專利名稱：一種接觸面形變的傳感方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械量傳感領(lǐng)域，尤其接觸面形狀及其變化的觸覺傳感。
背景技術(shù)：
對(duì)于觸覺傳感， 一般都是傳感壓力，本發(fā)明是傳感接觸面的形狀變化，如皮膚接觸物體 感知物體的形狀及變化。對(duì)于曲面的形狀傳感一般都是靜態(tài)，本發(fā)明是動(dòng)態(tài)，且可接觸施壓。 典型的現(xiàn)成的傳感器技術(shù)難以適用的是中醫(yī)切脈傳感，難以有效地傳感面的變化和沖莫擬實(shí)況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明傳感接觸面的形狀變化的基本方法示例如圖1在與1被測對(duì)象表面接觸的2傳 感器接觸面的背面(稱為標(biāo)記區(qū)，最好是漫反射的)，從上部4標(biāo)記發(fā)射源以一定角度投射標(biāo) 記到標(biāo)記區(qū)，在另一角度用5攝像裝置拍攝3標(biāo)記投影，以標(biāo)記陣列在攝像裝置輩巴面的位置 (或其變化)，可以推算各標(biāo)記投影的空間位置(或其變化)，確定每個(gè)標(biāo)記中心位置近似坐 標(biāo)，擬合后即成整個(gè)曲面。
另外，如果在標(biāo)記區(qū)投射雙縫的干涉條紋作為標(biāo)記，則投影點(diǎn)的和雙縫的距離與投影點(diǎn) 的干涉條纟丈粗細(xì)成正比，據(jù)此也可以推算該投影點(diǎn)當(dāng)前所處位置。
根據(jù)上述被確定空間位置的投影點(diǎn)，可以運(yùn)算構(gòu)成整個(gè)曲面，可以表達(dá)為整個(gè)曲面的動(dòng) 態(tài)變化；也可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)作圖像處理、模式識(shí)別等幫助我們了解曲面變化的性狀特征； 不經(jīng)坐標(biāo)計(jì)算，直接觀看或放大觀看拍攝的圖像，觀察接觸面的變化，也是應(yīng)用的一種方式。
以初始平面或未觸壓時(shí)的狀態(tài)所拍攝的標(biāo)記陣列圖像為基礎(chǔ)，根據(jù)發(fā)射源、攝像裝置和 標(biāo)記投影面的位置關(guān)系，發(fā)射源所發(fā)射光線本身在標(biāo)記面投影的變化情況(微小的可以忽略)， 計(jì)算實(shí)際工作時(shí)的各個(gè)標(biāo)記點(diǎn)位置。例如，從參照點(diǎn)數(shù)起，第ri行、第m列的那個(gè)標(biāo)記投影， 從原來標(biāo)記區(qū)初始平面時(shí)的位置(攝像裝置靶面的第j行第k列像素)變?yōu)榕っ娴牡趈l行第 kl列像素，則可以計(jì)算出該點(diǎn)的空間位置，具體的計(jì)算這里不作推演，也可以不論初始狀態(tài) 直接計(jì)算，可參考三角測距法。
標(biāo)記的排列的確定，是以標(biāo)記在不變位置的投影點(diǎn)為參照基點(diǎn)(如圖2的4標(biāo)記起始定 位參照點(diǎn)，在筒體與接觸面連接的邊緣)，來逐個(gè)確定其他各個(gè)在變動(dòng)面上的標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記的 投影例如可以象國際象棋似的黑白塊交叉或有色(光)無色(光)交叉，或不同顏色交叉也 可。對(duì)于有明確邊界的標(biāo)記投影陣列，也可以通過判別邊界來確定其排列。
標(biāo)記的投射方法
1、圖案直接用光投射。即前面是透光和不透光相間的圖案(例如象國際象棋棋盤)，后 面用光照射，使圖案投影到標(biāo)記面上。也可以使用能透過不同顏色光的膜塊交叉，例如相似圖像傳感器乾面的RGB排列等，但用單色光可以使光學(xué)設(shè)計(jì)簡單。
2、 用互相垂直的光的干涉條紋投射。
a) 以不同頻率的光分別投射出互相垂直的2組干涉條紋，2種顏色條纟丈相疊處變?yōu)?新的第3種顏色塊，加上暗條紋塊和原來2色的塊，作為標(biāo)記點(diǎn)。
b) 或互相垂直的雙縫以相同顏色的光分2次^:射采樣，2幀近似合成。
或者以條fet序號(hào)作為條紋坐標(biāo)，與實(shí)際像素位置配合計(jì)算。起始條紋的確定可以 借助筒與傳感面連接的邊緣上的固定不動(dòng)點(diǎn)的特殊標(biāo)記。
3、 也可以用光柵編碼投射或莫爾條紋等。計(jì)算也如上有標(biāo)記^:影的排列定位及空間高度 位置計(jì)算。
