.”状花纹为最上面，如蓝色，“/”状花纹为中间层，如绿色，白板为传感接触面的背面，如红色。

图5色块法，“\”状花纹为最上面，如蓝色，“/”状花纹为中间层，如绿色，白板为传感接触面的背面，如红色。

图6交点圆法，“\”状花纹为中间层，如蓝色，“/”状花纹为最上面，如绿色，白板为传感接触面的背面，如红色。

具体实施方式

例1：网格法或称网络法举例

如图4所示

找出边的交点的中心坐标，根据邻接交点中心距求边长，由边长求高度差。高差方向(正负号)由相邻边的中间层该侧露色与否决定，露色则为负。

制造：可以用已经着色好的中间层和上层粘合，冲压出需要的网格，再将网格粘合到传感接触面的背面。

也可以用模具注塑，2次注塑，对于接触面为曲面的，此法为佳。

例2：色块法或称块法

如图5或图3所示

图3是不用色标记判向的。图5是采用色标记判向的。

找出边的交点的坐标，根据邻接交点中心距求边长，由边长求高度差。高差方向(正负号)由相邻边的中间层露色与否决定，露色则为正。

例3：圆形交点法

如图6，如“\”状花纹为蓝色，“/”状花纹为绿色，白板为红色。

不用网格线和色块，可以用圆点为交点，在里层用两层颜色，最上的薄，圆点的颜色即透出的膜的颜色，中间层的颜色反映倾斜方向，即找到圆点中心后，向其外4个方向(x、y上的)找中间层色，且根据圆点中心的x、y增量坐标(距邻接交点的距离，与圆各个方向的投影的半径正比)或上次的露色距离记录，可以判断圆点中心距离露出色的距离，直接命中4个方向，找到的方向即是下方，未直接命中则伸缩若干象素再找，红色变与绿色互变方向确定为未露。找圆心也可以用依据渐变的直接命中法，即记住上次的圆在x、y 2个方向上的长度及圆心坐标，以圆心坐标向x两头量取，然后伸缩变化，直到找到边界，一面的增长量为正，另一面的增长量为负，加到圆心坐标x上，同样操作y方向，如此，找圆心的速度几乎与圆的大小不相干，这样圆可以做大一些；当斜度过大膜色不见，可以据中间层色找，中间层色也不见，则在最后据所缺数量补块。中间层从下面开始露色，中间层的厚度足够识别即可，在此前提下，里2层的厚度越薄越好，免得斜度大时遮住圆。

制作方法与例1相似。

本发明传感接触面的形状变化，这种变化可以是在一定压力的条件下进行的。

以上虽然是计算接触表面的几何变化，但也可以与传感面内部受压后弹性力变化结合据以计算接触面受力情况。

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。

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。

Claims (1)

1.一种测量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规则的小图案，用摄像器件拍摄小图案的变化，从其变化计算其倾斜情况，从而可以从一个起推点开始连接各个小图案，完成整个形状图。

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