專利名稱：掃描式觸覺紋理檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于觸覺臨場感技術(shù)領(lǐng)域，是一種用于檢測物體表面紋理狀況的物體表面紋理檢測裝置。
背景技術(shù)：
紋理是物體表面的一種物理屬性，是物體表面的微觀幾何形狀、粗糙度以及熱傳導(dǎo)等特性的綜合描述。在計算機圖形學(xué)中，圖像紋理是一個位圖，反映了物體的顏色模式以及圖像灰度上的空間相關(guān)性和空間分布特性。在計算機圖形學(xué)上，紋理是圖像的重要視覺特征，通過對圖像紋理的分析、映射、重現(xiàn)。描述現(xiàn)實環(huán)境，不僅需要視覺圖像，更需要觸覺感知外部環(huán)境。由于現(xiàn)有的人工智能的局限性，在可以預(yù)見的相當(dāng)長一段時間內(nèi)還不能滿足特定環(huán)境中的智能設(shè)備的安全有效的全自主作業(yè)，這使得智能設(shè)備的發(fā)展方向從早期的全自主方式向有人參與的方向發(fā)展，將人的智能同智能設(shè)備的自主性能有機的結(jié)合起來， 形成了現(xiàn)在的遙操作系統(tǒng)。在遙操作領(lǐng)域，將虛擬的或遠(yuǎn)地的物體的紋理信息再現(xiàn)并作用于操作者手部，不僅可以增強系統(tǒng)的臨場感，而且可以幫助操作者識別不同特性的虛擬物體。觸覺再現(xiàn)紋理，首先就是要提取物體表面的紋理特性。目前，對紋理觸覺信息的檢測和再現(xiàn)僅局限于數(shù)字圖像處理、計算機圖形學(xué)等研究領(lǐng)域，主要通過紋理的正向映射、反向映射和局部區(qū)域映射實現(xiàn)。如果能夠把觸覺反饋信息真實再現(xiàn)出來并提供給手或者身體的其他部分，那么將會涌現(xiàn)出大量激動人心的應(yīng)用。例如，研究表明在虛擬環(huán)境中提供真實的觸覺感覺有助于提高工作效率。操作者可以通過觸摸虛擬環(huán)境，從中提取有用的信息，并把他們對真實世界感覺的知識應(yīng)用于其中。一般來說，得到的觸覺信息越接近于真實環(huán)境，操作者就越能依靠真實世界的知覺，從事虛擬環(huán)境中的任務(wù)培訓(xùn)，可以類似于目前虛擬駕駛訓(xùn)練。觸覺感知主要可以劃分成兩類，一類是滑動觸覺感知，另一類是柔性(或剛度)觸覺感知。其中，滑動觸覺感知是指人對物體表面紋理特性的感知。本發(fā)明采用滑動觸覺感知，是用于檢測物體表面紋理特性的裝置。關(guān)于紋理信息的檢測受到人類對紋理本質(zhì)認(rèn)識的局限，至今還不能建立紋理的精確模型，所以這方面的研究進展得非常緩慢。目前檢測紋理信息最普遍的方法是根據(jù)圖象處理理論，方法很多，包括統(tǒng)計法、結(jié)構(gòu)法、模型法和空聞/頻率域聯(lián)合分析法等四種。運用彩色圖象灰度化、中值濾波、圖象二值化等一系列圖象處理手段，抽取圖像所反映的材質(zhì)的紋理信息。統(tǒng)計的方法是最基本的一類方法。典型的有直方圖法、差值直方圖法、共生矩陣法、Laws紋理能量法等。這類方法般原理簡單，易于實現(xiàn)。例如，直方圖反應(yīng)圖像的亮度在各個灰度級上出現(xiàn)的概率?；叶戎稻档姆讲畋磉_的是灰度值相對于均值的分布情況， 描述了直方圖的相對平滑程度，可反映圖像中紋理的深淺程度。這種方法不太適合為表面紋理建模，首先，光源條件直接影響圖片的拍攝，在不同光源下拍攝的圖片提取到的紋理信息會有所不同；其次，提取到的紋理信息是黑白二值圖像，不能反映物體表面溝壑的深度信息?？突仿〈髮W(xué)機器人學(xué)院提出用探針在物體表面運動建立物體表面紋理模型。如圖1所示，1為待測物體表面，2為針尖運動軌跡，3為探針。探針3垂直于待測物體表面1，并施加一定大小的力使探針3與待測物體表面1接觸，并以恒速運動，這樣探針3的針尖運動軌跡2可以反映物體表面的極細(xì)微凹槽的深度和頻度，間接的反映了物體表面的紋理信息。