另，千涉條紋粗細(xì)間隔會(huì)隨投影距離變化，這本身也可以作為計(jì)算投影距離的依據(jù)，從 而可以推算投影點(diǎn)坐標(biāo)。
接觸面上的凸起峰阻斷入射光線和投影拍攝問題的解決首先，如果具體應(yīng)用的峰坡的 切向角度不太大，阻斷不了。如果有影響，我們可以設(shè)立多個(gè)發(fā)射源交錯(cuò)覆蓋，例如
1、 對(duì)于發(fā)射標(biāo)記的實(shí)現(xiàn)方法，3個(gè)角度分別發(fā)射三種顏色的標(biāo)記(例如R、 G、 B)，分別 計(jì)算其標(biāo)記陣列的各個(gè)標(biāo)記坐標(biāo)，既可以增加密度從而提高精細(xì)度，又可以互相補(bǔ)充被阻斷 光線的缺失。
2、 對(duì)于光的干涉條紋的實(shí)現(xiàn)方法，則可以在另一個(gè)對(duì)邊放置另外一對(duì)光的干涉條鄉(xiāng)丈發(fā)射 裝置，以不同頻率的光源發(fā)射。這樣分別以4種光色陣列定坐標(biāo)，作用和上面發(fā)射標(biāo)記相同。 唯4種頻率干涉光條紋組合相交，會(huì)生出多種顏色需要區(qū)分清楚。
3、 以上2種方法都可以改為在時(shí)間上交錯(cuò)發(fā)射，這在攝像頭的拍攝幀速率足夠的情況下 可以使用。即先以第一種角度投射拍攝，再換第二種角度投射拍攝，如此在攝像幀速允許的 情況下，可換多種角度拍攝，沒有上面2種方法的顏色交叉處理問題。對(duì)一種角度拍攝中缺 失的點(diǎn)可以其他角度拍攝的彌補(bǔ)，雖然時(shí)間上并不完全同時(shí)，但可以根據(jù)前后幀平滑補(bǔ)上。 可以釆用 一種顏色的光投射，這也降低了光學(xué)設(shè)計(jì)要求。
上面的方法，為保證傳感接觸面波動(dòng)時(shí)的測量精度，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)和攝像、投射均要求有 較高的分辨率(且靶面上的像素要盡量大)和加工精度。我們還有一個(gè)方法可以降低上迷要 求，而保證精度；或在上迷要求不變的情況下提高精度。那就是增加單位時(shí)間的采樣幀數(shù)， 譬如原來25幀/秒，現(xiàn)在提高到500幀(圖像傳感器及后續(xù)電路允許的情況下)，相當(dāng)于原來 的一幀可以用20幀的數(shù)據(jù)來產(chǎn)生，那么，這個(gè)20幀的數(shù)據(jù)可以投射各種不同畫面的標(biāo)記， 例如
1、 對(duì)于圖案投射，可以從各個(gè)角度投射(增加各種形狀下的覆蓋率和各個(gè)方向時(shí)的 變化靈敏度的平衡)，相同的圖案錯(cuò)位投射(有不同的標(biāo)記中心點(diǎn)，從而增加坐標(biāo)
點(diǎn)的密度)，或同樣分布的不同的圖案投射(:使各圖標(biāo)的中心定位更準(zhǔn)確)。也可 以綜合運(yùn)用。這樣可以在原系統(tǒng)上大大提高精度，或精度不變而光學(xué)系統(tǒng)等的要
4求降低。
2、 對(duì)于用光的干涉條紋的方法，不僅可以不同的角度設(shè)多對(duì)投射，還可以在同一投 射裝置上發(fā)射多種頻率顏色的光，這樣干涉條紋的粗細(xì)會(huì)發(fā)生變化，相當(dāng)于投射 不同的圖案。顏色變化可以籍點(diǎn)亮不同顏色的發(fā)光二極管，或控制可變頻率顏色 的發(fā)光二極管變化不同顏色發(fā)射。也可以有其他的變化方案來產(chǎn)生不同投影圖案。 同樣可以提高精度或降低光學(xué)的設(shè)計(jì)要求。唯多色方案可能增加光學(xué)消色差等的 難度。
以上標(biāo)記的投射和攝像都最好有遠(yuǎn)心光路的配合，否則測量精度可能差一些。這部分光 學(xué)系統(tǒng)在圖示中沒有畫上。本裝置也可以作其他的光路變換。如精度許可還可允許一定范圍 內(nèi)的畸變，不做遠(yuǎn)心光路。


圖1是基本方法示意說明
圖2是結(jié)構(gòu)示意，2種標(biāo)記發(fā)射源都畫上了，實(shí)際僅選擇用其中之一種就可以了。
圖3為配備3套不同方向的標(biāo)記投射
圖4為配備2套不同方向光的干涉條紋投射
具體實(shí)施例方式
