Shadow Robot 触觉传感器：摄像头隔着透明层，直接“看见”接触与形变

本文素材源于专利US12025525一个触觉传感器包括以下组件1. 第一层由柔性材料形成具有外部接触表面和相对的内部接口表面。2. 第二层由基本透明的柔性材料形成与第一层在接口表面处连续接触。3. 摄像头用于捕捉接口表面的图像。4. 反射材料配置为在视角变化时至少部分反射材料的外观发生变化并且反射材料位于两层之间的接口表面。 当施加在外部接触表面上的物体或物体施加压力时会导致接口表面发生至少局部的扭曲。摄像头通过透明的第二层捕捉接口表面的图像。翻译而来供参考亦可资料方式见文末。图1展示了本发明触觉传感器一个实施例的简化示意横截面图以显示其结构和工作原理。触觉传感器10主要由三个部分组成一个柔性不透明的外层20一个柔性透明的中间层30一个基本刚性的透明内层40以及一个摄像头50。柔性不透明外层20由不透明的弹性材料制成柔性透明层30由透明的弹性材料制成。这两层在第一个接口表面60处接触。不透明层20的遮光程度足以使得相机无法检测到外部光照的变化。也就是说在典型操作中传感器外表面的入射光变化应导致相机信号变化小于1位。对于一个每个像素产生8位信号的相机这意味着从外部进入传感器的光量在一个像素覆盖的区域内变化应小于像素在传感器内部看到的光量的1/256。也就是说基本上遮挡约99%的光线是足够的。在优选实施例中皮肤层外层20的硬度应在40至100 Shore A的范围内。皮肤层和内部层即柔性不透明外层或皮肤20、柔性透明中间层30、基本刚性的透明内层由弹性体制成通常是硅胶或聚氨酯。在优选实施例中使用硅胶因为皮肤层外层20可以由一种硅胶浆料制成即一种在固化前具有塑性变形、高度非弹性和不流动性的硅胶。在这种状态下硅胶皮肤在模具中足够粘稠可以接受撒布或逐一放置的闪光颗粒详细说明见下文。在固化过程中皮肤或外层20会可靠地与光学透明的硅胶内部层中间层30粘合并与用于将其粘合到金属基底上的硅胶基粘合剂粘合这些金属基底构成了最终效应器、机器人操控器或类似设备的一部分而触觉传感器则是这些设备的一部分。固化后皮肤或外层20会变得具有弹性变形能力和坚固性。每层的厚度由预期用途决定。皮肤层层20越薄触觉传感器10分辨小物体细节的能力就越强。然而较薄的皮肤层不够耐用多次接触物体后皮肤层会开始磨损。一旦皮肤层完全磨损相机将能够“看到”来自外部环境的光见上文这可能导致“误报”传感器信号变化即使没有任何物体被触摸或抓握。此外当皮肤层磨损时下面的闪光颗粒也会被迅速磨损。这时传感器可以说是失效的。皮肤层越厚皮肤磨损到穿透的时间就会越长。皮肤层20的厚度通常占弹性体层总厚度的约1%到10%。传感器10的最佳整体尺寸由它可能集成的机器人操控器的最佳尺寸决定。然而制造直径小于约10毫米的传感器是困难的。设备的大小没有特别的上限。然而在非常大的尺寸下惯性和重力会对传感器产生越来越大的影响可能会掩盖接触力使得难以区分闪光颗粒的移动是由接触引起的还是由机器人加速或重新定位引起的。基本刚性的透明内层40可以由任何合适的材料制成如玻璃但更优选使用塑料材料以保证轻便和耐用。柔性透明层30和基本刚性的透明层40在第二个接口表面70处接触。在一些变体中透明刚性材料层40可以只是相机的镜头而周围的刚性材料则为不透明的。柔性不透明外层20具有一个位于第一个接口表面60对面的自由外表面22。这个自由表面22是触觉传感器10的外部接触表面在使用时会与待感知的物体接触。柔性不透明外层20和柔性透明层30的弹性使得当外部接触表面与待感知的物体接触时层20和层30之间的第一个接口表面60会发生变形因为柔性不透明外层20和柔性透明中间层30会被压向基本刚性的透明内层40。在接触力范围的下限最优选的情况是施加的力仅足以引起皮肤层的适度变形从而使一个或多个闪光颗粒发生旋转使得相机能够检测到亮度的变化。层的材料的柔性及其尺寸会影响这一点。理想情况下传感器在使用过程中包括来自意外撞击的力不会在弹性体层中产生足够的压力以造成永久性变化。此外理想情况下这种力水平不会导致闪光颗粒撞击相机镜头因此传感器仍能够在这个非常高的力值下感知力的变化。