一种基于视觉的触觉测量传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于视觉的触觉测量传感器，属于机器人传感器技术领域。基于视觉的触觉传感器包括图像采集摄像头、带标记点的弹性体、发光二极管等以及必要的结构组件，采用半导体工艺和微机械加工技术做成。当传感器与物体的直接接触时，弹性体会受力产生形变，标记点相应的会发生位移，由图像采集摄像头捕捉标记点位移前后的图像信息。通过施加力前后的图像信息的对比，计算标记点的位移信息，再利用弹性原理由标记点位移信息计算出传感器的受力情况。本发明设计的基于视觉的触觉传感器能够提供触觉、滑觉、压觉等三维力信息的测量，能应用于机器人灵巧手的触觉感知领域。
【专利说明】
一种基于视觉的触觉测量传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于视觉的触觉测量传感器，属于机器人传感器技术领域。
【背景技术】
[0002]机器人灵巧手需要能够执行各种抓取、移动、捏抱或固定物体等操作，在操作过程中须通过灵巧手的触觉反馈实现对操作力量的精确控制，避免对被操作物体造成破坏。常规的灵巧手传感器有多种，有压阻式、电容式、光电式等，即通过电阻、电容、光强度在作用力下的变化量判断力强弱。但是这些传感器都有一些不足，如基于电压或电容变化的传感器对噪声、温度变化比较敏感，而且只能检测垂直方向力，不能检测剪切力。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提出一种基于视觉的触觉传感器，通过获取物体受到的三维力场实现触觉、滑觉、压觉的建立，以提供触觉、滑觉、压觉等三维力信息的测量，同时使其具有较好的环境鲁棒性。
[0004]本发明提出的基于视觉的触觉传感器，包括:外壳、通信接口转换电路、摄像头、透光支撑层、发光二极管、发光二极管激励电路、带标记弹性体和黑色橡胶;所述的通信接口转换电路固定在外壳底部，通信接口转换电路通过信号线输出信号;所述的摄像头固定的通信接口转换电路的电路板上;所述的透光支撑层与外壳相对固定，透光支撑层上部的中央固定有带标记弹性体，带标记弹性体的上表面上印有标记点，带标记弹性体的两侧分别设有发光二极管，所述的发光二极管激励电路置于发光二极管与外壳之间；带标记弹性体的上部设有黑色橡胶，黑色橡胶同时位于外壳上。
[0005]上述触觉测量传感器中，所述的通信接口转换电路包括FPGA芯片、SRAM缓存和外网接口电路。
[0006]上述触觉测量传感器中，所述的发光二极管激励电路包括12个发光二极管，部署在一块中心镂空的PCB板四周，PCB板外接驱动电源，通过分压电路提供向发光二极管提供稳定的电力供应。
[0007]本发明提出的基于视觉的触觉测量传感器，可以实现压力感知、滑觉检测、滑动方向、物品表面粗糙度等功能。本发明的传感器可以应用于机器人灵巧手的设计，以及其他复杂环境场景下的触觉信号检测。
【附图说明】
[0008]图1是本发明的基于视觉的触觉传感器的结构示意图。
[0009]图2是本发明的基于视觉的触觉传感器中带标记弹性体上标记点示意图。
[0010]图3是本发明的基于视觉的触觉传感器中的通信接口转换电路示意图。
[0011]图4是本发明的基于视觉的触觉传感器中的发光二极管激励电路示意图。
[0012]图1和图2中，I外壳，2是摄像头，3是发光二极管激励电路，4是带标记弹性体，5是黑色橡胶，6是发光二极管，7是透光支撑层，8是通信接口转换电路，9是通讯线，10是标记点。
【具体实施方式】
[0013]本发明提出的基于视觉的触觉传感器，其结构示意图如图1所示，包括:外壳1、通信接口转换电路8、摄像头2、透光支撑层7、发光二极管6、发光二极管激励电路3、带标记弹性体4和黑色橡胶5。通信接口转换电路8固定在外壳I底部，通信接口转换电路8通过信号线输出信号。摄像头2固定的通信接口转换电路8的电路板上。透光支撑层7与外壳I相对固定，透光支撑层7上部的中央固定有带标记弹性体4，带标记弹性体的上表面上印有标记点，带标记弹性体的两侧分别设有发光二极管，所述的发光二极管激励电路置于发光二极管与外壳之间；带标记弹性体的上部设有黑色橡胶，黑色橡胶同时位于外壳上。
[0014]上述触觉测量传感器中，所述的通信接口转换电路包括FPGA芯片、SRAM缓存和外网接口电路。
[0015]上述触觉测量传感器中，所述的发光二极管激励电路包括12个发光二极管，部署在一块中心镂空的PCB板四周，PCB板外接驱动电源，通过分压电路提供向发光二极管提供稳定的电力供应。
