專利名稱：測量接觸面形變的傳感方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及機械量傳感領域，尤其接觸面形狀及其變化的觸覺傳感。
背景技術：
對于觸覺傳感，一般都是傳感壓力，本發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。
發明內容
本發明傳感接觸面的形狀變化的基本方法是在接觸傳感面的反面畫一些很小的規則的幾何圖案，當接觸面波動時，這些小圖案會跟著接觸面動，從頂上看，小圖案傾斜變化可以從圖形的變化上反映出來(邊的水平投影)，小圖案平面的垂直升降變化則不能被直接觀察到，但如果可以確定每個小圖案的傾斜變化，則將整個傳感面的小圖案都連接起來，就可以得出整個傳感面的變化。從邊緣的已知位置處出發，根據相連的關系，可以推知每個小圖案的確定位置狀態。這些小圖案可以是正方形、矩形、六邊形等等如圖1，當傾斜時，其邊在水平面上的投影會變短，根據其邊長的變化可以計算出小圖案傾斜的角度(其方向另法分別)，從邊緣開始將確定傾斜角度的各個小圖案逐個全部連接起來，就能復原出整個傳感面的形狀。頂視可以利用攝像裝置。
這其中，頂視時，得到同一個水平投影的小圖案位置不是唯一的，如對于如圖2所示的長方形來說其傾斜可以視為2個傾斜方向合成，即長邊b、d一上一下的傾斜及短邊a、c一上一下的傾斜，從下面可以看出這兩種情況下都會出現不同傾斜位置卻有同樣水平投影。
1、以短邊的中點連線為軸，從水平面開始分別順逆兩個方向的轉動相同角度(如b邊在上30度或d邊在上30度)，兩短邊在水平面的投影是相同的(且都縮短了)。
2、以長邊的中點連線為軸，從水平面開始分別順逆兩個方向的轉動相同角度(兩短邊分別在上)，兩長邊在水平面的投影是相同的(且都縮短了)。
這水平投影相同的不同傾斜方向的分別有如下三大方法一、不附加另外信號的方法。
歷史跟蹤法，從開始已知的原始狀態，跟蹤其變化過程，前提是以我們的采樣速度，形狀變化是漸變的。但在接近平面時，譬如小圖案為長方形，當到其一對邊(或兩對邊)的水平投影與實際邊長基本一致時，接下來的該一對邊(或兩對邊)的變化將難以判定其方向。有如下方法可以輔助判別。
a)最大增量限制法。根據信號的變化情況限定每次采樣的最大角度增幅，這樣在難以判別傾斜的方向時，將超過最大角度增幅的方向排除。
b)臨界區法。設定邊投影接近實際長度的傾斜角附近為臨界區，對落入此區或從此區出發的進行下面的甄別，這樣可以節省計算量i.周邊增量比較法。即跟周邊的傾斜角度增量方向作比較。如果周邊的都是一個方向，且下面幾次采樣周邊的變化方向仍是同一個方向，則從該方向。
ii.自身延后比較去波折法。對于會導致角度在臨界區附近小幅振蕩的傾斜角度方向取法，不從。這是基于對信號變化特性的認識來排除的。
iii.延后確定法。延后至角度大過一定值，其他信息報告方向，或鄰接環境確定方向，再回推確定。
二、附加另外信號的方法上面所述小圖案分割的測量方法，具體實施時，可以給小圖案著色，相鄰小圖案的著色不同，如膜本色和黑色相間；也可以只將小圖案之間的邊界線畫出，小圖案本身不著色。我們稱前者為塊法，后者為網格法。對于網格法可以采用下述的a)方法；塊法則可以采用下述的b)方法。其總的設想都是，將塊(即小圖案)或邊(網格線)墊高，塊的墊高是相間的，即鄰接塊1個墊高1個不墊高，并且其墊高層的側向顏色與被墊高的標記顏色(即網絡線的顏色或塊的顏色)及周圍露出的顏色(如膜本色)不同。在面傾斜時，墊高層的側向顏色露出被攝入，從墊高層不同方向的側向顏色露出，可以判斷該塊的傾斜方向，甚至可以據此露出量的多少推算傾斜的角度。下面都以矩形小圖案為例來說明。