这两个要求的含义是传感器具有极高的动态范围能够检测非常小的力量同时还能区分两种略有不同但非常大的力量。皮肤的外表面不应出现皱纹。材料具有足够的弹性能够始终保持光滑的表面。大量小块反射材料62在本实施例中为闪光颗粒位于第一个接口表面60面向基本刚性的透明内层40。这些小块反射材料62可以是光亮的、彩虹色的、高度折射的可能在相机观察的表面上有衍射光栅和/或全息图案。这些小块62通常是平面的位于第一个接口表面60上被夹在柔性不透明外层20和柔性透明中间层30之间。这些反射材料62可以以随机方式排列例如撒布在柔性层20的接口表面60上也可以有序排列例如网格状。理想情况下这些小块被制造得尽可能小。小块越小传感器能够分辨的细节就越小。在这些小块被逐个放置的实施例中它们的最小尺寸限制是能够可靠地处理和放置的限制。下限也可能由相机的分辨率决定。理想情况下每个闪光颗粒在图像传感器上应占据多个像素。每个颗粒之间的间距也应相当于几个像素宽。有用的最小限制由皮肤层的厚度即层20的厚度决定。皮肤的厚度限制了其自身的弯曲程度因此也限制了传感器能够分辨的细节尺寸。一般来说颗粒的尺寸不应小于皮肤厚度的四分之一。在优选实施例中例如图5中的实施例详见下文颗粒的直径为0.3毫米间隔为0.3毫米皮肤层层20的厚度为1毫米。相机50朝向基本刚性透明层40的后表面即层40上与第二接口表面70相对的表面。相机50捕捉位于柔性不透明外皮层20和柔性透明层30之间的第一个接口表面60的图像包括反射材料的小块62。提供一个或多个光源未显示通过基本刚性透明层40和柔性透明内层30照亮柔性不透明层20的第一个接口表面60及反射材料的小块62以便捕捉明亮的图像。图像会从触觉传感器10传输出去进行分析。理想情况下相机50应为用于机器视觉应用的类型具备全局快门和高帧率。在此应用中不需要彩色图像但每个像素的高位深度有助于检测来自闪光颗粒的光强度微小变化。如果在皮肤层中混入热致变色颜料那么彩色相机将是有用的。在该实施例中相机/图像传感器50的分辨率为640x480每秒捕捉120帧。相机/图像传感器50还具有全局快门并生成每像素10位深度的单色图像。相机与皮肤表面之间的距离经过选择使相机的视野覆盖需要具备灵敏度的皮肤区域并且闪光颗粒大致处于对焦状态。柔性不透明外层20、柔性透明层30和基本刚性透明内层40都是通常的层状结构表面通常是光滑的。在图1中这些表面显示为平坦的但表面形状可以根据传感器的安装要求有所不同。例如如果传感器要安装在机器人手指的指尖处则这些表面将弯曲以对应指尖的曲率。图4所示的实施例具有这种结构。该实施例将在下文中进行更详细的讨论。图2和图4显示了传感器的一种实施例的截面示意图该实施例在图2中标记为传感器110。在这个实施例中各层的大致尺寸按比例显示但可以根据传感器110的使用方式和位置对相对尺寸进行调整。此外可以看到与图1中单层柔性不透明外层20的实施例不同图3中的传感器110实施例包括一个双层外皮或“第一层”由一层坚固的不透明白色层124和最外层坚固的不透明黑色层122组成层122和124结合形成“第一层”。小块反射材料162夹在坚固的不透明白色层124和一个柔软透明层130之间该层对应于图1中传感器10的柔性透明层30。坚固的层122和124共同形成传感器110的最外层起到类似皮肤的作用其中坚固的不透明黑色层122最外层作为传感器的接触表面类似于表皮。适合用于制造这些坚固层122和124的材料包括硅胶和聚氨酯。坚固的不透明黑色层122由耐磨材料制成以提高传感器的使用寿命。任何具有类似于人类皮肤或至少表皮性质的材料都是适用的。然而特别重要的是这一层不应粘性过强——材料的选择和/或处理应控制抓握或滑动的程度。坚固的不透明黑色层122还用于阻挡外部光线以保持传感器110内部的光学一致性。上述讨论的硅胶材料适合于此用途。坚固的不透明白色层124也有助于阻挡外部光线并提供一个纯白色的背景使得小块反射材料162的成像更加清晰。此外坚固的不透明白色层124在某些实施例中可以包含热变色染料从而使传感器能够测量物体的温度。此外传感器还可以通过加热元件或加热机制未显示进行主动加热这样可以使传感器以类似于人类的方式检测物体的热导率。