性材料的3D图像模型，分析出弹性材料的形变情 况，进而计算出外力的大小和方向。由于本发明是通过图像处理来计算外力，所以电磁干扰 对此装置几乎没有影响。
[0032] 连接筒：连接筒用于连接和固定弹性材料和双目摄像头，连接筒中安装有LED灯， 用于双目摄像头摄像补光。同时，连接筒给弹性材料和双目摄像头提供一个密闭空间，可以 使该装置更加具有抗干扰性及环境适应性，可用于水下等环境的测力。
[0033] 图像处理系统：图像处理系统可根据实际使用需求选择适当的处理器，用于实时 接收并处理双目摄像头摄取的双目视觉图像，并进一步运算出力的大小和方向：首先进行 相机参数标定，标定完成后从左右相机分别找到测力弹性体上的特征点，通过之前标定好 的参数，计算出该特征点的三维坐标。然后，根据测力弹性体上各标识点的三维坐标，我们 可建立当前测力弹性体的3D图像模型，分析出测力弹性体的形变情况，再依据测力弹性体 形变与受力的关系，便可计算出待测力的大小和方向。
[0034] 所述的一种基于图像识别的力测量装置，如图4所示，利用三角形相似的关系，可 推导出双目摄像头测量标志点深度的公式如下：
[0036] 式中，Z代表标志点距离摄像头的深度，f代表摄像头的焦距，T为双摄像头中心距 离，d代表标志点在左右两幅视图上成像的横向坐标的视差。
[0037] 如图5所示，所述的一种基于图像识别的力测量装置，测量外力大小的测量过程 如下（假设施力物体与测力弹性体的接触为点接触）：
[0038] 首先，利用高精度测力装置，对测力弹性体上各标识点各自建立一个二维表格，表 格内容为该标识点在不同区间内的劲度系数。可按照如下公式测出各标识点在不同位移区 间内的劲度系数K :
[0039] K (X，X+Δ X) = F (X+Δ X) / (X+Δ X)，
[0040] 其中，X是测力弹性体位移，Δχ为区间间隔，F(x+Ax)为测力弹性体在位移为 x+Δχ处的应力大小。只要选取适当的区间间隔Δχ，我们可以近似认为在区间（χ，χ+Δχ) 内，测力弹性体的劲度系数恒定，因此K(X，X+Δχ)就是测力弹性体在区间（X，X+Δχ)内的 劲度系数。用以上方法测出每个标识点在各个位移区间内的劲度系数，记录进表格里，存储 进图像处理系统的储存空间中供以后查阅使用。
[0041] 测力弹性体在测力时，外力将使测力弹性体产生形变。利用双目摄像头可以得到 测力弹性体上各标识点的空间坐标。我们选取凹陷处的最低点作为受力点，然后算出受力 点的位移值。并根据位移值在上一步骤中建立的表格中查得该区间内的劲度系数，进而根 据公式F = KX X，算得外力的大小。
[0042] 如图4所示，所述的一种基于图像识别的力测量装置，测量外力方向的原理如下：
[0043] 测力弹性体在测力时，外力将使测力弹性体产生形变。利用双目摄像头可以得到 测力弹性体上各标识点的空间坐标。我们选取凹陷处的最低点作为受力点。
[0044] 受力点当前位置与不受力时该标识点的位置的连线即是力的方向。
[0045] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的 限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化， 均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于图像识别的力测量装置，其特征在于，包括：测力弹性体、连接筒、双目摄 像头和图像识别处理器；所述测力弹性体位于连接筒的一端，所述测力弹性体在未受力时 呈半球状；所述双目摄像头固定于连接筒的另一端；所述图像识别处理器用于实时接收并 处理双目摄像头所摄取的图像，并得出外力的大小和方向； 所述测力弹性体的表面涂有均匀的标识点，所述标识点用于定位及识别；当有外力施 