a)邊露色定向法。如圖4所示。畫面上各個面上的不同花紋表示不同的顏色。如點狀花紋為藍色，斜線花紋為綠色，白板為紅色。如果邊的某側面露綠色，則與該側面相鄰接的塊的這一側在下(如a邊在下，相對于同屬該塊的c邊而言)。2邊側面露色都確定后，就可以確定塊的旋轉方向，即如c邊在上多少度，b邊在上多少度等。如果該塊完全水平則4邊都不露綠色。
b)塊露色定向法，如圖5所示。畫面上各個面上的不同花紋表示不同的顏色。如“\”狀花紋為藍色，“/”狀花紋為綠色，白板為紅色。如果塊的某側面露綠色，則表示塊的該側在上(如a邊在上，相對于同屬該塊的c邊而言)。塊的兩側面露色都確定后，就可以確定塊的旋轉方向，即如a邊在上多少度，b邊在上多少度等。如果該塊完全水平則4邊都不露綠色。
三、輝度區分法以同樣傾斜的塊上離攝像頭距離近的輝度大，遠的輝度小，來比較判斷該塊的那一邊在上?？梢杂脡K上的輝度變化，或邊上的輝度變化來判別。
這種判斷因為塊比較小，傾斜時上下相差太小而難以辨別其差異，可以將傳感面的塊都浸入光吸收系數很大的透明體中，以增大其變化量，當然要處理好折射問題。對攝像頭的動態范圍和顏色深度、信噪比都有比較高的要求。
a)邊輝度變化規律定向法
b)塊輝度變化規律定向法以上“二、”“三、”也可以結合“一、”來進行，如可以跟蹤延后判別塊的傾斜方向，有些塊的傾斜待定方向在變化到一定角度后會在輝度或顏色上表現出來，再回過去確定其方向。有的可以根據“一、”可以簡單地判定方向，而無須取樣判斷顏色或輝度。
以上所述的以顏色來分別，也可以用灰度來分別，如3色的灰度替代為1、1/3、1/9灰度變化或1、1/9、1/81等，每個標記都有很寬的區間不與其他標記交叉，每個標記的辨別范圍也比較寬。僅用灰度時可以去除攝像器件的濾色器。
除以上基本方法外，還有一些補充的、優化的方法和裝置。
1、計算處理方法按照常規的方法去識別網格、計算邊長傾角、拼圖運算量比較大。這里列出比較簡捷的計算處理方法。
a)數據的記錄形式。記錄塊的交點坐標，即網格的交點中心的坐標。
b)坐標參照。交點中心位于象素坐標的位置即其水平坐標，即水平坐標以圖像器件的像敏區平面為參照。Z坐標以傳感面的一個起推參考點的高度為參照，并以此為0點。x、y單位可以取半個象素點距。
c)中間數據。用于幫助快速運算的數據，如交點中心坐標，交點圓直徑。下次運算可以直接先湊此位置，不符再稍作移動后湊，直至湊上。
d)建立攝像頭靶面象素距與傳感面的實際尺寸的對應關系。
i.即透過鏡頭后的實際對應關系，傳感面攝入到攝像頭靶面占了多少象素，據此可以算出象素距與傳感面的實際尺寸的對應關系。
ii.對于運用顏色標記的，還可以利用攝像器件的濾色器顏色分布單獨處理。如采用Bayer濾色器，可以將象素比較多的G分給計算量用，提高角度精度；或分給檢測露色用，提高露色檢測靈敏度；R、B則分配給其他信號，象素單色數據并不一定比運算后的綜合數據綜合精度低，雖然看上去傳感這種顏色的象素少了。
e)基于漸變，在上次數據的基礎上尋找本次數據的變化，如交點的定位。及無變化的數據可以無須重新運算。
f)求每個交點的坐標。
首次推算運算量較大，也可以出廠時存入。首次之后，從起推點出發，基于上次數據遞推出會比較快。
找交點中心在上次的附近找，從原來的平面坐標點向周圍擴散找，直到圓周出現對角的空白，而周圍是線色；用色塊則是2色塊相間；用點則是圓點中心；以上還需要加入方向判斷的色影響。