本發(fā)明基于此模型提出了一種新型的檢測物體表面紋理的裝置——掃描式觸覺紋理檢測裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種能夠檢測到平面信息簡單易行的物體表面紋理檢測裝置。本發(fā)明采用如下技術(shù)方案本發(fā)明所述物體表面紋理檢測裝置的技術(shù)方案一種物體表面紋理的掃描檢測裝置，包括三維姿態(tài)調(diào)整臺上，在三維姿態(tài)調(diào)整臺的末端連接有筆式紋理檢測儀，包括互相連接的筆筒和筆帽，在筆筒內(nèi)設(shè)有電路板固定支架，在電路板固定支架上方設(shè)有圓套，在圓套上設(shè)有觸點力傳感器支架，在觸點力傳感器支架上設(shè)有觸點力傳感器，在觸點力傳感器的觸點上設(shè)有探針底盤，在探針底盤固定有探針， 在探針上套設(shè)有探針導(dǎo)向盤和彈簧，并且，彈簧位于探針底盤與探針導(dǎo)向盤之間，探針導(dǎo)向盤位于筆帽內(nèi)，探針自筆帽內(nèi)部延伸至筆帽外部且探針與筆帽滑動連接。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點本發(fā)明利用了三維姿態(tài)調(diào)整臺上安裝筆式觸覺紋理檢測儀進行物體表面的紋理檢測。在檢測過程中，可以保證筆式紋理檢測儀所受的變化的力僅僅來自所測物體表面的紋理，而沒有其他因素造成的力的施加。筆式紋理檢測儀具有輕便、體積小和方便固定的特點，采用USB方式進行上位機與微處理器之間的數(shù)據(jù)傳輸，可以即插即用。當(dāng)三維姿態(tài)調(diào)整臺帶動紋理檢測儀在物體表面滑動時，PC機可以接收到與待檢測的物體表面紋理相應(yīng)的電壓信號，上位機軟件中采用均值濾波對信號進行處理，使采集到的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。通過分析采集到的電信號，可以間接判斷物體表面紋理特性。這種裝置不僅能夠檢測到平面信息， 而且不受環(huán)境干擾。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、控制準(zhǔn)確和易于實現(xiàn)的特點。


圖1是現(xiàn)有的表面紋理探針檢測模型。圖2是本發(fā)明總體的簡化結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖。圖4是筆式紋理檢測儀的爆炸視圖。圖5是筆式紋理檢測儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖6是本發(fā)明使用的差分放大電路圖。1.待測物體表面，2.針尖運動軌跡，3.探針，4. Z軸的直流伺服電機，5. Y軸直流伺服電機，6. X軸的直流伺服電機，7. X軸的直流伺服電機，8.筆式紋理檢測儀，9.螺桿，10.導(dǎo)桿，11.滑塊，12.第一維左平動機構(gòu)，13.第一維右平動機構(gòu)，14.第二維平動機構(gòu)，15.第三維平動機構(gòu)，16.末端滑塊，17.三維姿態(tài)調(diào)整臺末端，18.筆式紋理檢測儀探針，19.彈簧， 20.觸點力傳感器，21.電路板，22.筆筒，23.筆帽，24.電路板固定支架，25.圓套，26.觸點力傳感器支架，27.探針底盤，28.探針導(dǎo)向盤，29.基座。