加在其身上时产生凹陷形变，所述凹陷形变的形变量与外力的大小视为满足分区间的胡克 定律，依据形变量计算出外力大小；所述凹陷形变的形变方向即为外力方向；所述测力弹 性体的材料根据实际应用情况来选择； 所述双目摄像头实时摄取弹性材料的状态图像，并传送到图像识别处理器；在图像识 别处理器中得出弹性材料的3D图像模型，分析出弹性材料的形变情况，根据分析出的形变 情计算出外力的大小和方向； 所述连接筒用于固定弹性材料和双目摄像头，连接筒中安装有L邸灯，所述L邸灯用于 双目摄像头摄像补光；同时，连接筒给弹性材料和双目摄像头提供一个密闭空间； 所述图像识别处理器根据实时接收并处理双目摄像头摄取的双目视觉图像，运算出外 力的大小和方向；所述运算出外力的大小和方向的运算方法为：首先进行相机参数标定， 标定完成后从左右相机分别找到测力弹性体上的特征点，通过之前标定好的参数，计算出 该特征点的Ξ维坐标；然后，根据测力弹性体上各标识点的Ξ维坐标，建立当前测力弹性体 的3D图像模型，分析出测力弹性体的形变情况，再依据测力弹性体形变与受力的关系，得 出外力的大小和方向。2. 根据权利要求1所述的基于图像识别的力测量装置，其特征在于，利用Ξ角形相似 的关系，推导出所述双目摄像头测量的标识点凹陷深度的公式如下：式中，Z代表标志点距离摄像头的深度，f代表摄像头的焦距，T为双摄像头中屯、距离，d代表标志点在左右两幅视图上成像的横向坐标的视差。3. 根据权利要求1所述的基于图像识别的力测量装置，其特征在于，所述图像识别处 理器得出外力大小的方法具体如下：首先，利用高精度测力装置，对测力弹性体上各标识点 各自建立一个二维表格，表格内容为该标识点在不同区间内的劲度系数；按照如下式测出 各标识点在不同位移区间内的劲度系数K: K(x,X+Δχ) =F(x+Δχ) / (χ+Δχ), 其中，X是测力弹性体位移，AX为区间间隔，F为测力弹性体的应力大小，Κ是劲度系 数，F(x+Ax)为测力弹性体在位移为χ+Αχ处的应力大小，选取适当的区间间隔Δχ，所述 区间间隔Αχ近似认为在区间（χ，χ+Δχ)内，测力弹性体的劲度系数恒定，因此Κ(χ，χ+Δχ) 即是测力弹性体在区间（X，x+Ax)内的劲度系数；把测出的每个标识点在各个位移区间 内的劲度系数记录进表格里，并同时把测量出的劲度系数存储至图像处理系统的储存空间 中； 所述测力弹性体在测量外力时，外力使测力弹性体产生形变，利用双目摄像头得到测 力弹性体上各标识点的空间坐标，选取凹陷处的最低点作为受力点，然后算出受力点的位 移值，并根据位移值在上一步骤中建立的表格中查得该区间内的劲度系数，进而根据公式F =ΚΧχ，算得外力的大小。4.根据权利要求1所述的基于图像识别的力测量装置，其特征在于，所述图像识别处 理器得出外力放屯、的方法具体如下：测力弹性体在测力时，外力使测力弹性体产生形变，利 用双目摄像头可W得到测力弹性体上各标识点的空间坐标，选取凹陷处的最低点作为受力 点，受力点当前位置与不受力时该标识点的位置之间的连线方向即是外力的方向。
【专利摘要】本发明公开了一种基于图像识别的力测量装置，包括：测力弹性体、连接筒、双目摄像头和图像识别处理器；所述测力弹性体位于连接筒的一端，所述测力弹性体在未受力时呈半球状；所述双目摄像头固定于连接筒的另一端；所述图像识别处理器用于实时接收并处理双目摄像头所摄取的图像，并得出外力的大小和方向。本发明引入图像处理的新颖方式，使用简单的原理实现了力测量装置的简单化、低成本化，具有良好的抗干扰性、环境适应性等优点。
【IPC分类】G01L1/04, G01B11/00
【公开号】CN105318994
【申请号】CN201510870511
【发明人】杨辰光, 吴怀炜, 梁培栋, 李智军, 黄东风
【申请人】华南理工大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年11月30日