一种基于图像识别的力测量装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于图像识别的力测量装置，包括：测力弹性体、连接筒、双目摄像头和图像识别处理器；所述测力弹性体位于连接筒的一端，所述测力弹性体在未受力时呈半球状；所述双目摄像头固定于连接筒的另一端；所述图像识别处理器用于实时接收并处理双目摄像头所摄取的图像，并得出外力的大小和方向。本实用新型引入图像处理的新颖方式，使用简单的原理实现了力测量装置的简单化、低成本化，具有良好的抗干扰性、环境适应性等优点。
【专利说明】
一种基于图像识别的力测量装置
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种力测量技术，特别涉及一种基于图像识别的力测量装置。
【背景技术】
[0002] 目前，力测量装置的工作原理基本上有两种。一种是测量某些物质受力作用时其 固有物理性质发生的变化，从而测得作用力的大小，如压电式、磁弹性式和振弦式等力传感 器;另一种是利用被测力使测力弹性体变形，通过测量变形的程度来测出被测力的大小，如 电阻应变式、电容式等力传感器。然而，目前所有这些测力装置存在着以下缺点：采用的传 感器大多价格高昂，制造成本和维护成本都比较高。成本稍低的测力装置却容易受到干扰， 例如强电磁干扰、温度影响、不能适应多种应用环境等等。而且大多数低成本测力装置只能 测出特定方向的力的大小，而多轴力传感器成本较高且原理复杂。
[0003] 近些年来产生了诸多与此相关的论文和专利。分别如下：
[0004] 中国公开专利号:CN 103353365A，名称:一种点接触柱销式测力传感器。该实用新 型在销体轴向上依次布置三个鼓形凸台，并在它们之间布置电阻应变器，进而测量力。该实 用新型能够测量不同方向的力，测量结果重复读好、精度高、适用于大载荷。但需要布置多 个电阻应变器，制造成本及维护成本高，且易受电磁干扰。
[0005] 中国公开专利号：CN1514216A，名称：一种光电振弦式测力装置及其测力方法。该 实用新型依据不同作用力下金属弦振动频率的不同，通过激光及光电位敏器件把金属弦的 振动频率转化为光电频率，从而测出加载力的大小。该实用新型的优点在于可以避免电磁 感应法易受测量现场的强电磁干扰带来的噪声，有一定稳定性。但该实用新型对制造精度 要求高、元件成本高、维护成本高、且不能测量力的方向。
[0006] 中国公开专利号:CN103134621A，名称:H型测力构架的横向载荷测试结构。该实用 新型设置了一种H型结构来测量载荷的大小。该实用新型不仅可以得到施加于构架结构的 载荷与输出电压的关系，同时得到施加于构架结构的载荷与构架结构疲劳损伤关键部位应 变的准静态关系。但该实用新型也未能实现测出力的方向，抗电磁干扰性能也较弱。 【实用新型内容】
[0007] 本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于图像识别的力 测量装置，该力测量装置克服了制造和维护成本较高、未能测量力的方向、抗干扰性能差等 问题，能够准确测量力的大小和方向，具有较好的抗干扰性能，也能适应各种使用环境。
[0008] 本实用新型的目的通过下述技术方案实现:一种基于图像识别的力测量装置，所 述力测量装置的硬件部分包括测力弹性体、连接筒、双目摄像头、图像识别处理器等。其中， 所述测力弹性体位于连接筒一端，未受力时呈现半球状，测力弹性体材料可根据使用环境 灵活选择，具多环境适应性;所述双目摄像头，固定于连接筒的另一端;所述图像识别处理 器，用于实时接收并处理双目摄像头所摄取的图像，得出外力的大小和方向。
[0009] 所述的基于图像识别的力测量装置包括以下组件：
[0010]测力弹性体:位于连接筒顶端，未受力时呈现半球形。其表面按照一定规则涂有均 匀的标识点，用于定位及识别。当有外力施加在其身上时，将产生凹陷形变，形变量与外力 的大小可以看成满足分区间的胡克定律，因此可以依据形变量计算出外力大小。形变方向 与外力一致，因此可以计算外力方向。测力弹性体材料的选材，可根据实际应用情况进行选 择，例如高温环境下，可选择耐高温的弹性材料；酸性环境下，可选择耐酸的弹性材料。因 此，本实用新型对应用环境有很强适应性。使用一段时间后进行维护时，只需更换弹性材料 即可，因此维护成本极低。