高度的運算最終分解為在一條直線上的2點(即前交點中心)，它們之間的高差，是直線在水平面的投影和直線本身長度所構成的直角三角形的另外一條邊。
g)誤差的處理i.由塊內彎曲導致的邊變為曲線可以近似按照直線計算ii.曲面誤差，通過減小塊，可以減小誤差iii.邊長的象素計算誤差。通過增大塊內象素可以減小角度誤差。
iv.由角度誤差引發的高度誤差最終可能與應該的邊緣線不吻合，將最終累計高度誤差分散到線上的交點上，如均攤修改其絕對高度。
v.塊的傾斜運動超過了90度，即凸起部形成彎鉤，這種情況的處理比較復雜，需要側向攝影信息的輔助。很多測量無此情況，則無須處理。
vi.塊平面在自身平面轉動對我們的計算方法沒有影響。當在水平面時沒有影響；當不在水平面時將影響邊在水平面的投影長度，但我們的計算是基于這樣的原理在一條直線上的2點，它們之間的高差，是直線在水平面的投影和直線本身長度所構成的直角三角形的另外一條邊。
vii.缺塊處理到接近90度塊比較多的地方的中間插入一個90度的塊，還可以從邊緣內推將丟失的補上。
2、邊緣起推法。
如果角或邊緣上一點沒設定，則整個面的浮沉運動不能檢測出?；蛘邆让鏀z影以計算該起始點的位置，即側面另外置一面網格或僅一條標志線，專門攝入計算起始角點位置深度。
也可以不用設定一個角，一定壓力下的測量是基本面穩定時測的，只要網格能覆蓋測試時的變化面即可，壓力可以用另外的方法測出。
3、傳感面如何具備類似皮膚的彈性。
a)傳感面本身有彈性。
b)傳感面無彈性，但與之銜接的部分有彈性。
c)傳感面的里面形成類似的壓力囊，如囊內有壓縮空氣，也可以通過液體等傳遞到其他彈性部件。
這種彈性壓力的計算，可以通過表面的形變；也可以傳遞到其他彈性部件最終以一般壓力傳感的方式傳感出來；還可以用壓電薄膜材料做傳感面，直接引線作電荷放大得到。
4、彈性拉伸形變計算法。
傳感面本身的拉伸變形會影響對傾斜度的計算，一種辦法是不讓傳感面拉伸變形或限制在一個精度許可的范圍里；另一個辦法是計算其拉伸程度，并綜合到塊的傾斜角計算和對塊的邊長里去，其方法如下塊表面噴色，勿浸透，塊面拉伸時，露出塊底本色，露出本色的象素點與表面顏色象素點的比例，即表示拉伸程度。計算傾角時應該將其減去(都是水平投影的)，但傾角折算為高度時應該再加上這段拉伸產生的高度，應該是正切tg的關系。
拉伸增加的高度＝(查表高度/塊邊水平長度)×拉伸水平的長度5、傳感面可以開模為曲面，標記網為曲面，直接出孔；外層膜可以用平面膜熱壓出，或也可以開模直接出；最后粘合即可。
6、傳感面的邊緣最好有標志。
7、拉伸取樣塊的放置可以與別的塊結合，但在尋找邊界時會需要對表色和底色分別進行判斷，增加運算量。所以也可以設置在邊界以外的地方，如圓形標志的最里層，或網格的空白塊，或色塊中特制的某塊。
攝像可以采用物方遠心光路，對于出現的彌散斑，計算中還需要考慮。
圖像的光的傳遞還可以采用光纖，攝影的方向也可以是多個綜合的。
在攝像頭的四周可以布置照明系統，如以發光二極管為光源，前面加勻光裝置，使光源光線不要直入攝像頭，使被測面的反光達到攝像頭的光度要求即可。照明系統也可以采用類似臨界照明或珂拉照明，可以按照拉赫不變量去計算。除特別說明的以輝度測量的以外，對均勻照明的要求不高。
圖1傳感接觸面的背面的小圖案示意，可以是正六邊形或矩形或其他。
圖2矩形小圖案的4邊a、c為短邊，b、d為長邊。
圖3小圖案為矩形色塊相間的示意，“\”狀花紋為顏色。
