专利名称：扫描式触觉纹理检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于触觉临场感技术领域，是ー种用于检测物体表面纹理状况的物体表面纹理检测装置。
背景技术：
纹理是物体表面的ー种物理属性，是物体表面的微观几何形状、粗糙度以及热传导等特性的综合描述。在计算机图形学中，图像纹理是ー个位图，反映了物体的顔色模式以及图像灰度上的空间相关性和空间分布特性。在计算机图形学上，纹理是图像的重要视觉特征，通过对图像纹理的分析、映射、重现。描述现实环境，不仅需要视觉图像，更需要触觉感知外部环境。由于现有的人工智能的局限性，在可以预见的相当长一段时间内还不能满 足特定环境中的智能设备的安全有效的全自主作业，这使得智能设备的发展方向从早期的全自主方式向有人參与的方向发展，将人的智能同智能设备的自主性能有机的结合起来，形成了现在的遥操作系统。在遥操作领域，将虚拟的或远地的物体的纹理信息再现并作用于操作者手部，不仅可以增强系统的临场感，而且可以帮助操作者识别不同特性的虚拟物体。触觉再现纹理，首先就是要提取物体表面的纹理特性。目前，对纹理触觉信息的检测和再现仅局限于数字图像处理、计算机图形学等研究領域，主要通过纹理的正向映射、反向映射和局部区域映射实现。如果能够把触觉反馈信息真实再现出来并提供给手或者身体的其他部分，那么将会涌现出大量激动人心的应用。例如，研究表明在虚拟环境中提供真实的触觉感觉有助于提高工作效率。操作者可以通过触摸虚拟环境，从中提取有用的信息，并把他们对真实世界感觉的知识应用于其中。一般来说，得到的触觉信息越接近于真实环境，操作者就越能依靠真实世界的知觉，从事虚拟环境中的任务培训，可以类似于目前虚拟驾驶训练。触觉感知主要可以划分成两类，一类是滑动触觉感知，另ー类是柔性(或刚度)触觉感知。其中，滑动触觉感知是指人对物体表面纹理特性的感知。本实用新型采用滑动触觉感知，是用于检测物体表面纹理特性的装置。关于纹理信息的检测受到人类对纹理本质认识的局限，至今还不能建立纹理的精确模型，所以这方面的研究进展得非常缓慢。目前检测纹理信息最普遍的方法是根据图象处理理论，方法很多，包括统计法、结构法、模型法和空闻/频率域联合分析法等四种。运用彩色图象灰度化、中值滤波、图象ニ值化等一系列图象处理手段，抽取图像所反映的材质的纹理信息。统计的方法是最基本的ー类方法。典型的有直方图法、差值直方图法、共生矩阵法、Laws纹理能量法等。这类方法般原理简单，易于实现。例如，直方图反应图像的亮度在各个灰度级上出现的概率。灰度值均值的方差表达的是灰度值相对于均值的分布情況，描述了直方图的相对平滑程度，可反映图像中纹理的深浅程度。这种方法不太适合为表面纹理建模，首先，光源条件直接影响图片的拍摄，在不同光源下拍摄的图片提取到的纹理信息会有所不同；其次，提取到的纹理信息是黑白ニ值图像，不能反映物体表面沟壑的深度信息。卡耐基梅隆大学机器人学院提出用探针在物体表面运动建立物体表面纹理模型。如图I所示，I为待测物体表面，2为针尖运动轨迹，3为探针。探针3垂直于待测物体表面1，并施加一定大小的力使探针3与待测物体表面I接触，并以恒速运动，这样探针3的针尖运动轨迹2可以反映物体表面的极细微凹槽的深度和频度，间接的反映了物体表面的纹理信息。本实用新型基于此模型提出了ー种新型的检测物体表面纹理的装置——扫描式触觉纹理检测装置。
实用新型内容本实用新型提供一种能够检测到平面信息简单易行的物体表面纹理检测装置。本实用新型采用如下技术方案本实用新型所述物体表面纹理检测装置的技术方案ー种物体表面纹理的扫描检测装置，包括三维姿态调整台上，在三维姿态调整台的末端连接有笔式纹理检测仪，包括互相连接的笔筒和笔帽，在笔筒内设有电路板固定支架，在电路板固定支架上方设有圆套，在圆套上设有触点力传感器支架，在触点力传感器支架上设有触点カ传感器，在触点力传感器的触点上设有探针底盘，在探针底盘固定有探针，在探针上套设有探针导向盘和弹簧，并且，弹簧位于探针底盘与探针导向盘之间，探针导向盘位于笔帽内，探针自笔帽内部延伸至笔帽外部且探针与笔帽滑动连接。