【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及力传感器，尤其是一种大角度柔性触觉传感装置及测量方法。
技术介绍
1、当前，触觉传感器在机器人、人机交互、智慧医疗等领域的应用日益广泛。在介入式医学领域, 触觉传感器主要用于实现手术器械力反馈、触诊等功能，因此对传感器的微型化、柔性化、分辨力、感测范围、抗干扰能力以及环境相容性方面等都提出了较高的要求。与电学类触觉传感方法相比，基于光学原理的光电式触觉传感方法具有灵敏度高、鲁棒性强等优势。其中，视触觉原理可将作用于柔性变形层的外载荷转换为图像信息变化，可获得较高的测量分辨率。
2、目前的视触觉传感器主要有三种实现方式。一是基于光波导原理，该原理利用光波导的全内反射机制，当目标物体与波导发生接触时即在压痕处产生光泄露，通过相机可获得泄露光图像并提取触觉信息，该原理灵敏度较高，可同时获得接近觉和触觉信息，但其结构通常为平面式，感测范围有限，且系统组成复杂、体积相对庞大；二是基于标记位移原理：该原理将标记点呈现于柔性变形层内，外力作用时将引起标记点的位移，再通过图像来推断触觉力值大小与方向，该方法线性度较好，设计灵活度较高，但受标记物尺寸和图像探测器体积的影响，整体尺寸仍然偏大；三是基于光反射层原理：该原理将光反射材料均匀涂覆于柔性变形层，可获得接触物体的纹理等细节特征，具有较高的分辨力，但由于图像探测器为平面结构，为保证反射光的均匀性，柔性变形反射层通常也采取平面，限制了其感测角度的提升；cn113520617a提出了一种无源式三维力传感测头及光学式力传感器，虽可实现三维接触力的180°感知，但其导光与传像
技术实现思路
1、本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种大角度柔性触觉传感装置。
2、本专利技术所要解决的另一技术问题在于提供应用上述大角度柔性触觉传感装置的测量方法。
3、为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：
4、一种大角度柔性触觉传感装置，由触觉感知测头、光纤系统和图像探测与处理模块组成，其中，
5、所述触觉感知测头，整体呈半球形空腔结构，从外到内依次为：外表面传光支撑层、弹性变形层、反射涂层、长余辉光涂覆层，空腔内部填充有自然空气层；弹性变形层与外表面传光支撑层固定连接，所述反射涂层是将非透明的银质材料均匀薄涂在弹性变形层的内表面，以起到反射激光及长余辉光的作用；所述长余辉光涂覆层是将长余辉光手性纳米球材料利用电喷雾技术均匀涂覆在反射涂层的表面；
6、所述光纤系统，光纤系统整体呈圆柱管状结构，由柔性套管、传像光纤与超构透镜组成，所述柔性套管位于最外层，主体为空心圆柱状结构，柔性套管与外表面传光支撑层的下方固定连接，使外表面传光支撑层能够稳固装配在光纤系统上，形成由空心半球体与空心圆柱组成的帽式结构；所述传像光纤被柔性套管包裹在内侧，传像光纤的上端面承接超构透镜，下端面后接耦合器；
7、所述图像探测与处理模块，主要由ccd相机和计算机两部分组成，ccd相机和计算机线路连接或通讯连接，计算机处理来自ccd相机的光学信息，所述ccd相机紧承光纤系统正后面，接收来自光纤系统携带有效信息的光。
8、优选的，上述大角度柔性触觉传感装置，所述计算机通过长余辉光衰减补偿模型对光学信息进行处理，所述长余辉光衰减补偿模型为基于transformer神经网络的长余辉光衰减补偿模型，由三个子模块构成，其通过图像分块和特征提取的方式预测损失区域，生成完整灰度图像，耦合完整图像三步可以对初始长余辉光图像实现修复，再利用评价因子对修复图像的成像素质进行量化评估，从而确定神经网络的损失函数，再进行逐层迭代，提高修复效果和修复速度。
9、优选的，上述大角度柔性触觉传感装置，所述长余辉光衰减补偿模型的长余辉光衰减补偿的主要步骤为：
10、（1）损失图像的预测生成模型阶段；
11、（2）灰度图像的预测生成模型阶段；
12、（3）长余辉光图像修复模型阶段。
13、优选的，上述大角度柔性触觉传感装置，所述长余辉光手性纳米球材料是由现有技术中溶胶-凝胶法制备得到的：将适用于光电传感的长余辉光手性有机分子材料引入聚集诱导发光基团,使其具有明显长余辉发光的特性；然后再将合成的手性分子和手性基质混合，制备出手性长余辉发光材料；接着，经过溶解、搅拌、混合溶剂和聚合剂、凝胶化、沉淀、洗涤、溶剂挥发和干燥过程即可制成适用于涂覆的、具有球形凝聚态和增强发光性能的长余辉光手性纳米球材料。
14、优选的，上述大角度柔性触觉传感装置，所述长余辉光手性有机分子材料为聚苯并噻吩（pbt）、聚苯胺（pani）或1,8-萘二甲醛等有机材料。
15、优选的，上述大角度柔性触觉传感装置，所述聚集诱导发光基团为aie基团。
16、优选的，上述大角度柔性触觉传感装置，所述aie基团为芴或三苯基胺。
17、优选的，上述大角度柔性触觉传感装置，所述手性基质为聚苯乙烯（ps）、聚苯乙烯共聚物（pst-b-pmma）、聚醚酯（pes）、聚乙烯醇（pva）或它们的混合物。
18、上述大角度柔性触觉传感装置，所述电喷雾技术包括喷头制备、溶液制备、喷头加热、喷头通电、液滴固化和纳米粒子沉积粘附，为常规现有技术。