圖4網格法，“.”狀花紋為最上面，如藍色，“/”狀花紋為中間層，如綠色，白板為傳感接觸面的背面，如紅色。
圖5色塊法，“\”狀花紋為最上面，如藍色，“/”狀花紋為中間層，如綠色，白板為傳感接觸面的背面，如紅色。
圖6交點圓法，“\”狀花紋為中間層，如藍色，“/”狀花紋為最上面，如綠色，白板為傳感接觸面的背面，如紅色。
具體實施例方式
例1網格法或稱網絡法舉例如圖4所示找出邊的交點的中心坐標，根據鄰接交點中心距求邊長，由邊長求高度差。高差方向(正負號)由相鄰邊的中間層該側露色與否決定，露色則為負。
制造可以用已經著色好的中間層和上層粘合，沖壓出需要的網格，再將網格粘合到傳感接觸面的背面。
也可以用模具注塑，2次注塑，對于接觸面為曲面的，此法為佳。
例2色塊法或稱塊法如圖5或圖3所示圖3是不用色標記判向的。圖5是采用色標記判向的。
找出邊的交點的坐標，根據鄰接交點中心距求邊長，由邊長求高度差。高差方向(正負號)由相鄰邊的中間層露色與否決定，露色則為正。
例3圓形交點法如圖6，如“\”狀花紋為藍色，“/”狀花紋為綠色，白板為紅色。
不用網格線和色塊，可以用圓點為交點，在里層用兩層顏色，最上的薄，圓點的顏色即透出的膜的顏色，中間層的顏色反映傾斜方向，即找到圓點中心后，向其外4個方向(x、y上的)找中間層色，且根據圓點中心的x、y增量坐標(距鄰接交點的距離，與圓各個方向的投影的半徑正比)或上次的露色距離記錄，可以判斷圓點中心距離露出色的距離，直接命中4個方向，找到的方向即是下方，未直接命中則伸縮若干象素再找，紅色變與綠色互變方向確定為未露。找圓心也可以用依據漸變的直接命中法，即記住上次的圓在x、y 2個方向上的長度及圓心坐標，以圓心坐標向x兩頭量取，然后伸縮變化，直到找到邊界，一面的增長量為正，另一面的增長量為負，加到圓心坐標x上，同樣操作y方向，如此，找圓心的速度幾乎與圓的大小不相干，這樣圓可以做大一些；當斜度過大膜色不見，可以據中間層色找，中間層色也不見，則在最后據所缺數量補塊。中間層從下面開始露色，中間層的厚度足夠識別即可，在此前提下，里2層的厚度越薄越好，免得斜度大時遮住圓。
制作方法與例1相似。
本發明傳感接觸面的形狀變化，這種變化可以是在一定壓力的條件下進行的。
以上雖然是計算接觸表面的幾何變化，但也可以與傳感面內部受壓后彈性力變化結合據以計算接觸面受力情況。
本發明的典型應用是脈搏傳感，與人指的觸感相似，視覺與觸覺可以對應。與前人的指感描述可以對應。也提供了一個比較全面的記錄手段，和作為脈象自動辨識判斷的較全面的數據基礎。
本發明包含所有這些處于權利要求范圍內的選擇、修改、變化。
權利要求
1.一種測量接觸面形變的傳感方法和裝置，其特征在于，在接觸面的背面設置很多規則的小圖案，用攝像器件拍攝小圖案的變化，從其變化計算其傾斜情況，從而可以從一個起推點開始連接各個小圖案，完成整個形狀圖。
全文摘要
本發明涉及機械量傳感領域，尤其接觸面形狀及其變化的觸覺傳感。對于觸覺傳感，一般都是傳感壓力，本發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。采用光學的方法。
文檔編號G01B21/32GK1908579SQ200510088048
公開日2007年2月7日 申請日期2005年8月1日 優先權日2005年8月1日
發明者阮剛 申請人:阮剛
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