[0016]本发明提出的基于视觉的触觉传感器，其中的外壳1，用于容纳和支撑基于视觉的触觉传感器的电路和感知部分，可以根据实际使用场景的要求进行定制。图像采集摄像头2，用于采集带标记弹性体形变后标记点的变化，并实时通过通信模块将采集信号发送到上位机，图像采集摄像头尺寸是27mm*7mm*6mm，安装在密闭的方形小盒中，透过亚格力板拍摄标记点的情况，每秒产生30帧画面。发光二极管激励电路板3，用于所有发光二极管的开关控制和激励，以满足摄像头拍摄标记点的照明要求。带标记的弹性体4，用于模仿人体手指对外力的反应，具有低弹性模量和高重复性，带标记弹性体的上侧印刷有标记点，当带标记弹性体受力时，标记点会发生相应的位移变化，从而较好的传递触觉信息。黑色橡胶5，用于保护标记点和避免外部光对传感器的干扰，黑色橡胶是一层薄而且柔软的黑色硅橡胶，厚度1mm。十二个发光二极管6，为触觉传感器提供稳定统一的光源，避免由于自然光的亮度变化造成的检测偏差，发光二极管环绕着带标记弹性体分布。透光支撑层7，用于将摄像头封装在一个相对封闭的空间，具有92%以上的高透光性避免影响摄像头对标记点的拍摄效果。通信接口转换电路板8，用于将摄像头拍摄的图像信号进行通信接口转换处理，转换为USB等需要的通信接口类型，其电路图如图3所示。通讯线9，用于将摄像头拍摄的图像信号通过USB等标准接口传输到上位机。标记点1由白色圆形组成4*4的阵列，每个标记点直径
0.4mm，相邻标记点的间距是Imm，标记点采用丝网印刷工艺制作在带标记弹性体表面，当带标记弹性体受力后，标记点会发生相应的位移变化，从而能够较好的完成触觉信息的传递。
[0017]以下结合附图，介绍本发明提出的基于视觉的传感器的工作过程:当传感器的黑色橡胶5表面与物品接触时，垂直方向的压力、水平方向的剪切力会造成带标记弹性体4的形变，带标记弹性体4的标记点会相应的发生位移，环绕带标记弹性体的LED灯6由控制电路3提供激励，提供稳定的光源，由图像采集摄像头2透过透光支撑层7捕捉标记点位移前后的图像信息，并将信息通过接口转换电路8转换为相应的接口，经由通信线路9实时传递给上位机，上位机分析图像中的标记点信息，对比施加力前后的信息，计算标记点的位移信息，再利用弹性原理由标记点位移信息计算出传感器的受力情况。
[0018]本发明提出的基于视觉的触觉传感器，包括图像采集摄像头、带标记点的弹性体、发光二极管以及必要的结构组件，采用半导体工艺和微机械加工技术做成。与物体的直接接触部分是一层柔软的黑色硅橡胶，粘贴在有标记点的弹性体上，当弹性体受力后会产生形变，标记点相应的会发生位移，由图像采集摄像头捕捉标记点位移前后的图像信息。通过施加力前后的图像信息的对比，计算标记点的位移信息，再利用弹性原理由标记点位移信息计算出传感器的受力情况。
[0019]图像采集摄像头，用于采集带标记弹性体形变后标记点的变化，并实时通过通信模块将采集信号发送到上位机，图像采集摄像机采用CMOS感光芯片，尺寸27mm*7mm*6mm，安装在密闭的方形小盒中，透过亚格力板拍摄标记点的情况，每秒产生30帧画面。
[0020]带标记点的弹性体，带标记弹性体的上层是一层柔软的黑色硅胶，厚度1mm，用于保护标记和避免外部光的干扰。第二层是由透明的PDMS材料构成的弹性体，弹性体的上面印刷有4*4个白色圆形标记，弹性体具有透明、柔软、温度范围大和高重复性的特点，标记点采用丝网印刷工艺制作在弹性体表面，反光度低，当弹性体受力后，标记点会发生相应的位移变化，从而能够较好的完成触觉信息的传递。
[0021]发光二极管，分布在弹性体的周围，共12个发光二极管，给传感器提供稳定统一的光照，发光二极管的激励电路示意图如图4所示。发光二极管激励电路包括12个发光二极管，部署在一块中心镂空的PCB板四周，PCB板外接驱动电源，通过分压电路提供向发光二极管提供稳定的电力供应。
【主权项】
1.一种基于视觉的触觉测量传感器，其特征在于，包括:外壳、通信接口转换电路、摄像头、透光支撑层、发光二极管、发光二极管激励电路、带标记弹性体和黑色橡胶;所述的通信接口转换电路固定在外壳底部，通信接口转换电路通过信号线输出信号;所述的摄像头固定的通信接口转换电路的电路板上;所述的透光支撑层与外壳相对固定，透光支撑层上部的中央固定有弹性体，弹性体的上表面上印有标记点，弹性体的两侧分别设有发光二极管，所述的发光二极管激励电路置于发光二极管与外壳之间；弹性体的上部设有黑色橡胶，黑色橡胶同时位于外壳上。2.如权利要求1所述的触觉测量传感器，其特征在于，其中所述的通信接口转换电路包括FPGA芯片、SRAM缓存和外网接口电路。3.如权利要求1所述的触觉测量传感器，其特征在于，其中所述的发光二极管激励电路包括12个发光二极管，部署在一块中心镂空的PCB板四周，PCB板外接驱动电源，通过分压电路提供向发光二极管提供稳定的电力供应。
【文档编号】G01L1/24GK106052914SQ201610580204
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月21日 公开号201610580204.6, CN 106052914 A, CN 106052914A, CN 201610580204, CN-A-106052914, CN106052914 A, CN106052914A, CN201610580204, CN201610580204.6
【发明人】孙富春, 方斌, 张春, 郭峰, 刘华平, 杨超
【申请人】清华大学