柔性触觉再现装置中的非接触式位置测量装置及测量方法

摘要

本发明公开了一种柔性触觉再现装置中的非接触式位置测量装置及测量方法。其中测量装置包括触觉再现装置机架，活动支承，弹性梁，指按帽，CCD线阵，红外LED发光阵列。弹性梁固定在机架上，活动支承可以沿弹性梁移动并起支承作用。CCD线阵和红外LED发光阵列分别对应弹性梁末端左右放置。测量的基本原理是由红外LED发光管发出的线红外光照射到弹性梁上，在CCD线阵的光敏面上形成阴影。CCD器件通过光电转化可以获得阴影所对应的像元，通过判断像元的位置即可得弹性梁所处的位置。该方法具有安装简单，实时性好，无摩擦，高精度，高分辨率的优点。

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种应用于交互式遥操作机器人和虚拟现实领域的触觉再现装置中非接触式位移测量技术。

二、背景技术

触觉交互是随着遥操作和虚拟现实研究的发展而诞生的一个新兴研究领域，而触觉再现装置则是触觉人机交互系统中极为重要的一个装置。

科学研究表明，人类认识客观世界的过程中，约20％-30％的信息是来源于非视觉信息的感知，其中力觉、触觉和听觉是最主要的非视觉信息来源。在进化史上，触觉是最早产生的感觉，触觉与人的关系更为密切，利用其进行生物反馈能取得更好的效果，对于虚拟现实技术中临场感程度和交互性具有十分重要的现实意义。实际工作中很多操作任务的信息要求具备敏捷的控制和触觉感觉，例如遥操作系统操作者需要具有交互作用的远处场景的感觉，即要求对物体轮廓表面及抓握力进行探测与感知；基于虚拟现实的外科手术训练中，手术刀端部对虚拟生理组织剖切力的侧来那个，可以给受训人员提供触觉感知反馈等等。因此，对触觉交互的研究将对人们的信息交流和沟通方式产生深远的影响。

在基于弹性梁有效长度控制的触觉再现装置中准确，实时地测量弹性梁末端的位移是其中的关键之一。而现有的测量方式通常采用接触式位移测量技术，如滑动阻式和滑动电感式位置测量方法，这种方式会因为引入了传感器的摩擦力与阻力而对力的测量带来误差。有的触觉再现装置中采用霍尔元件来实现非接触式测量，但由于霍尔元件对电磁干扰和温度变化非常敏感，会给位置测量带来较大的不确定性。

三、发明内容

本发明针对在交互式遥控操作机器人和虚拟现实领域有广泛应用的柔性触觉再现装置的位置测量需要，设计了一种高精度，高分辨率的非接触式位置测量装置及测量方法。

一种柔性触觉再现装置中的非接触式位置测量装置，包括机架、弹性梁以及活动支承，所述的弹性梁固定在机架上，其特征在于：在所述的机架上还设置有LED红外发光管和线阵CCD，所述的LED红外发光管和线阵CCD分别位于所述的弹性梁的两侧，所述的LED红外发光管和线阵CCD中心的连线与弹性梁的中心线垂直，且交点在所述的弹性梁的末端。

一种非接触式位置测量方法，即所述的LED红外发光管发出平行光，该平行光照射在所述的弹性梁的末端，并在弹性梁另一端的线阵CCD上形成阴影，所述的线阵CCD将阴影的光学信息转换成弹性梁末端的位移量。

该测量方法的原理为：线红外光照射到弹性梁上，在CCD线阵的感光面上形成阴影。CCD器件将光学信息转换成与光强成正比的电荷量。所以只要扫描CCD器件得到目前对应低电平的像元并与前一次相比较即可得出弹性梁的位移量。

本发明的柔性触觉再现装置中的非接触式位置测量装置及方法具有以下优点：

(1)采用红外LED发光管，可防止外界光线的干扰，提高了系统的适用性。

(2)安装简单，只要求LED发光阵列，弹性梁末端和CCD线阵在同一直线上。可应用于各类形状、体积不同的触觉再现装置。

(3)采用红外LED发光管和CCD线阵配合的方式测位移，为非接触式测量，无摩擦，不会因为传感器的安装而引入误差。

(4)采用CCD线阵扫描弹性梁的阴影，因为CCD器件本身就是高性能的传感器，所以此种测量方法具有高精度，高分辨率，高实时性的特点。

四、附图说明

图1是本发明测试装置的结构示意图。

图2是本发明测试方法原理图。

图3是本发明LED红外光在线阵CCD上的阴影图。

图4是本发明线阵CCD器件输出信号的示意图。

五、具体实施方案

下文结合附图以及具体实施例对本发明的柔性触觉再现装置中的非接触式位置测量方法进行详细描述。

如图1所示，触觉再现装置的非接触式位移测量硬件机构主要包括机架1，活动支承2，弹性梁3，指按帽4，红外LED发光管排成的阵列5和CCD线阵6。其中，弹性梁3固定在机架上1，活动支承2可以沿弹性梁3平移并起支承作用，弹性梁3的有效长度即为弹性梁3右侧端部到活动支承2右侧面的长度。指按帽4安装在距弹性梁3右侧断面3mm的部位，红外LED发光管列5与指按帽4位于同一垂面。CCD线阵5的安装要求CCD的绝大部分像元位于弹性梁静止位置以下。

本发明的柔性触觉装置中的非接触式位置测量的测量方法及原理如下，见图2，当指按帽上有力的输入，弹性梁端部向下弯曲，这时需要在高于10KHZ的频率上对弹性梁的垂直位移进行采样，以保证实时性的要求。红外LED发光管排列成的线性发光列发出线性红外光，照射在弹性梁上，将在CCD传感器上形成图3所示图像。其中被弹性梁挡住的部分将在CCD光敏面上形成暗区，而其余部分形成亮区。

线阵CCD传感器的敏感元件是由一列像元组成，CCD器件把光敏面上弹性梁影像的光学信息转换成与光强成正比的电荷量。如图4所示，亮区处为高电平，暗区处为低电平。且像元的大小是已知的，所以如果能得到此次暗区与上一次暗区(也可与设定的基准像元作比较)相隔的像元个数则可以获得弹性梁的位移。

本发明的柔性触觉再现装置中的非接触式位置测量的具体计算方法为：

设：第i像元经过光电转化后的电压为U_i

(1)规定为阀值电压，当$U_i<\frac{1}{2}\mathrm{VCC}$时，可判断为暗区，但

是边缘会因为干涉而有模糊区，不能准确判断。所以本算法中以暗区的最暗处为计算依据。

(2)设$U_i,U_{i+1},U_{i+2}...,U_{i+n}<\frac{1}{2}\mathrm{VCC}$即像元i到i+n都为暗区，求得这几个像元中对应最低电压的像元：

U_i+m＝min(U_i，U_i+1，U_i+2....，U_i+n)

则i+m像元是有最低电压的像元。

(3)设CCD器件有效像元的总长度为L，个数为N，则i+m像元的位置为：

$P=\frac{i+m}{N}L$

即求得了此次弹性梁所在的位置。