圖2、圖3和圖4是具體裝置的形式結(jié)構(gòu)示意，筒體是剛體，內(nèi)里的透明體可以是透明氣 體或透明液體或透明彈性體，筒體上蓋可以是平玻璃片或透明塑料、有機(jī)玻璃等透明類物體， 也可利用做成攝像裝置用的透鏡，圖2方形筒體的下面是近似圓柱的側(cè)面作為傳感器接觸面， 即圖1的2傳感器接觸面，與筒體密封連結(jié)，制作簡單，對(duì)標(biāo)記定位也方便，與剛性筒體連 接處的角上就可以定位參照基準(zhǔn)點(diǎn)，其他標(biāo)記依此定位，可以標(biāo)一點(diǎn)特別的顏色在其上如白 點(diǎn)或黑點(diǎn)或特殊顏色點(diǎn)等，便于攝像后識(shí)別。其他的各個(gè)標(biāo)記的位置，都以與參照點(diǎn)的排列 位置來定位，當(dāng)然，也可以自動(dòng)搜索標(biāo)記陣列的邊界來定位，而陣列與筒體的位置關(guān)系是可 以固定的。圖2方形筒體也可以做成圓柱等柱體，下面的接觸面可以是球面的接觸面。
標(biāo)記的投射源和光的千涉條紋的發(fā)射源可以在透明封蓋的上面。當(dāng)然，也可以避開這個(gè) 封蓋直接探入，唯對(duì)于筒內(nèi)充氣體和液體的的情況需要另加密封，不如整個(gè)在大封蓋的上面 簡潔。
投射標(biāo)記的制作，例如可以用鉻版(光掩膜版)來制作，產(chǎn)生干涉條紋的雙縫也可以這 樣制作。也可以平面鍍膜后再激光加工等及其他做法。
本發(fā)明的典型應(yīng)用是脈搏傳感，與人指切脈的觸感相似，視覺與觸覺可以對(duì)應(yīng)。與前人 的指感描述可以對(duì)應(yīng)。提供了一個(gè)比較全面的記錄手段，和作為脈象自動(dòng)辨識(shí)判斷的較全面 的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但本發(fā)明的應(yīng)用面是很廣泛的，具體實(shí)現(xiàn)方式也是很多樣的，以上的舉例并不表示其實(shí) 現(xiàn)的方式只有這些。
本發(fā)明包含所有這些處于權(quán)利要求范圍內(nèi)的選擇、修改、變化，而不止于舉例的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種接觸面形變的傳感方法和裝置，其特征在于，光學(xué)投射標(biāo)記陣列到傳感器接觸面的背面標(biāo)記區(qū)，用攝像裝置拍攝標(biāo)記區(qū)，以感知被測對(duì)象的表面形狀變化。
2. 如權(quán)利要求1所述，光學(xué)投射標(biāo)記陣列，其特征在于，將透光和不透光相間的標(biāo)記陣列 投射到標(biāo)記區(qū)。
3. 如權(quán)利要求l所述，光學(xué)投射標(biāo)記陣列，其特征在于，將光的干涉條紋投射到標(biāo)記區(qū)。
4. 如權(quán)利要求3所述，將光的干涉條紋投射到標(biāo)記區(qū)，其特征在于，投射2組互相近似垂 直的光的干涉條紋。
5. 如權(quán)利要求4所述，投射2組互相近似垂直的光的干涉條紋，其特征在于，用2套這樣 的裝置，以不同色光同時(shí)或同樣色光不同時(shí)間來投射。
6. 如權(quán)利要求2所述，投射，其特征在于，以多套這樣的的裝置分別不同角度投射，各套 以不同色光為光源或用同樣色光不同時(shí)間投射。
7. 如權(quán)利要求1所述，感知被測對(duì)象的表面形狀變化，其特征在于，可以直接觀看或選擇 放大后觀看。
8. 如權(quán)利要求1所述，感知被測對(duì)象的表面形狀變化，其特征在于，由標(biāo)記位置的變化推 算標(biāo)記區(qū)各個(gè)標(biāo)記投影所在的空間位置。
9. 如權(quán)利要求1所述，感知被測對(duì)象的表面形狀變化，其特征在于，據(jù)干涉條紋的變化推 算投影所在的空間位置。
10. 如權(quán)利要求1所述，感知被測對(duì)象的表面形狀變化，其特征在于，以表面被確定位置的 點(diǎn)的坐標(biāo)擬合出整個(gè)曲面形狀。
全文摘要
一種接觸面形變的傳感方法和裝置，本發(fā)明涉及機(jī)械量傳感領(lǐng)域，尤其接觸面形狀及其變化的觸覺傳感。對(duì)于觸覺傳感，一般都是傳感壓力，本發(fā)明是傳感接觸面的形狀變化，如皮膚接觸物體感知物體的形狀及其變化。采用光學(xué)的方法，由拍攝所投射的標(biāo)記的位置變化來測接觸面的變化。
文檔編號(hào)A61B5/00GK101427909SQ20071004785
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2007年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月5日
發(fā)明者剛 阮 申請(qǐng)人:剛 阮