与现有技术相比，本实用新型具有如下优点本实用新型利用了三维姿态调整台上安装笔式触觉纹理检测仪进行物体表面的纹理检測。在检测过程中，可以保证笔式纹理检测仪所受的变化的力仅仅来自所测物体表面的纹理，而没有其他因素造成的力的施加。笔式纹理检测仪具有轻便、体积小和方便固定的特点，采用USB方式进行上位机与微处理器之间的数据传输，可以即插即用。当三维姿态调整台带动纹理检测仪在物体表面滑动时，PC机可以接收到与待检测的物体表面纹理相应的电压信号，上位机软件中采用均值滤波对信号进行处理，使采集到的数据更加准确。通过分析采集到的电信号，可以间接判断物体表面纹理特性。这种装置不仅能够检测到平面信息，而且不受环境干扰。本实用新型具有结构简单、控制准确和易于实现的特点。
图I是现有的表面纹理探针检测模型。图2是本实用新型总体的简化结构示意图。图3是本实用新型的总体结构框图。图4是笔式纹理检测仪的爆炸视图。图5是笔式纹理检测仪的内部结构示意图。图6是本实用新型使用的差分放大电路图。I.待测物体表面，2.针尖运动轨迹，3.探针，4. Z轴的直流伺服电机，5. Y轴直流伺服电机，6. X轴的直流伺服电机，7. X轴的直流伺服电机，8.笔式纹理检测仪，9.螺杆，10.导杆，11.滑块，12.第一维左平动机构，13.第一维右平动机构，14.第二维平动机构，15.第三维平动机构，16.末端滑块，17.三维姿态调整台末端，18.笔式纹理检测仪探针，19.弹簧，20.触点カ传感器，21.电路板，22.笔筒，23.笔帽，24.电路板固定支架，25.圆套，26.触点力传感器支架，27.探针底盘，28.探针导向盘，29.基座。
具体实施方式
ー种物体表面纹理的扫描检测装置，包括三维姿态调整台，在三维姿态调整台的末端17连接有笔式纹理检测仪8，所述的笔式纹理检测仪包括互相连接的笔筒22和笔帽23，在笔筒22内设有电路板固定支架24，在电路板固定支架24上方设有圆套25，在圆套25上设有触点力传感器支架26，在触点力传感器支架26上设有触点力传感器20，在触点カ传感器20的触点上设有探针底盘27，在探针底盘27固定有探针18，在探针18上套设有探针 导向盘28和弹簧19，并且，弹簧19位于探针底盘27与探针导向盘28之间，探针导向盘28位于笔帽23内，探针18自笔帽23内部延伸至笔帽23外部且探针18与笔帽23滑动连接。在本实例中所述的三维姿态调整台包括第一维左平动机构12、第一维右平动机构13、第二维平动机构14及第三维平动机构15，所述的第一维左平动机构12、第一维右平动机构13、第二维平动机构14及第三维平动机构15为ー维平动机构，所述的ー维平动机构包括基座29，在基座29设有导杆10、螺杆9及电机6，螺杆9与基座29转动连接且螺杆9与电机6的输出轴连接，在导杆10上套设有滑块11且滑块11与螺杆9螺纹连接，第一维左平动机构12及第ー维右平动机构13的滑块分别与第二维平动机构14的基座连接，第二维平动机构14的滑块与第三维平动机构15的基座连接，第三维平动机构15的滑块与所述三维姿态调整台的末端17连接。下文结合附图及具体实施对本实用新型进行详细描述。图2所示的是本实用新型总体的简化结构示意图，将笔式纹理检测仪固定在三维姿态调整台上。图2中标记4所指示的是Z轴的直流伺服电机，标记5所指示的是Y轴的直流伺服电机，标记6和7所指示的是X轴的直流伺服电机，分别控制着笔式纹理检测仪在Z、Y、X三轴上的运动。其中Z轴是用来调整笔式纹理检测仪的探针和物体表面的距离。当笔式纹理检测仪做物体表面纹理扫描吋，电机6、7和电机5带动其在X、Y方向上运动。三维姿态调整台内部采用滚珠螺杆传动，线性滑块导轨并且带有标配计算机通讯接ロ。图2中8所指示的是笔式纹理检测仪。图3所示的是本实用新型的总体结构框图，PC机控制三维姿态调整台，从而控制笔式纹理检测仪在物体表面的检测路径。探针后的触点力传感器在笔式纹理检测仪扫描物体表面时采集物体表面纹理施加的变化的压力，这些压力信号被送入信号处理板中进行信号的调理、滤波。在信号处理电路板中，压カ信号经过差分放大、ニ阶低通滤波后送入微处理器中进行AD转换、然后通过USB将信号送入PC机软件，进行信号的进ー步处理以及波形显示。