[發(fā)明專利]一種基于偏振成像原理的水下觸覺傳感裝置及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010565440.7
• 申請日: 2020-06-19
• 公開（公告）號: CN111812039B
• 公開（公告）日: 2022-10-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 宋樂;閆一凡;董鳳禹;王旭;房豐洲
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: G01N21/21
• 分類號: G01N21/21
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 劉子文

本發(fā)明公開一種基于偏振成像原理的水下觸覺傳感裝置及方法，裝置由觸覺傳感皮膚、分孔徑實時偏振成像系統(tǒng)、防水殼體和CCD相機組成；觸覺傳感皮膚位于觸覺傳感裝置的最前端，由光導(dǎo)板和四個紅外光條組成，光導(dǎo)板是截面為正方形的薄板結(jié)構(gòu)，紅外光條分別粘貼在垂直于光導(dǎo)板正方形平面的四個側(cè)面上；分孔徑實時偏振成像系統(tǒng)包括偏振成像鏡頭、鏡筒和CCD相機；偏振成像鏡頭由共孔徑光組、偏振器件組、分孔徑光組構(gòu)成；防水殼體為末端密閉，前端半密閉的桶裝結(jié)構(gòu)，偏振成像鏡頭的前端伸出防水殼體的前端，偏振成像鏡頭的后端通過鏡筒與CCD相機連接；偏振成像鏡頭前端和防水殼體前端之間密封并用固定板緊壓；固定板通過連接柱與觸覺傳感皮膚連接。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水下觸覺傳感領(lǐng)域，特別是涉及一種基于偏振成像原理的水下觸覺傳感裝置及方法。

背景技術(shù)

對于觸覺感知，通常使用的是基于應(yīng)變片和導(dǎo)電聚合物的電阻式傳感器。這些典型的觸覺傳感器都是基于點測量的，即使將多個傳感器排列在一起，其提供的空間分辨率也會很低，難以測量接觸點的詳細(xì)分布和檢測小對象。

為了實現(xiàn)高空間分辨率，Hiraishi，Begej等人將相機引入觸覺測量?；跇?biāo)記位移的方法是利用相機制作觸覺圖像傳感器最常用的方法。通常，在攝像機前放置一個彈性體，其中布置有若干個標(biāo)記。當(dāng)物體與彈性體表面擠壓時，嵌入在透明可變形彈性體中的標(biāo)記物移動，彈性體發(fā)生變形。從相機獲得的圖像中，可以看到每個標(biāo)記的移動，利用機器學(xué)習(xí)的方法，可以從標(biāo)記物的狀態(tài)判斷接觸力的大小和方向。Cramphorn在2018，Sferrazza在2019年分別提出了對上述方法的改進方案。這種方法可以提供高分辨率的接觸狀態(tài)指示。但是由于水中散射作用的存在會導(dǎo)致相機成像質(zhì)量下降，降低空間分辨率，并且裝置在水下的移動也會引起彈性體的形變，故上述系統(tǒng)不適用于水下作業(yè)。

水下觸覺傳感器的設(shè)計更為復(fù)雜。水壓對觸覺的檢測是一種考驗，水的流體阻力和慣性力也可能造成由于傳感器的錯誤輸出。2018年，J.Zhang構(gòu)建了水下觸覺力傳感器陣列，使用機械結(jié)構(gòu)平衡了水壓，實現(xiàn)了抓取樣本位置的確定和力的感知，實現(xiàn)了水壓影響下的精確測量，但是依然存在空間分辨率不足的困擾。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于偏振成像原理的水下觸覺傳感裝置與方法。采用水下偏振光圖像復(fù)原技術(shù)，旨在利用光學(xué)觸覺傳感器進行觸覺信息的還原，降低水環(huán)境對觸覺傳感器輸出的干擾，保持水下觸覺傳感的高靈敏度，最大程度地提高水下觸覺傳感器的空間分辨率。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種基于偏振成像原理的水下觸覺傳感裝置，由觸覺傳感皮膚、分孔徑實時偏振成像系統(tǒng)、防水殼體和CCD相機組成；

所述觸覺傳感皮膚位于觸覺傳感裝置的最前端，由光導(dǎo)板和四個紅外光條組成，所述光導(dǎo)板是截面為正方形的薄板結(jié)構(gòu)，所述紅外光條分別粘貼在垂直于光導(dǎo)板正方形平面的四個側(cè)面上，相對兩側(cè)面的紅外光條關(guān)于光導(dǎo)板的中心軸線相互對稱，每個紅外光條所發(fā)射光線與光導(dǎo)板上內(nèi)表面的夾角大于全內(nèi)反射角，確保沒有接觸的狀態(tài)下紅外光發(fā)生全內(nèi)反射；當(dāng)觸覺傳感皮膚外部有接觸力時，紅外光線能夠從光導(dǎo)板中泄漏，作為觸覺的檢測信號；

所述分孔徑實時偏振成像系統(tǒng)包括偏振成像鏡頭、鏡筒和CCD相機；所述偏振成像鏡頭由從前向后依次設(shè)置的共孔徑光組、偏振器件組、分孔徑光組構(gòu)成，某時刻目標(biāo)反射的光進入分孔徑實時偏振成像系統(tǒng)，經(jīng)過共孔徑光組后，經(jīng)由偏振器件組和分孔徑光組分成4個通道分別成像到CCD相機上；

所述防水殼體為末端密閉，前端半密閉的桶裝結(jié)構(gòu)，所述偏振成像鏡頭的前端伸出防水殼體的前端，偏振成像鏡頭的后端通過鏡筒與CCD相機連接并全部位于防水殼體中；偏振成像鏡頭前端和防水殼體前端之間的空隙通過防水膠和O型圈密封并用固定板緊壓；所述固定板通過連接柱與觸覺傳感皮膚連接。