專利名稱：柔性觸覺再現(xiàn)裝置中的非接觸式位置測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于交互式遙操作機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的觸覺再現(xiàn)裝 置中非接觸式位移測量技術(shù)。
二背景技術(shù)：
觸覺交互是隨著遙操作和虛擬現(xiàn)實(shí)研究的發(fā)展而誕生的一個(gè)新興研究領(lǐng)域， 而觸覺再現(xiàn)裝置則是觸覺人機(jī)交互系統(tǒng)中極為重要的一個(gè)裝置。
科學(xué)研究表明，人類認(rèn)識客觀世界的過程中，約20%-30%的信息是來源于 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(jìn)化 史上，觸覺是最早產(chǎn)生的感覺，觸覺與人的關(guān)系更為密切，利用其進(jìn)行生物反饋 能取得更好的效果，對于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中臨場感程度和交互性具有十分重要的現(xiàn) 實(shí)意義。實(shí)際工作中很多操作任務(wù)的信息要求具備敏捷的控制和觸覺感覺，例如 遙操作系統(tǒng)操作者需要具有交互作用的遠(yuǎn)處場景的感覺，即要求對物體輪廓表面 及抓握力進(jìn)行探測與感知；基于虛擬現(xiàn)實(shí)的外科手術(shù)訓(xùn)練中，手術(shù)刀端部對虛擬 生理組織剖切力的側(cè)來那個(gè)，可以給受訓(xùn)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(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。
在基于彈性梁有效長度控制的觸覺再現(xiàn)裝置中準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)地測量彈性梁末端 的位移是其中的關(guān)鍵之一。而現(xiàn)有的測量方式通常采用接觸式位移測量技術(shù)，如 滑動(dòng)阻式和滑動(dòng)電感式位置測量方法，這種方式會(huì)因?yàn)橐肓藗鞲衅鞯哪Σ亮εc 阻力而對力的測量帶來誤差。有的觸覺再現(xiàn)裝置中采用霍爾元件來實(shí)現(xiàn)非接觸式 測量，但由于霍爾元件對電磁干擾和溫度變化非常敏感，會(huì)給位置測量帶來較大 的不確定性。
三
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對在交互式遙控操作機(jī)器人和虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用的柔性觸 覺再現(xiàn)裝置的位置測量需要，設(shè)計(jì)了一種高精度，高分辨率的非接觸式位置測量 裝置及測量方法。
一種柔性觸覺再現(xiàn)裝置中的非接觸式位置測量裝置，包括機(jī)架、彈性梁以及 活動(dòng)支承，所述的彈性梁固定在機(jī)架上，其特征在于在所述的機(jī)架上還設(shè)置有 LED紅外發(fā)光管和線陣CCD，所述的LED紅外發(fā)光管和線陣CCD分別位于所 述的彈性梁的兩側(cè)，所述的LED紅外發(fā)光管和線陣CCD中心的連線與彈性梁的 中心線垂直，且交點(diǎn)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(fā)光管發(fā)出平行光，該平 行光照射在所述的彈性梁的末端，并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(xué)信息轉(zhuǎn)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(xué)信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比的電荷量。所以只要掃描 CCD器件得到目前對應(yīng)低電平的像元并與前一次相比較即可得出彈性梁的位移
本發(fā)明的柔性觸覺再現(xiàn)裝置中的非接觸式位置測量裝置及方法具有以下優(yōu)點(diǎn)-
(1) 采用紅外LED發(fā)光管，可防止外界光線的干擾，提高了系統(tǒng)的適用性。
(2) 安裝簡單，只要求LED發(fā)光陣列，彈性梁末端和CCD線陣在同一直 線上。可應(yīng)用于各類形狀、體積不同的觸覺再現(xiàn)裝置。
(3) 采用紅外LED發(fā)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(huì)因?yàn)閭鞲衅鞯陌惭b而引入誤差。
(4) 采用CCD線陣掃描彈性梁的陰影，因?yàn)镃CD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，高分辨率，高實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)。
四

圖1是本發(fā)明測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明測試方法原理圖。
圖3是本發(fā)明LED紅外光在線陣CCD上的陰影圖。
圖4是本發(fā)明線陣CCD器件輸出信號的示意圖。
