專利名稱：非接觸式手指變形測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種手指變形測量裝置，特別是一種非接觸式手指變形測量裝置及測
量方法。
背景技術(shù)：
人觸摸物體獲取觸覺信息時，手指皮膚會受力變形。手指皮膚受力變形后，會影響手指內(nèi)部的機械感神經(jīng)元細(xì)胞，從而產(chǎn)生觸覺感知，也就是說觸摸物體時獲得的觸覺信息與手指皮膚的受力和變形有關(guān)。手指觸摸物體時所受到的力一般為分布壓力，而由于目前對于分布壓力的測量手段和精度都受到限制，因此在研究觸覺再現(xiàn)時，以手指皮膚表面的變形來研究觸覺感知與觸覺刺激之間的關(guān)系以及觸覺再現(xiàn)的逼真程度。手指皮膚表面的變形包括在靜態(tài)載荷下的變形輪廓和在動態(tài)載荷下的變化過程。文獻(xiàn) 1 :Vincent Levesque. Measurement of Skin Deformation Using Fingerprint Feature Tracking 禾口文獻(xiàn) 2: Kiran Dandekar. Role of Mechanics in Tactile Sensing of Siape分別提出了基于指紋特征和標(biāo)記點利用圖像處理的方法測量手指皮膚的變形。采用圖像處理的方法在計算手指變形時，處理過程復(fù)雜，而且只能靜態(tài)測量手指變形的輪廓，不能測量手指變形的動態(tài)變化過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠測量手指變形的裝置及測量方法，該裝置具有非接觸測量的特點，測量過程中不影響手指的變形，不僅能夠測量手指的變形輪廓，而且能夠測量手指變形的動態(tài)變化過程。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案一種非接觸式手指變形測量裝置，包括水平移動平臺部分、高度調(diào)節(jié)部分和壓力控制部分，所述的水平移動平臺部分包括X向水平移動平臺、Y向水平移動平臺、傳感器支架和激光位移傳感器，該Y向水平移動平臺位于χ向水平移動平臺上，并與χ向水平移動平臺垂直，該χ向水平移動平臺包括χ向步進(jìn)電機、χ向移動平臺，X向步進(jìn)電機通過聯(lián)軸器連接X向移動平臺，Y向水平移動平臺包括Y向步進(jìn)電機、Y向移動平臺，Y向步進(jìn)電機通過聯(lián)軸器連接Y向移動平臺，所述的傳感器支架固定在 Y向移動平臺上，激光位移傳感器固定在傳感器支架上；所述的高度調(diào)節(jié)部分包括基座、標(biāo)尺、滑塊、鎖緊螺母、透明有機玻璃板和螺釘，所述的基座上表面的中間部分為斜面用于放置手指，與中間部分相接的左右兩端表面為平面，標(biāo)尺垂直安裝在基座的右端平面上，滑塊沿標(biāo)尺Z向移動，并可由鎖緊螺母鎖緊在標(biāo)尺上，透明有機玻璃板通過螺釘與滑塊連接，該透明有機玻璃板與標(biāo)尺垂直，并與基座平行；所述的壓力控制部分包括氣源、比例壓力閥、 兩位電磁閥和壓力表，所述的氣源、比例壓力閥、兩位電磁閥和壓力表通過氣管連接，該氣管并與透明有機玻璃板上的進(jìn)氣口連接，該進(jìn)氣口與噴嘴相通，該噴嘴位于手指的上方，裝有matlabe. 5/simulink軟件的工控機與激光位移傳感器和壓力表連接；高度調(diào)節(jié)部分的基座與水平移動平臺部分的X向移動平臺平行，激光位移傳感器發(fā)出的激光束穿過透明有機玻璃板和噴嘴到達(dá)手指表面，進(jìn)行測量手指的變形，通過調(diào)節(jié)比例壓力閥壓力以及噴嘴與手指之間的距離改變作用在手指上的作用力，從而改變手指的變形。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(1)測量裝置結(jié)構(gòu)簡單，手指變形測量過程簡單迅速；(2)測量裝置采用激光位移傳感器測量手指的變形，屬于非接觸測量，測量過程不會影響手指的變形；(3)能夠方便的測量手指在動態(tài)壓力下某點變形的動態(tài)變化過程和在恒定壓力下手指變形的輪廓。