19、上述大角度柔性触觉传感装置的触觉感知测头，当外部激光源发射激光时，激光可以通过光纤系统进入触觉感知测头的空腔，从而照亮所述长余辉光涂覆层，完成长余辉光激发过程。经过外部激光器激励长余辉光涂覆层发出单色长余辉光，可以充当该大角度柔性触觉传感装置的内生光源，而由于反射涂层的反射和隔光作用可以避免长余辉光的透射损失。当触觉感知测头受外部力时，弹性变形层产生形变，从而使得内生长余辉光的光强和光线传播状态发生改变，即可以实现从力信号到光信号的转变。超构透镜在外加激光时充当入射光的扩角器，使得入射光均匀激发长余辉光涂覆层；当长余辉光纳米球被激光点亮时，停止施加外加激光，利用长余辉光充当内生光源，此时超构透镜充当光的收集器，可以在较大视场的条件下收集长余辉光的圆状光斑信息，再通过传像光纤进入图像探测与处理模块，即可以使长余辉光激发和受力形变探测过程双向传递、共享同一传输介质，极大提高了空间有效利用率。携带触觉信息的光线通过纤内全反射传递到传像光纤末端，而光纤系统和ccd相机依次装配可以使得光线顺利从传像光纤进本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：由触觉感知测头、光纤系统和图像探测与处理模块组成，其中，
2.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述计算机通过长余辉光衰减补偿模型对光学信息进行处理，所述长余辉光衰减补偿模型为基于Transformer神经网络的长余辉光衰减补偿模型，由三个子模块构成，其通过图像分块和特征提取的方式预测损失区域，生成完整灰度图像，耦合完整图像三步对初始长余辉光图像实现修复，再利用评价因子对修复图像的成像素质进行量化评估，从而确定神经网络的损失函数，再进行逐层迭代，提高修复效果和修复速度。
3.根据权利要求2所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述长余辉光衰减补偿模型的长余辉光衰减补偿的主要步骤为：
4.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述外表面传光支撑层由具有硬质透光塑料制成。
5.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述弹性变形层由柔性透明的PDMS制成。
6.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述柔性套管由医
7.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述传像光纤为使用直径125μm-180μm的玻璃光纤排列的规则密堆积光纤束。
8.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述超构透镜是使用二氧化硅材料作为基材，经过切割、改性、5%氢氟酸溶液在加热情况下刻蚀、清洗、烘干步骤熔接在等径的传像光纤端面；再对二氧化硅表面进行清洗、修饰、均胶、前烘、镀金属层、曝光、后烘、显影制成纳米微阵列结构。
9.应用权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置的测量方法，其特征在于：具体步骤如下：
10.根据权利要求9所述测量方法，其特征在于：利用初始匹配与精细匹配算法进行立体成像和3D图像重建，还原传感装置感知区域的三维空间触觉形貌与即时状态，最终实现大角度测力与触觉感知的功能，其中，初始匹配是在物体表面具有连续性的初始约束下，建立受力形变的图样与参考图样之间的关系，用余弦距离衡量标签之间的相似度，逐步选择对应局部区域并舍去异常匹配，得到受力形变的图样与参考图样之间匹配的标签集，再使用迭代算法逐步最小化对应两者之间的差异性，最终获得稳定解，实现精确匹配。
...【技术特征摘要】
1.一种大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：由触觉感知测头、光纤系统和图像探测与处理模块组成，其中，
2.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述计算机通过长余辉光衰减补偿模型对光学信息进行处理，所述长余辉光衰减补偿模型为基于transformer神经网络的长余辉光衰减补偿模型，由三个子模块构成，其通过图像分块和特征提取的方式预测损失区域，生成完整灰度图像，耦合完整图像三步对初始长余辉光图像实现修复，再利用评价因子对修复图像的成像素质进行量化评估，从而确定神经网络的损失函数，再进行逐层迭代，提高修复效果和修复速度。
3.根据权利要求2所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述长余辉光衰减补偿模型的长余辉光衰减补偿的主要步骤为：
4.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述外表面传光支撑层由具有硬质透光塑料制成。
5.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述弹性变形层由柔性透明的pdms制成。
6.根据权利要求1所述大角度柔性触觉传感装置，其特征在于：所述柔性套管由医用硅橡胶材料制成，表面作防水抛...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋乐，覃缘，李晶晶，王茹，王旭，李昊，张川，谢剑晨，杨永，郑叶龙，房丰洲，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。