[0011]双目摄像头：固定于连接筒另一端，可以实时摄取弹性材料的状态图像，并传送到 图像识别处理器。在处理器中可以得出弹性材料的3D图像模型，分析出弹性材料的形变情 况，进而计算出外力的大小和方向。由于本实用新型是通过图像处理来计算外力，所以电磁 干扰对此装置几乎没有影响。
[0012] 连接筒:连接筒用于连接和固定弹性材料和双目摄像头，连接筒中安装有LED灯， 用于双目摄像头摄像补光。同时，连接筒给弹性材料和双目摄像头提供一个密闭空间，使本 实用新型的基于图像识别的力测量装置具有很强的抗干扰性及环境适应性，可用于水下 等环境的测力。
[0013] 图像处理系统：图像处理系统可根据实际使用需求选择适当的处理器，用于实时 接收并处理双目摄像头摄取的双目视觉图像，并进一步运算出力的大小和方向：首先进行 相机参数标定，标定完成后从左右相机分别找到测力弹性体上的特征点，通过之前标定好 的参数，计算出该特征点的三维坐标。然后，根据测力弹性体上各标识点的三维坐标，我们 可建立当前测力弹性体的3D图像模型，分析出测力弹性体的形变情况，再依据测力弹性体 形变与受力的关系，便可计算出待测力的大小和方向。
[0014] 本实用新型的原理:本实用新型基于图像识别的力测量装置中的测力弹性体受力 时产生形变，从而引起其表面标识点空间坐标发生改变;利用双目摄像头的双目视觉可以 测量出这种三维变化量，再用图像处理的方式运算出外力大小和方向。本实用新型引入图 像处理的新颖方式，使用简单的原理实现了力测量装置的简单化、低成本化，并且具有良好 的抗干扰性、环境适应性。
[0015] 本实用新型相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0016] 1、本实用新型能够提供一种低制造成本和低维护成本的测力装置。
[0017] 2、本实用新型利用简单的原理，便可实现既测出力的大小，又测出力的方向。
[0018] 3、本实用新型把图像处理很好地应用于力测量领域，具有很好的发展、改进和应 用前景。
[0019] 4、本实用新型所述测力装置具有很强的环境适应性，能有效抵抗电磁等干扰。
【附图说明】
[0020] 图1为本实用新型所述一种基于图像识别的力测量装置图像。
[0021] 图2为本实用新型所述测力弹性体示意图。
[0022]图3a为本实用新型双目摄像头的俯视图。
[0023]图3b为本实用新型双目摄像头的剖视图。
[0024]图4为双目摄像头测量深度原理示意图。
[0025] 图5为本实用新型测力方案流程图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施 方式不限于此。
[0027]实施例
[0028]如图1所示，本实施例所述的基于图像识别的力测量装置，主要包括测力弹性体1、 连接筒2、双目摄像头3、图像识别处理器，如图2所示，所述测力弹性体位于连接筒一端，未 受力时呈现半球状，测力弹性体材料可根据使用环境灵活选择，具多环境适应性;如图3a和 图3b所示，所述双目摄像头，固定于连接筒的另一端;所述图像识别处理器，用于实时接收 并处理双目摄像头所摄取的图像，得出外力的大小和方向。
[0029] 所述的一种基于图像识别的力测量装置包括以下各功能组件：
[0030] 测力弹性体:位于连接筒顶端，未受力时呈现半球形。其表面按照一定规则涂有均 匀的标识点，用于定位及识别。当有外力施加在其身上时，将产生凹陷形变，形变量与外力 的大小可以看成满足分区间的胡克定律，因此可以依据形变量计算出外力大小。形变方向 与外力一致，因此可以计算外力方向。测力弹性体材料的选材，可根据实际应用情况进行选 择，例如高温环境下，可选择耐高温的弹性材料；酸性环境下，可选择耐酸的弹性材料。因 此，本实用新型对应用环境有很强适应性。使用一段时间后进行维护时，只需更换弹性材料 即可，因此维护成本极低。
[0031] 双目摄像头：固定于连接筒另一端，可以实时摄取弹性材料的状态图像，并传送到 图像识别处理器。在处理器中可以得出弹性材料的3D图像模型，分析出弹性材料的形变情 况，进而计算出外力的大小和方向。由于本实用新型是通过图像处理来计算外力，所以电磁 干扰对此装置几乎没有影响。
[0032] 连接筒:连接筒用于连接和固定弹性材料和双目摄像头，连接筒中安装有LED灯， 用于双目摄像头摄像补光。同时，连接筒给弹性材料和双目摄像头提供一个密闭空间，可以 使该装置更加具有抗干扰性及环境适应性，可用于水下等环境的测力。
