柔性觸覺再現裝置中的非接觸式位置測量裝置及測量方法
2023-05-24 00:14:56
專利名稱：柔性觸覺再現裝置中的非接觸式位置測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明涉及一種應用於交互式遙操作機器人和虛擬實境領域的觸覺再現裝 置中非接觸式位移測量技術。
二背景技術：
觸覺交互是隨著遙操作和虛擬實境研究的發展而誕生的一個新興研究領域， 而觸覺再現裝置則是觸覺人機互動系統中極為重要的一個裝置。
科學研究表明，人類認識客觀世界的過程中，約20%-30%的信息是來源於 非視覺信息的感知，其中力覺、觸覺和聽覺是最主要的非視覺信息來源。在進化 史上，觸覺是最早產生的感覺，觸覺與人的關係更為密切，利用其進行生物反饋 能取得更好的效果，對於虛擬實境技術中臨場感程度和交互性具有十分重要的現 實意義。實際工作中很多操作任務的信息要求具備敏捷的控制和觸覺感覺，例如 遙作業系統操作者需要具有交互作用的遠處場景的感覺，即要求對物體輪廓表面 及抓握力進行探測與感知；基於虛擬實境的外科手術訓練中，手術刀端部對虛擬 生理組織剖切力的側來那個，可以給受訓人員提供觸覺感知反饋等等。因此，對 觸覺交互的研究將對人們的信息交流和溝通方式產生深遠的影響。
在基於彈性梁有效長度控制的觸覺再現裝置中準確，實時地測量彈性梁末端 的位移是其中的關鍵之一。而現有的測量方式通常採用接觸式位移測量技術，如 滑動阻式和滑動電感式位置測量方法，這種方式會因為引入了傳感器的摩擦力與 阻力而對力的測量帶來誤差。有的觸覺再現裝置中採用霍爾元件來實現非接觸式 測量，但由於霍爾元件對電磁幹擾和溫度變化非常敏感，會給位置測量帶來較大 的不確定性。
三
發明內容
本發明針對在交互式遙控操作機器人和虛擬實境領域有廣泛應用的柔性觸 覺再現裝置的位置測量需要，設計了一種高精度，高解析度的非接觸式位置測量 裝置及測量方法。
一種柔性觸覺再現裝置中的非接觸式位置測量裝置，包括機架、彈性梁以及 活動支承，所述的彈性梁固定在機架上，其特徵在於在所述的機架上還設置有 LED紅外發光管和線陣CCD，所述的LED紅外發光管和線陣CCD分別位於所 述的彈性梁的兩側，所述的LED紅外發光管和線陣CCD中心的連線與彈性梁的 中心線垂直，且交點在所述的彈性梁的末端。
一種非接觸式位置測量方法，即所述的LED紅外發光管發出平行光，該平 行光照射在所述的彈性梁的末端，並在彈性梁另一端的線陣CCD上形成陰影， 所述的線陣CCD將陰影的光學信息轉換成彈性梁末端的位移量。
3該測量方法的原理為線紅外光照射到彈性梁上，在CCD線陣的感光面上 形成陰影。CCD器件將光學信息轉換成與光強成正比的電荷量。所以只要掃描 CCD器件得到目前對應低電平的像元並與前一次相比較即可得出彈性梁的位移
本發明的柔性觸覺再現裝置中的非接觸式位置測量裝置及方法具有以下優點-
(1) 採用紅外LED發光管，可防止外界光線的幹擾，提高了系統的適用性。
(2) 安裝簡單，只要求LED發光陣列，彈性梁末端和CCD線陣在同一直 線上。可應用於各類形狀、體積不同的觸覺再現裝置。
(3) 採用紅外LED發光管和CCD線陣配合的方式測位移，為非接觸式測 量，無摩擦，不會因為傳感器的安裝而引入誤差。
(4) 採用CCD線陣掃描彈性梁的陰影，因為CCD器件本身就是高性能的 傳感器，所以此種測量方法具有高精度，高解析度，高實時性的特點。
四
圖1是本發明測試裝置的結構示意圖。
圖2是本發明測試方法原理圖。
圖3是本發明LED紅外光在線陣CCD上的陰影圖。
圖4是本發明線陣CCD器件輸出信號的示意圖。
五、具體實施方案