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明測量裝置的測量原理圖。圖2為本發(fā)明測量裝置的總體結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明測量裝置中透明有機玻璃板的結(jié)構(gòu)圖。圖4為本發(fā)明測量手指變形的動態(tài)變化曲線。圖5為本發(fā)明測量手指變形的輪廓曲線。
具體實施例方式結(jié)合圖1和圖2，本發(fā)明非接觸式手指變形測量裝置包括水平移動平臺部分、高度調(diào)節(jié)部分和壓力控制部分，所述的水平移動平臺部分包括X向水平移動平臺、Y向水平移動平臺、傳感器支架8和激光位移傳感器9，該Y向水平移動平臺位于X向水平移動平臺上，并與X向水平移動平臺垂直，該X向水平移動平臺包括X向步進(jìn)電機4、X向移動平臺5，X向步進(jìn)電機4通過聯(lián)軸器連接X向移動平臺5，Y向水平移動平臺包括Y向步進(jìn)電機6、Y向移動平臺7，Y向步進(jìn)電機6通過聯(lián)軸器連接Y向移動平臺7，所述的傳感器支架8固定在 Y向移動平臺7上，激光位移傳感器9固定在傳感器支架8上；所述的高度調(diào)節(jié)部分包括基座1、標(biāo)尺10、滑塊11、鎖緊螺母12、透明有機玻璃板3和螺釘13，所述的基座1上表面的中間部分為斜面用于放置手指2，該斜面的傾斜角為20-30度。與中間部分相接的左右兩端表面為平面，標(biāo)尺10垂直安裝在基座1的右端平面上，滑塊11沿標(biāo)尺IOZ向移動，并可由鎖緊螺母12鎖緊在標(biāo)尺10上，透明有機玻璃板3通過螺釘13與滑塊11連接，該透明有機玻璃板3與標(biāo)尺10垂直，并與基座1平行；所述的壓力控制部分包括氣源17、比例壓力閥16、兩位電磁閥15和壓力表14，所述的氣源17、比例壓力閥16、兩位電磁閥15和壓力表 14通過氣管連接，該氣管并與透明有機玻璃板3上的進(jìn)氣口 20連接，該進(jìn)氣口 20與噴嘴 21相通，該噴嘴21位于手指2的上方(噴嘴21與手指2表面可以保持l_4mm的距離)，裝有 matlab6. 5/simulink軟件的工控機與激光位移傳感器9和壓力表14連接；
所述的高度調(diào)節(jié)部分位于水平移動平臺部分的前面，并且高度調(diào)節(jié)部分的基座1與水平移動平臺部分的X向移動平臺5平行，激光位移傳感器9發(fā)出的激光束穿過透明有機玻璃板3和噴嘴21到達(dá)手指2表面，進(jìn)行測量手指的變形。通過調(diào)節(jié)比例壓力閥16壓力以及噴嘴21與手指2之間的距離改變作用在手指上的作用力，從而改變手指的變形。使激光位移傳感器9的激光束與透明有機玻璃板3垂直。通過控制X向步進(jìn)電機 4、Y向步進(jìn)電機6可以使Y向移動平臺7、Χ向移動平臺5前后、左右方向移動，從而調(diào)整激光位移傳感器9的激光束透過透明有機玻璃板3的位置，激光位移傳感器9發(fā)出的激光束透過透明有機玻璃板3經(jīng)手指表面反射后可以測量手指的變形量。所述的滑塊11沿標(biāo)尺 IOZ向移動，調(diào)節(jié)位于透明有機玻璃板3上的噴嘴21與手指2表面的距離，當(dāng)噴嘴21與手指2之間的距離確定后，可由鎖緊螺母12鎖緊在標(biāo)尺10上。所述的壓力控制部分為手指變形輪廓測量裝置提供壓縮空氣，并且調(diào)節(jié)壓縮空氣的壓力。結(jié)合圖3，本發(fā)明非接觸式手指變形測量裝置的透明有機玻璃板3由透明的上板 18和下板19組成，所述的下板19上的進(jìn)氣口 20垂直于側(cè)面22，所述的下板19上的噴嘴 21為通孔，垂直于下板19的底面23，并與進(jìn)氣口 20相通，所述的上板18和下板19由玻璃膠連接密封，可以保證壓縮空氣由噴嘴21噴出，作用到手指表面使手指產(chǎn)生變形，所述激光位移傳感器9發(fā)出的激光束穿過上板18和噴嘴21到達(dá)手指2表面，進(jìn)行測量手指的變形。