[0033]图像处理系统：图像处理系统可根据实际使用需求选择适当的处理器，用于实时 接收并处理双目摄像头摄取的双目视觉图像，并进一步运算出力的大小和方向：首先进行 相机参数标定，标定完成后从左右相机分别找到测力弹性体上的特征点，通过之前标定好 的参数，计算出该特征点的三维坐标。然后，根据测力弹性体上各标识点的三维坐标，我们 可建立当前测力弹性体的3D图像模型，分析出测力弹性体的形变情况，再依据测力弹性体 形变与受力的关系，便可计算出待测力的大小和方向。
[0034] 所述的一种基于图像识别的力测量装置，如图4所示，利用三角形相似的关系，可 推导出双目摄像头测量标志点深度的公式如下：
[0035]
[0036]式中，Z代表称志点距离摄像头的深度，f代表摄像头的焦距，T为双摄像头中心距 离，d代表标志点在左右两幅视图上成像的横向坐标的视差。
[0037]如图5所示，所述的一种基于图像识别的力测量装置，测量外力大小的测量过程如 下(假设施力物体与测力弹性体的接触为点接触）：
[0038] 首先，利用高精度测力装置，对测力弹性体上各标识点各自建立一个二维表格，表 格内容为该标识点在不同区间内的劲度系数。可按照如下公式测出各标识点在不同位移区 间内的劲度系数K:
[0039] K(x，x+Ax)=F(x+Ax)/(x+Ax)，
[0040] 其中，X是测力弹性体位移，Δ X为区间间隔，F(x+ Δ X)为测力弹性体在位移为X+ Δ X处的应力大小。只要选取适当的区间间隔Δχ，我们可以近似认为在区间（Χ，Χ+Δ Χ)内，测 力弹性体的劲度系数恒定，因此K(x，x+ △ X)就是测力弹性体在区间（x，x+ △ X)内的劲度系 数。用以上方法测出每个标识点在各个位移区间内的劲度系数，记录进表格里，存储进图像 处理系统的储存空间中供以后查阅使用。
[0041 ]测力弹性体在测力时，外力将使测力弹性体产生形变。利用双目摄像头可以得到 测力弹性体上各标识点的空间坐标。我们选取凹陷处的最低点作为受力点，然后算出受力 点的位移值。并根据位移值在上一步骤中建立的表格中查得该区间内的劲度系数，进而根 据公式F=KX X，算得外力的大小。
[0042]如图4所示，所述的一种基于图像识别的力测量装置，测量外力方向的原理如下： [0043]测力弹性体在测力时，外力将使测力弹性体产生形变。利用双目摄像头可以得到 测力弹性体上各标识点的空间坐标。我们选取凹陷处的最低点作为受力点。
[0044]受力点当前位置与不受力时该标识点的位置的连线即是力的方向。
[0045]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述 实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替 代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于图像识别的力测量装置，其特征在于，包括:测力弹性体、连接筒、双目摄像 头和图像识别处理器;所述测力弹性体位于连接筒的一端，所述测力弹性体在未受力时呈 半球状;所述双目摄像头固定于连接筒的另一端;所述图像识别处理器用于实时接收并处 理双目摄像头所摄取的图像，并得出外力的大小和方向； 所述测力弹性体的表面涂有均匀的标识点，所述标识点用于定位及识别；当有外力施 加在其身上时产生凹陷形变，所述凹陷形变的形变量与外力的大小视为满足分区间的胡克 定律，依据形变量计算出外力大小;所述凹陷形变的形变方向即为外力方向；所述测力弹性 体的材料根据实际应用情况来选择； 所述双目摄像头实时摄取弹性材料的状态图像，并传送到图像识别处理器;在图像识 别处理器中得出弹性材料的3D图像模型，分析出弹性材料的形变情况，根据分析出的形变 情况计算出外力的大小和方向； 所述连接筒用于固定弹性材料和双目摄像头，连接筒中安装有LED灯，所述LED灯用于 双目摄像头摄像补光;同时，连接筒给弹性材料和双目摄像头提供一个密闭空间； 所述图像识别处理器根据实时接收并处理双目摄像头摄取的双目视觉图像，运算出外 力的大小和方向。
【文档编号】G01B11/00GK205426389SQ201520977936
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2015年11月30日
【发明人】杨辰光, 吴怀炜, 梁培栋, 李智军, 黄东风
【申请人】华南理工大学