[发明专利]基于立体视觉的三向接触应力表征方法及装置

说明书

本申请公开了一种基于立体视觉的三向接触应力表征方法及装置，其中，方法包括：利用透明弹性体上表面与外界物体接触产生变形，使得特征层上的特征点发生移动；通过立体视觉系统对特征点移动进行采集，并对特征点进行图像运算，计算表层三维位移场；根据弹性体本构关系求解弹性力学方程或有限元模型，得到施加在三向接触应力表征系统的上表面的应力分布。本申请实施例的方法以小的结构复杂度，实现高空间分辨率和时间分辨率的法向和切向接触应力的表征。

技术领域

本申请涉及力传感技术领域，特别涉及一种基于立体视觉的三向接触应力表征方法及装置。

背景技术

物体在表面上接触，粘附或移动时的接触应力是各种物理，生物和工程领域的关键问题。接触应力本质上是具有空间分布特征的。目前，相关表征技术中，常见的界面力测量方法(例如悬臂式应变片，天平，及原子力显微镜)只能够测量接触表面上的平均值，而无法得到接触界面的应力分布信息。表征接触界面的应力分布信息在包括解释摩擦和粘附的起源，表征生物体的运动机制，实现机器手的灵巧操作等方面具有重要价值。

另外，凭借众多电极阵列结构，现有的电子皮肤可以以一定的空间分辨率表征法向力和剪切力的分布。但是，精细的传感器阵列需要引入复杂的线路系统，也增加了信号处理的复杂度，还限制了高空间分辨率表征能力，有待改进。

申请内容

本申请提供一种基于立体视觉的三向接触应力表征及装置，以解决精细的传感器阵列需要引入复杂的线路系统，且增加了信号处理的复杂度，还限制了高空间分辨率表征能力等问题。

本申请第一方面实施例提供一种基于立体视觉的三向接触应力表征方法，其中，三向接触应力表征系统包括固定于透明支撑体上的透明弹性体、覆盖于所述透明弹性体上的特征层、覆盖于所述特征层上的不透明涂层及捕捉并重构所述特征的位移场信息的立体视觉系统，其中，方法包括以下步骤：利用所述透明弹性体上表面与外界物体接触产生变形，使得所述特征层上的特征点发生移动；通过所述立体视觉系统包括但不仅限于双目立体相机对所述特征点移动进行采集，并对所述特征点进行图像运算，计算表层三维位移场；根据弹性体本构关系求解弹性力学方程或有限元模型，得到施加在所述三向接触应力表征系统的上表面的应力分布。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述利用所述透明弹性体上表面与外界物体接触产生变形，使得所述特征层上的特征点发生移动，包括：根据所述立体视觉系统选择目标标定装置，并通过标定测量获得所述三向接触应力表征系统的内外参数；放置覆盖有散斑涂层的特征层和所述不透明涂层的透明弹性体，打开光源，以调整所述立体视觉系统使聚焦于所述特征层，开始图像采集或扫描成像。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述通过所述立体视觉系统对所述特征点移动进行采集，并对所述特征点进行图像运算，计算表层三维位移场，包括：将待测的力或物体与所述不透明涂层上表面接触，并施加接触外力，获取由立体视觉系统进行图像采集或扫描得到所述特征层的图像。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述通过所述立体视觉系统对所述特征点移动进行采集，并对所述特征点进行图像运算，计算表层三维位移场，还包括：根据所述特征层的图像进行逐帧特征点匹配，对所述特征层的特征点进行三维重构，得到不同时刻的散斑层的三维坐标；利用所述三维坐标减去初始坐标，得到不同时刻的表层三维位移场。

可选地，在本申请的一个实施例中，所述根据弹性体本构关系求解弹性力学方程，得到施加在所述三向接触应力表征系统的上表面的应力分布，包括：利用预设的所述透明弹性体的本构模型和所述表层三维位移场，通过求解所述弹性力学方程，或求解有限元模型，得到施加在所述透明弹性体的表面的三维应力分布。