利用上述非接觸式手指變形測量裝置可以實現(xiàn)兩種形式的手指特性測量一是測量手指在動態(tài)壓力下某點變形的動態(tài)變化過程；二是測量手指在某恒定壓力下手指變形的輪廓。結(jié)合圖1、圖2和圖3，本發(fā)明的非接觸式手指變形輪廓測量方法，具體步驟如下
1、手指在動態(tài)壓力下某點變形的動態(tài)變化測量，包括如下步驟 步驟1 手指2放置在基座1的斜面上，并且通過雙面膠使手指2指甲一側(cè)與斜面固定， 防止手指2的松動影響測量結(jié)果；分別調(diào)整X向移動平臺5和Y向移動平臺7，使激光位移傳感器9的激光束位于透明有機玻璃板3上的噴嘴21的中心位置，并使激光束穿過噴嘴21 達(dá)到手指2表面；調(diào)整滑塊11的位置，使透明有機玻璃板3與手指2接觸，這時噴嘴21與手指2之間的距離為0，然后向上移動滑塊11，使噴嘴21與手指2之間的距離在廣4mm之間，用鎖緊螺母12將滑塊11鎖緊。步驟2 調(diào)整比例壓力閥16的壓力在0·05ΜΡεΓ0·5ΜΡει之間，開啟工控機利用 matlabe. 5/simulink軟件采集激光位移傳感器9的位移信號和壓力表14的壓力信號，然后開啟兩位電磁閥15，壓縮空氣通過噴嘴21噴射到手指表面使手指變形，采集手指變形的動態(tài)過程。如果關(guān)閉電磁閥15，也可以得到手指皮膚變形的恢復(fù)過程，如圖4所示。圖中的虛線表示壓力信號，實線為手指的變形曲線，當(dāng)開啟電磁閥15，壓力由0突然增大到0. IMPa 時，手指的變形由0逐漸增大；當(dāng)關(guān)閉電磁閥15，壓力由0. IMPa突然降低到0時，手指的變形逐漸減小，手指變形的動態(tài)變化過程稱之為蠕變。通過調(diào)整比例壓力閥16的壓力和調(diào)節(jié)噴嘴21與手指2之間的距離，可以研究壓力和距離對于手指變形的影響。2、手指在某恒定壓力下手指變形的輪廓測量，包括如下步驟
步驟3 與手指變形的動態(tài)測量的步驟1相同，調(diào)整激光位移傳感器9的位置和噴嘴21 與手指2之間的距離。步驟4:調(diào)整比例壓力閥16的壓力在0·05ΜΡεΓ0·5ΜΡει之間，開啟工控機利用 matlab6. 5/simulink軟件采集激光位移傳感器9的位移信號，控制X向移動平臺5向左勻速移動一段距離(如5-10mm)，這樣可以得到手指2表面受力之前的位置；然后開啟兩位電磁閥15，使手指充分變形后，控制X向移動平臺5向右移動同樣的距離，同時采集激光位移傳感器9的位移信號，這樣可以得到手指2表面受力之后的位置，手指2表面受力前后的位置相減就可以得到手指2的變形輪廓，如圖5所示，中心點0處(噴嘴中心線在手指表面的投影點)手指變形最大，距中心點的距離越大，手指的變形逐漸減小，手指在壓力作用下的變形輪廓也就可以得到。通過調(diào)整比例壓力閥16的壓力和調(diào)節(jié)噴嘴21與手指2之間的距離，可以研究壓力和距離對于手指變形輪廓的影響。
權(quán)利要求
1.一種非接觸式手指變形測量裝置，其特征在于包括水平移動平臺部分、高度調(diào)節(jié)部分和壓力控制部分，所述的水平移動平臺部分包括X向水平移動平臺、Y向水平移動平臺、 傳感器支架[8]和激光位移傳感器[9]，該Y向水平移動平臺位于X向水平移動平臺上，并與X向水平移動平臺垂直，該X向水平移動平臺包括X向步進(jìn)電機[4]、X向移動平臺[5]， X向步進(jìn)電機[4]通過聯(lián)軸器連接X向移動平臺[5]，Y向水平移動平臺包括Y向步進(jìn)電機 [6]、Y向移動平臺[7]，Y向步進(jìn)電機[6]通過聯(lián)軸器連接Y向移動平臺[7]，所述的傳感器支架[8]固定在Y向移動平臺[7]上，激光位移傳感器[9]固定在傳感器支架[8]上； 