触点力传感器输出的差分电压信号将对应于物体表面纹理的凹凸变化转换为相应的电压变化。差分电压差幅值的变化与纹理凹凸大小变化成正比，即该差分电压差的幅值越大代表纹理凹凸越明显。把触点カ传感器输出的电压信号通过差分放大、ニ阶巴特沃斯低通有源滤波，截止频率为41HZ。PC机由定时器触发读取数据，获得有效数据后，刷新界面显示纹理信息的波形。图4所示的是笔式纹理检测仪的爆炸视图。图5所示的是笔式纹理检测仪的内部结构示意图。笔式纹理检测仪包含有ー个接收待测物体表面纹理施加压カ的探针18、传递压カ的弹簧19、触点力传感器20及力信号处理电路板21。当三维姿态调整台带动笔式纹理检测仪在待测物体表面移动时，探针18接收物体表面纹理所施加的力信号，通过弹簧19传递给触点力传感器20，接着送到信号处理电路板21上进行信号的处理，最后信号处理板21中的微处理器将经过处理的信号通过USB传送给PC机，PC机软件实现物体表面纹理的波形显示。图6是本实用新型差分放大电路图，本实用新型采用的硬件电路均为已知电路。由AD623构成差分放大电路，差分放大倍数为100。再由0P07构成ニ阶低通滤波器，截止频率为41Hz，对信号进行滤波调理。微处理器C8051F410负责对信号进行AD转换、数据的前期预处理和将数据通过USB方式发送给PC机。系统采用USB供电，通过升压、降压、稳压等 电路得到各电路模块所需的供电电压。
权利要求1.ー种物体表面纹理的扫描检测装置，其特征在于，包括三维姿态调整台，在三维姿态调整台的末端(17)连接有笔式纹理检测仪(8)， 所述的笔式纹理检测仪包括互相连接的笔筒(22)和笔帽(23)，在笔筒(22)内设有电路板固定支架(24)，在电路板固定支架(24)上方设有圆套(25)，在圆套(25)上设有触点力传感器支架(26)，在触点力传感器支架(26)上设有触点力传感器(20)，在触点力传感器(20)的触点上设有探针底盘(27)，在探针底盘(27)固定有探针(18)，在探针(18)上套设有探针导向盘(28)和弹簧(19)，并且，弹簧(19)位于探针底盘(27)与探针导向盘(28)之间，探针导向盘(28)位于笔帽(23)内，探针(18)自笔帽(23)内部延伸至笔帽(23)外部且探针(18)与笔帽(23)滑动连接。
2.根据权利要求I所述的物体表面纹理的扫描检测装置，其特征在于，所述的三维姿态调整台包括第一维左平动机构(12)、第一维右平动机构(13)、第二维平动机构(14)及第三维平动机构(15)，所述的第一维左平动机构(12)、第一维右平动机构(13)、第二维平动 机构(14)及第三维平动机构(15)为ー维平动机构， 所述的ー维平动机构包括基座(29)，在基座(29)设有导杆(10)、螺杆(9)及电机(6)，螺杆(9)与基座(29)转动连接且螺杆(9)与电机￠)的输出轴连接，在导杆(10)上套设有滑块(11)且滑块(11)与螺杆(9)螺纹连接， 第一维左平动机构(12)及第ー维右平动机构(13)的滑块分别与第二维平动机构(14)的基座连接，第二维平动机构(14)的滑块与第三维平动机构(15)的基座连接，第三维平动机构(15)的滑块与所述三维姿态调整台的末端(17)连接。
专利摘要一种物体表面纹理的扫描检测装置，包括三维姿态调整台上，在三维姿态调整台的末端连接有笔式纹理检测仪，包括互相连接的笔筒和笔帽，在笔筒内设有电路板固定支架，在电路板固定支架上方设有圆套，在圆套上设有触点力传感器支架，在触点力传感器支架上设有触点力传感器，在触点力传感器的触点上设有探针底盘，在探针底盘固定有探针，在探针上套设有探针导向盘和弹簧，并且，弹簧位于探针底盘与探针导向盘之间，探针导向盘位于笔帽内，探针自笔帽内部延伸至笔帽外部且探针与笔帽滑动连接。
文档编号G01B7/34GK202393346SQ20112045781
公开日2012年8月22日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者刘威, 吴涓, 宋光明, 宋爱国, 马妍 申请人:东南大学