下文結合附圖以及具體實施例對本發明的柔性觸覺再現裝置中的非接觸式 位置測量方法進行詳細描述。
如圖1所示，觸覺再現裝置的非接觸式位移測量硬體機構主要包括機架1， 活動支承2，彈性梁3，指按帽4，紅外LED發光管排成的陣列5和CCD線陣6。 其中，彈性梁3固定在機架上1，活動支承2可以沿彈性梁3平移並起支承作用， 彈性梁3的有效長度即為彈性梁3右側端部到活動支承2右側面的長度。指按帽 4安裝在距彈性梁3右側斷面3mm的部位，紅外LED發光管列5與指按帽4位 於同一垂面。CCD線陣5的安裝要求CCD的絕大部分像元位於彈性梁靜止位置 以下。
本發明的柔性觸覺裝置中的非接觸式位置測量的測量方法及原理如下，見圖 2，當指按帽上有力的輸入，彈性梁端部向下彎曲，這時需要在高於10KHZ的頻 率上對彈性梁的垂直位移進行採樣，以保證實時性的要求。紅外LED發光管排 列成的線性發光列發出線性紅外光，照射在彈性梁上，將在CCD傳感器上形成 圖3所示圖像。其中被彈性梁擋住的部分將在CCD光敏面上形成暗區，而其餘 部分形成亮區。
線陣CCD傳感器的敏感元件是由一列像元組成，CCD器件把光敏面上彈性 梁影像的光學信息轉換成與光強成正比的電荷量。如圖4所示，亮區處為高電平，暗區處為低電平。且像元的大小是已知的，所以如果能得到此次暗區與上一次暗 區(也可與設定的基準像元作比較)相隔的像元個數則可以獲得彈性梁的位移。
本發明的柔性觸覺再現裝置中的非接觸式位置測量的具體計算方法為
設第i像元經過光電轉化後的電壓為t/,.
(1) 規定|「cc為閥值電壓，當t/,<|「cc時，可判斷為暗區，但
是邊緣會因為幹涉而有模糊區，不能準確判斷。所以本算法中以暗區的最暗 處為計算依據。
(2) 設".，"."，"^....，^7、〈丄FCC即像元i至Ui+n都為暗區，求得 這幾個像元中對應最低電壓的像元
t/,.+w=min ,.+2...U
則i+m像元是有最低電壓的像元。
(3) 設CCD器件有效像元的總長度為L,個數為N，則i+m像元的位置為
即求得了此次彈性梁所在的位置。
權利要求
1、一種柔性觸覺再現裝置中的非接觸式位置測量裝置，包括機架、彈性梁以及活動支承，所述的彈性梁固定在機架上，其特徵在於在所述的機架上還設置有LED紅外發光管和線陣CCD，所述的LED紅外發光管和線陣CCD分別位於所述的彈性梁的兩側，所述的LED紅外發光管和線陣CCD中心的連線與彈性梁的中心線垂直，且交點在所述的彈性梁的末端。
2、 一種釆用權利要求1所述的非接觸式位置測量裝置測量位置的方法，其 特徵在於所述的LED紅外發光管發出平行光，該平行光照射在所述的彈性梁 的末端，並在彈性梁另一端的線陣CCD上形成陰影，所述的線陣CCD將陰影 的光學信息轉換成彈性梁末端的位移量。
全文摘要
本發明公開了一種柔性觸覺再現裝置中的非接觸式位置測量裝置及測量方法。其中測量裝置包括觸覺再現裝置機架，活動支承，彈性梁，指按帽，CCD線陣，紅外LED發光陣列。彈性梁固定在機架上，活動支承可以沿彈性梁移動並起支承作用。CCD線陣和紅外LED發光陣列分別對應彈性梁末端左右放置。測量的基本原理是由紅外LED發光管發出的線紅外光照射到彈性梁上，在CCD線陣的光敏面上形成陰影。CCD器件通過光電轉化可以獲得陰影所對應的像元，通過判斷像元的位置即可得彈性梁所處的位置。該方法具有安裝簡單，實時性好，無摩擦，高精度，高解析度的優點。
文檔編號G01B11/02GK101476875SQ200910028170
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月20日 優先權日2009年1月20日
發明者佳 劉, 宋愛國, 張小瑞, 楠 王 申請人:東南大學