具體實施例方式一種物體表面紋理的掃描檢測裝置，包括三維姿態(tài)調(diào)整臺，在三維姿態(tài)調(diào)整臺的末端17連接有筆式紋理檢測儀8，所述的筆式紋理檢測儀包括互相連接的筆筒22和筆帽 23，在筆筒22內(nèi)設(shè)有電路板固定支架M，在電路板固定支架M上方設(shè)有圓套25，在圓套25 上設(shè)有觸點力傳感器支架26，在觸點力傳感器支架沈上設(shè)有觸點力傳感器20，在觸點力傳感器20的觸點上設(shè)有探針底盤27，在探針底盤27固定有探針18，在探針18上套設(shè)有探針導(dǎo)向盤觀和彈簧19，并且，彈簧19位于探針底盤27與探針導(dǎo)向盤觀之間，探針導(dǎo)向盤觀位于筆帽23內(nèi)，探針18自筆帽23內(nèi)部延伸至筆帽23外部且探針18與筆帽23滑動連接。在本實例中所述的三維姿態(tài)調(diào)整臺包括第一維左平動機構(gòu)12、第一維右平動機構(gòu) 13、第二維平動機構(gòu)14及第三維平動機構(gòu)15，所述的第一維左平動機構(gòu)12、第一維右平動機構(gòu)13、第二維平動機構(gòu)14及第三維平動機構(gòu)15為一維平動機構(gòu)，所述的一維平動機構(gòu)包括基座四，在基座四設(shè)有導(dǎo)桿10、螺桿9及電機6，螺桿9與基座四轉(zhuǎn)動連接且螺桿9與電機6的輸出軸連接，在導(dǎo)桿10上套設(shè)有滑塊11且滑塊11與螺桿9螺紋連接，第一維左平動機構(gòu)12及第一維右平動機構(gòu)13的滑塊分別與第二維平動機構(gòu)14的基座連接，第二維平動機構(gòu)14的滑塊與第三維平動機構(gòu)15的基座連接，第三維平動機構(gòu)15的滑塊與所述三維姿態(tài)調(diào)整臺的末端17連接。下文結(jié)合附圖及具體實施對本發(fā)明進行詳細(xì)描述。圖2所示的是本發(fā)明總體的簡化結(jié)構(gòu)示意圖，將筆式紋理檢測儀固定在三維姿態(tài)調(diào)整臺上。圖2中標(biāo)記4所指示的是Z軸的直流伺服電機，標(biāo)記5所指示的是Y軸的直流伺服電機，標(biāo)記6和7所指示的是X軸的直流伺服電機，分別控制著筆式紋理檢測儀在Z、 Y、X三軸上的運動。其中Z軸是用來調(diào)整筆式紋理檢測儀的探針和物體表面的距離。當(dāng)筆式紋理檢測儀做物體表面紋理掃描時，電機6、7和電機5帶動其在X、Y方向上運動。三維姿態(tài)調(diào)整臺內(nèi)部采用滾珠螺桿傳動，線性滑塊導(dǎo)軌并且?guī)в袠?biāo)配計算機通訊接口。圖2中 8所指示的是筆式紋理檢測儀。圖3所示的是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)框圖，PC機控制三維姿態(tài)調(diào)整臺，從而控制筆式紋理檢測儀在物體表面的檢測路徑。探針后的觸點力傳感器在筆式紋理檢測儀掃描物體表面時采集物體表面紋理施加的變化的壓力，這些壓力信號被送入信號處理板中進行信號的調(diào)理、濾波。在信號處理電路板中，壓力信號經(jīng)過差分放大、二階低通濾波后送入微處理器中進行AD轉(zhuǎn)換、然后通過USB將信號送入PC機軟件，進行信號的進一步處理以及波形顯示。觸點力傳感器輸出的差分電壓信號將對應(yīng)于物體表面紋理的凹凸變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓變化。差分電壓差幅值的變化與紋理凹凸大小變化成正比，即該差分電壓差的幅值越大代表紋理凹凸越明顯。把觸點力傳感器輸出的電壓信號通過差分放大、二階巴特沃斯低通有源濾波，截止頻率為41ΗΖ。PC機由定時器觸發(fā)讀取數(shù)據(jù)，獲得有效數(shù)據(jù)后，刷新界面顯示紋理信息的波形。圖4所示的是筆式紋理檢測儀的爆炸視圖。圖5所示的是筆式紋理檢測儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。筆式紋理檢測儀包含有一個接收待測物體表面紋理施加壓力的探針18、傳遞壓力的彈簧19、觸點力傳感器20及力信號處理電路板21。當(dāng)三維姿態(tài)調(diào)整臺帶動筆式紋理檢測儀在待測物體表面移動時，探針18接收物體表面紋理所施加的力信號，通過彈簧19傳遞給觸點力傳感器20，接著送到信號處理電路板21上進行信號的處理，最后信號處理板 21中的微處理器將經(jīng)過處理的信號通過USB傳送給PC機，PC機軟件實現(xiàn)物體表面紋理的波形顯示。 