所述的高度調(diào)節(jié)部分包括基座[1]、標(biāo)尺[10]、滑塊[11]、鎖緊螺母[12]、透明有機玻璃板 [3]和螺釘[13]，所述的基座[1]上表面的中間部分為斜面用于放置手指[2]，與中間部分相接的左右兩端表面為平面，標(biāo)尺[10]垂直安裝在基座[1]的右端平面上，滑塊[11]沿標(biāo)尺[10]Z向移動，并可由鎖緊螺母[12]鎖緊在標(biāo)尺[10]上，透明有機玻璃板[3]通過螺釘 [13]與滑塊[11]連接，該透明有機玻璃板[3]與標(biāo)尺[10]垂直，并與基座[1]平行；所述的壓力控制部分包括氣源[17]、比例壓力閥[16]、兩位電磁閥[15]和壓力表[14]，所述的氣源[17]、比例壓力閥[16]、兩位電磁閥[15]和壓力表[14]通過氣管連接，該氣管并與透明有機玻璃板[3]上的進(jìn)氣口 [20]連接，該進(jìn)氣口 [20]與噴嘴[21]相通，該噴嘴[21]位于手指[2]的上方，裝有matlab6. 5/simulink軟件的工控機與激光位移傳感器[9]和壓力表[14]連接；高度調(diào)節(jié)部分的基座[1]與水平移動平臺部分的X向移動平臺[5]平行，激光位移傳感器[9]發(fā)出的激光束穿過透明有機玻璃板[3]和噴嘴[21]到達(dá)手指[2]表面， 進(jìn)行測量手指的變形，通過調(diào)節(jié)比例壓力閥[16]壓力以及噴嘴[21]與手指[2]之間的距離改變作用在手指上的作用力，從而改變手指的變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式手指變形測量裝置，其特征在于基座[1]上表面的中間部分為傾斜20-30度的斜面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式手指變形測量裝置，其特征在于透明有機玻璃板[3]由透明的上板[18]和下板[19]組成，所述的下板[19]上的進(jìn)氣口[20]垂直于側(cè)面 [22]，所述的下板[19]上的噴嘴[21]為通孔，垂直于下板[19]的底面[23]，并與進(jìn)氣口 [20]相通，所述的上板[18]和下板[19]由玻璃膠連接密封，以保證壓縮空氣由噴嘴[21] 噴出，作用到手指表面使手指產(chǎn)生變形，所述激光位移傳感器[9]發(fā)出的激光束穿過上板 [18]和噴嘴[21]到達(dá)手指[2]表面，進(jìn)行測量手指的變形。
4.一種非接觸式手指變形測量方法，其特征在于能夠測量手指變形的動態(tài)變化過程和手指變形的輪廓，即首先，設(shè)計非接觸式手指變形測量的裝置，該非接觸式手指變形測量裝置包括水平移動平臺部分、高度調(diào)節(jié)部分和壓力控制部分，所述的水平移動平臺部分包括X向水平移動平臺、Y向水平移動平臺、傳感器支架[8]和激光位移傳感器[9]，該Y向水平移動平臺位于 X向水平移動平臺上，并與X向水平移動平臺垂直，該X向水平移動平臺包括X向步進(jìn)電機[4]、X向移動平臺[5]，X向步進(jìn)電機[4]通過聯(lián)軸器連接X向移動平臺[5]，Y向水平移動平臺包括Y向步進(jìn)電機[6]、Y向移動平臺[7]，Y向步進(jìn)電機[6]通過聯(lián)軸器連接Y向移動平臺[7]，所述的傳感器支架[8]固定在Y向移動平臺[7]上，激光位移傳感器[9]固定在傳感器支架[8]上；所述的高度調(diào)節(jié)部分包括基座[1]、標(biāo)尺[10]、滑塊[11]、鎖緊螺母 [12]、透明有機玻璃板[3]和螺釘[13]，所述的基座[1]上表面的中間部分為斜面用于放置手指[2]，與中間部分相接的左右兩端表面為平面，標(biāo)尺[10]垂直安裝在基座[1]的右端平面上，滑塊[11]沿標(biāo)尺[10]Z向移動，并可由鎖緊螺母[12]鎖緊在標(biāo)尺[10]上，透明有機玻璃板[3]通過螺釘[13]與滑塊[11]連接，該透明有機玻璃板[3]與標(biāo)尺[10]垂直，并與基座[1]平行；所述的壓力控制部分包括氣源[17]、比例壓力閥[16]、兩位電磁閥[15] 和壓力表[14]，所述的氣源[17]、比例壓力閥[16]、兩位電磁閥[15]和壓力表[14]通過氣管連接，該氣管并與透明有機玻璃板[3]上的進(jìn)氣口 [20]連接，該進(jìn)氣口 [20]與噴嘴[21] 相通，該噴嘴[21]位于手指[2]的上方，裝有matlab6. 