五、具體實(shí)施方案
下文結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例對本發(fā)明的柔性觸覺再現(xiàn)裝置中的非接觸式 位置測量方法進(jìn)行詳細(xì)描述。
如圖1所示，觸覺再現(xiàn)裝置的非接觸式位移測量硬件機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)架1， 活動(dòng)支承2，彈性梁3，指按帽4，紅外LED發(fā)光管排成的陣列5和CCD線陣6。 其中，彈性梁3固定在機(jī)架上1，活動(dòng)支承2可以沿彈性梁3平移并起支承作用， 彈性梁3的有效長度即為彈性梁3右側(cè)端部到活動(dòng)支承2右側(cè)面的長度。指按帽 4安裝在距彈性梁3右側(cè)斷面3mm的部位，紅外LED發(fā)光管列5與指按帽4位 于同一垂面。CCD線陣5的安裝要求CCD的絕大部分像元位于彈性梁靜止位置 以下。
本發(fā)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(dāng)指按帽上有力的輸入，彈性梁端部向下彎曲，這時(shí)需要在高于10KHZ的頻 率上對彈性梁的垂直位移進(jìn)行采樣，以保證實(shí)時(shí)性的要求。紅外LED發(fā)光管排 列成的線性發(fā)光列發(fā)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(qū)，而其余 部分形成亮區(qū)。
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(xué)信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成正比的電荷量。如圖4所示，亮區(qū)處為高電平，暗區(qū)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(qū)與上一次暗 區(qū)(也可與設(shè)定的基準(zhǔn)像元作比較)相隔的像元個(gè)數(shù)則可以獲得彈性梁的位移。
本發(fā)明的柔性觸覺再現(xiàn)裝置中的非接觸式位置測量的具體計(jì)算方法為
設(shè)第i像元經(jīng)過光電轉(zhuǎn)化后的電壓為t/,.
(1) 規(guī)定|「cc為閥值電壓，當(dāng)t/,<|「cc時(shí)，可判斷為暗區(qū)，但
是邊緣會(huì)因?yàn)楦缮娑心：齾^(qū)，不能準(zhǔn)確判斷。所以本算法中以暗區(qū)的最暗 處為計(jì)算依據(jù)。
(2) 設(shè)".，"."，"^....，^7、〈丄FCC即像元i至Ui+n都為暗區(qū)，求得 這幾個(gè)像元中對應(yīng)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(shè)CCD器件有效像元的總長度為L,個(gè)數(shù)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(quán)利要求
1、一種柔性觸覺再現(xiàn)裝置中的非接觸式位置測量裝置，包括機(jī)架、彈性梁以及活動(dòng)支承，所述的彈性梁固定在機(jī)架上，其特征在于在所述的機(jī)架上還設(shè)置有LED紅外發(fā)光管和線陣CCD，所述的LED紅外發(fā)光管和線陣CCD分別位于所述的彈性梁的兩側(cè)，所述的LED紅外發(fā)光管和線陣CCD中心的連線與彈性梁的中心線垂直，且交點(diǎn)在所述的彈性梁的末端。
2、 一種釆用權(quán)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 特征在于所述的LED紅外發(fā)光管發(fā)出平行光，該平行光照射在所述的彈性梁 的末端，并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(xué)信息轉(zhuǎn)換成彈性梁末端的位移量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種柔性觸覺再現(xiàn)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(xiàn)裝置機(jī)架，活動(dòng)支承，彈性梁，指按帽，CCD線陣，紅外LED發(fā)光陣列。彈性梁固定在機(jī)架上，活動(dòng)支承可以沿彈性梁移動(dòng)并起支承作用。CCD線陣和紅外LED發(fā)光陣列分別對應(yīng)彈性梁末端左右放置。測量的基本原理是由紅外LED發(fā)光管發(fā)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(zhuǎn)化可以獲得陰影所對應(yīng)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(shí)時(shí)性好，無摩擦，高精度，高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。
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(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者佳 劉, 宋愛國, 張小瑞, 楠 王 申請人:東南大學(xué)