圖6是本發(fā)明差分放大電路圖，本發(fā)明采用的硬件電路均為已知電路。由AD623構(gòu)成差分放大電路，差分放大倍數(shù)為100。再由0P07構(gòu)成二階低通濾波器，截止頻率為41Hz， 對信號進行濾波調(diào)理。微處理器C8051F410負(fù)責(zé)對信號進行AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的前期預(yù)處理和將數(shù)據(jù)通過USB方式發(fā)送給PC機。系統(tǒng)采用USB供電，通過升壓、降壓、穩(wěn)壓等電路得到各電路模塊所需的供電電壓。
權(quán)利要求
1.一種物體表面紋理的掃描檢測裝置，其特征在于，包括三維姿態(tài)調(diào)整臺，在三維姿態(tài)調(diào)整臺的末端(17)連接有筆式紋理檢測儀(8)，所述的筆式紋理檢測儀包括互相連接的筆筒(22)和筆帽(23)，在筆筒(22)內(nèi)設(shè)有電路板固定支架(24)，在電路板固定支架(24)上方設(shè)有圓套(25)，在圓套(25)上設(shè)有觸點力傳感器支架(26)，在觸點力傳感器支架(26)上設(shè)有觸點力傳感器(20)，在觸點力傳感器 (20)的觸點上設(shè)有探針底盤(27)，在探針底盤(27)固定有探針(18)，在探針(18)上套設(shè)有探針導(dǎo)向盤(28)和彈簧(19)，并且，彈簧(19)位于探針底盤(27)與探針導(dǎo)向盤(28)之間，探針導(dǎo)向盤(28)位于筆帽(23)內(nèi)，探針(18)自筆帽(23)內(nèi)部延伸至筆帽(23)外部且探針(18)與筆帽(23)滑動連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體表面紋理的掃描檢測裝置，其特征在于，所述的三維姿態(tài)調(diào)整臺包括第一維左平動機構(gòu)(12)、第一維右平動機構(gòu)(13)、第二維平動機構(gòu)(14)及第三維平動機構(gòu)(15)，所述的第一維左平動機構(gòu)(12)、第一維右平動機構(gòu)(13)、第二維平動機構(gòu)(14)及第三維平動機構(gòu)(15)為一維平動機構(gòu)，所述的一維平動機構(gòu)包括基座(29)，在基座(29)設(shè)有導(dǎo)桿(10)、螺桿(9)及電機(6)， 螺桿(9)與基座(29)轉(zhuǎn)動連接且螺桿(9)與電機(6)的輸出軸連接，在導(dǎo)桿(10)上套設(shè)有滑塊(11)且滑塊(11)與螺桿(9)螺紋連接，第一維左平動機構(gòu)(12)及第一維右平動機構(gòu)(13)的滑塊分別與第二維平動機構(gòu)(14) 的基座連接，第二維平動機構(gòu)(14)的滑塊與第三維平動機構(gòu)(15)的基座連接，第三維平動機構(gòu)(15)的滑塊與所述三維姿態(tài)調(diào)整臺的末端(17)連接。
全文摘要
一種物體表面紋理的掃描檢測裝置，包括三維姿態(tài)調(diào)整臺上，在三維姿態(tài)調(diào)整臺的末端連接有筆式紋理檢測儀，包括互相連接的筆筒和筆帽，在筆筒內(nèi)設(shè)有電路板固定支架，在電路板固定支架上方設(shè)有圓套，在圓套上設(shè)有觸點力傳感器支架，在觸點力傳感器支架上設(shè)有觸點力傳感器，在觸點力傳感器的觸點上設(shè)有探針底盤，在探針底盤固定有探針，在探針上套設(shè)有探針導(dǎo)向盤和彈簧，并且，彈簧位于探針底盤與探針導(dǎo)向盤之間，探針導(dǎo)向盤位于筆帽內(nèi)，探針自筆帽內(nèi)部延伸至筆帽外部且探針與筆帽滑動連接。
文檔編號G01B7/34GK102519354SQ201110365948
公開日2012年6月27日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者劉威, 吳涓, 宋光明, 宋愛國, 馬妍 申請人:東南大學(xué)