5/simulink軟件的工控機與激光位移傳感器[9]和壓力表[14]連接；高度調(diào)節(jié)部分的基座[1]與水平移動平臺部分的X向移動平臺[5]平行，激光位移傳感器[9]發(fā)出的激光束穿過透明有機玻璃板[3]和噴嘴[21] 到達(dá)手指[2]表面，進(jìn)行測量手指的變形，通過調(diào)節(jié)比例壓力閥[16]壓力以及噴嘴[21]與手指[2]之間的距離改變作用在手指上的作用力，從而改變手指的變形； 其次，手指在動態(tài)壓力下某點變形的動態(tài)變化測量，包括如下步驟 步驟1 手指[2]放置在基座[1]的斜面上，并且通過雙面膠使手指[2]指甲一側(cè)與斜面固定，防止手指[2]的松動影響測量結(jié)果；分別調(diào)整X向移動平臺[5]和Y向移動平臺 [7]，使激光位移傳感器[9]的激光束位于透明有機玻璃板[3]上噴嘴[21]的中心位置； 調(diào)整滑塊[11]的位置，使透明有機玻璃板[3]與手指[2]表面接觸，這時噴嘴[21]與手指 [2]之間的距離為0，然后向上移動滑塊[11]，使噴嘴[21]與手指[2]之間的距離在廣4mm 之間，用鎖緊螺母[12]將滑塊[11]鎖緊；步驟2:調(diào)整比例壓力閥[16]的壓力在0.05MPa 0.5MPa之間，開啟工控機利用 matlabe. 5/simulink軟件采集激光位移傳感器[9]的位移信號和壓力表[14]的壓力信號， 然后開啟兩位電磁閥[15]，壓縮空氣通過噴嘴[21]噴射到手指表面使手指變形，采集手指變形的動態(tài)過程，如果關(guān)閉電磁閥[15]，得到手指皮膚變形的恢復(fù)過程； 再次，手指在某恒定壓力下手指變形的輪廓測量，包括如下步驟 步驟3 與手指在動態(tài)壓力下某點變形的動態(tài)變化測量與步驟1相同，調(diào)整激光位移傳感器[9]的位置和噴嘴[21]與手指[2]之間的距離；步驟4:調(diào)整比例壓力閥[16]的壓力在0.05MPa 0.5MPa之間，開啟工控機利用 matlab6. 5/simulink軟件采集激光位移傳感器[9]的位移信號，控制X向移動平臺[5]向左勻速移動一段距離，得到手指[2]表面受力之前的位置；然后開啟兩位電磁閥[15]，使手指充分變形后，控制X向移動平臺[5]向右移動同樣的距離，同時采集激光位移傳感器[9] 的位移信號，得到手指表面受力之后的位置，受力前后的位置相減就得到手指變形的輪廓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非接觸式手指變形測量裝置及其方法，包括水平移動平臺部分、高度調(diào)節(jié)部分和壓力控制部分。所述的水平移動平臺部分包括X、Y向步進(jìn)電機、X、Y向移動平臺、傳感器支架和激光位移傳感器；所述的高度調(diào)節(jié)部分包括基座、標(biāo)尺、滑塊、鎖緊螺母、透明有機玻璃板和螺釘；所述的壓力控制部分，包括壓力表、兩位電磁閥、比例壓力閥。本發(fā)明采用非接觸式測量方法測量手指變形的動態(tài)變化過程以及手指變形的輪廓，并且可以方便的調(diào)節(jié)手指與噴嘴之間的距離和噴嘴內(nèi)的壓力，改變手指的變形量。
文檔編號G01B11/24GK102288126SQ20111021306
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月28日
發(fā)明者孫中圣, 李小寧, 滕燕 申請人:南京理工大學(xué)