坚固层122和124与柔性透明层130和基本刚性透明层140相比相对较薄。在一个具体的实施例中坚固层122和124的总厚度约为1毫米柔性透明层130的厚度约为5毫米基本刚性透明层140的厚度约为3毫米但厚度可以根据具体情况进行调整。此外柔性透明层130相对于坚固层122和124非常柔软。因此该层130相当于皮下组织或真皮层并允许在对传感器110的触觉表面施加力时坚固层122和124能够移动。柔性透明层130是光学透明且无色的以便能够成像小颗粒162的反射材料。与坚固层122和124一样柔性透明层130也可以由硅胶或聚氨酯制成。单个相机50可以用来成像反射材料62的颗粒如图1所示的实施例。然而在一些变体或实施例中可以使用两个或更多空间分离的相机以获得第一界面表面60和反射材料62的立体图像。在图2、图3和图4的实施例中使用了两个相机50a和50b这将在下面详细讨论。通过这种立体图像可以得到与接触表面接触的物体部分的3D图像。相机还可以根据不同的位置进行布置比如在图3a和图3b中所示相机或相机可以放置在刚性或坚固的内层中并通过形成的孔观察或者相机嵌入在刚性/坚固层中镜头位于刚性/坚固层和柔性透明中央层之间的界面处。当接触表面与需要感知的物体接触时第一界面表面60会发生变形。在这个变形过程中某些小的反射材料颗粒62相对于刚性透明内层40的倾斜角度会发生变化结果这些反射材料颗粒62反射回相机的光量也会发生变化。这在图4的实施例中以夸张的方式展示了反射颗粒的方向变化这将导致反射光的角度和数量发生变化从而改变相机或多个相机接收到的光量。因此当例如图4中显示的物体80与接触表面接触时相机50捕捉到的图像将会发生变化。如果反射材料颗粒62具有全息图案则光的颜色也会随着倾斜角度的变化而改变这可以帮助提高传感器的灵敏度。在一个优选的实施例中例如图5所示的实施例将在下文详细描述颗粒的直径为0.3毫米间距为0.3毫米皮肤层层20的厚度为1毫米。一层由小块反光材料462组成的层夹在坚固的不透明白色层424和柔软的透明层430之间。这些小块均匀地分布在层424的内表面上。如图5所示这些表面的整体形状为弯曲的“勺状”大致类似于人类指尖外部或下部的形状。图像传感器组件或摄像头450位于与人类手指指甲大致相当的位置。摄像头的镜头451位于“指甲底部”镜头朝外并以对角线方向指向前方朝向由层422和424形成的“皮肤”这些层围绕在镜头451的视野范围内如图5所示。图像传感器单元470位于传感器组件/摄像头450的后部通过硬连接与远程的图像处理器未显示相连。理想情况下摄像头450为专为机器视觉应用设计的类型具有全局快门和高帧率。在此应用中不需要彩色图像但较高的像素位深对于检测来自闪光颗粒的光强度细微变化非常有用。如果皮肤层中混有热致变色颜料则彩色摄像头也会派上用场。在本实施例中摄像头/图像传感器450的分辨率为640x480每秒捕捉120帧图像。摄像头/图像传感器450还具有全局快门和10位单色图像。摄像头与皮肤表面之间的距离经过精心选择使得摄像头的视野覆盖需要感知的皮肤区域并且闪光颗粒通常保持在焦点范围内。传感器410的操作与前面描述的实施例相同或类似摄像头450捕捉分布有闪光颗粒462的层424后表面的图像。提供一个或多个光源未显示来照亮这一表面和闪光颗粒462的小反光部分从而捕捉到明亮的图像。图像由图像传感器单元470捕捉并传输进行分析。这个初始图像对应于中性位置即没有接触或握持任何物体时的状态。如上所述当接触表面——即层422的外表面——与待感知的物体接触时层424和422会偏离其中性位置发生变形。在此变形过程中一些小反光材料颗粒462的倾斜角度会发生变化结果是这些颗粒反射回摄像头450的光量也会随之变化从而摄像头450捕捉到的图像也会改变。摄像头50捕捉到的新图像变形图像将被分析尤其是分析“中性”或“未变形”图像与“变形”图像之间的任何变化。通过分析这些变化可以得出物体的形状及施加的“抓握”力度如下面的分析部分所述。图6展示了图5所示触觉传感器的实施例中柔性不透明内层内表面上闪光颗粒的分布。图中提供了从顶部、后上方侧面和侧上方视角的视图展示了这些闪光颗粒的具体分布情况。