简介

本发明涉及触觉传感技术领域，尤其涉及一种触觉超分辨成像装置和方法。

应用前景

本发明实施例提供了一种触觉超分辨成像装置和方法，通过特定的多腔体交叠结构，将传统上被视为负面效应的串扰转化为可控、规律性的全局系统响应，在不增加布线复杂度和数据采集通道的前提下，大幅提升了触觉成像的空间分辨率。

技术方案

本发明公开了一种触觉超分辨成像装置，包括弹性表层、多腔体气压耦合模块和气压传感组件；所述弹性表层覆盖于多腔体气压耦合模块外侧，用于接收外部压力并将外部压力传递至多腔体气压耦合模块；所述多腔体气压耦合模块由多个物理独立且内部连通的微型气腔组成，所述微型气腔整体采用螺旋形排列方式，并按照物理位置由内向外依次划分为内圈层、中圈层和外圈层三个同心圈层；所述气压传感组件包括若干微型气压传感器，用于实时采集所在气腔的气压值。

创新点

本发明通过特定的多腔体交叠结构，将传统上被视为负面效应的串扰转化为可控、规律性的全局系统应，在不增加布线复杂度和数据采集通道的前提下，大幅提升了触觉成像的空间分辨率。

权利要求

1. 一种触觉超分辨成像装置，其特征在于，包括弹性表层、多腔体气压耦合模块和气压传感组件； 所述弹性表层覆盖于多腔体气压耦合模块外侧，用于接收外部压力并将外部压力传递至多腔体气压耦合模 块； 所述多腔体气压耦合模块由多个物理独立且内部连通的微型气腔组成，所述微型气腔整体采用螺旋形排列 方式，并按照物理位置由内向外依次划分为内圈层、中圈层和外圈层三个同心圈层； 所述气压传感组件包括若干微型气压传感器，用于实时采集所在气腔的气压值。

2. 如权利要求 1 所述的触觉超分辨成像装置，其特征在于，各所述微型气腔之间通过弹性膜片相互分隔， 且相邻微型气腔的边界部分交叠形成有限气压耦合区域，通过所述有限气压耦合区域实现相邻气腔间的可 控气压耦合。

3. 如权利要求 1 所述的触觉超分辨成像装置，其特征在于，所述微型气压传感器与所述微型气腔一一对 应设置，每个所述微型气腔内部对应设置一个微型气压传感器。 

4. 一种触觉超分辨成像方法，采用了权利要求 1-3 中任意一项所述的触觉超分辨成像装置，其特征在于， 包括： 当检测到外部压力刺激时，通过气压传感组件采集各微型气腔的气压值，得到原始气压向量，并对所述原 始气压向量进行归一化处理； 基于归一化后的气压向量，分别生成内圈层、中圈层、外圈层各自对应的气压分布矩阵； 将三个圈层的气压分布矩阵输入至预先训练好的超分辨成像模型中，输出高分辨率的触觉分布图像。

5. 如权利要求 4 所述的触觉超分辨成像方法，其特征在于，所述高分辨率的触觉分布图像包括三张独立 的高分辨率热图，分别为垂直压力分布图、水平 X 方向切向力分布图和水平 Y 方向切向力分布图。

6. 如权利要求 4 所述的触觉超分辨成像方法，其特征在于，所述超分辨成像模型的训练过程包括： 获取多个标定压力刺激样本，每个标定压力刺激样本对应一个已知的真实接触位置与三维力矢量，根据所 述真实接触位置与所述三维力矢量，生成对应的高分辨率真实触觉标签图像； 针对每个标定压力刺激样本，构建由圈层气压分布矩阵与对应高分辨率真实标签图像组成的训练数据集； 将所述训练数据集输入至 Hourglass 卷积神经网络，以 Focal Loss 为损失函数，通过反向传播算法优化网络 参数，直至损失函数收敛，得到训练完成的超分辨成像模型。

7. 如权利要求 6 所述的触觉超分辨成像方法，其特征在于，所述 Hourglass 卷积神经网络包括初始下采样 模块、堆叠的 Hourglass 模块和输出模块； 所述初始下采样模块接收由三个圈层气压分布矩阵堆叠形成的多通道输入特征，进行初步特征提取和降维 处理，输出初始特征图； 所述堆叠的 Hourglass 模块由至少一个 Hourglass 单元串联构成，每个 Hourglass 单元为对称的编码器解码器 结构，通过编码器下采样、跳跃连接和解码器上采样，对所述初始特征图进行多尺度特征融合； 所述输出模块基于融合后的特征图输出初始预测热图，并通过双线性插值对所述初始预测热图进行上采样， 使其分辨率匹配目标超分辨率尺寸，输出最终的触觉分布图像。

8. 如权利要求 4 所述的触觉超分辨成像方法，其特征在于，所述基于归一化后的气压向量，分别生成内 圈层、中圈层、外圈层对应的气压分布矩阵，包括： 对于每一圈层，将其内部的微型气腔及对应微型气压传感器向传感结构所在的 XOY 平面投影，构建统一 尺寸的二维网格矩阵； 将各微型气压传感器对应的归一化气压值，填充至二维网格矩阵中与该传感器投影位置对应的网格内； 对填充好的二维网格矩阵进行插值处理，生成三个圈层各自对应的气压分布矩阵。

9. 如权利要求 8 所述的触觉超分辨成像方法，其特征在于，所述方法还包括： 识别所述二维网格矩阵中同时落入至少两个微型气腔投影区域的交叠边界网格； 对每个所述交叠边界网格，计算其覆盖的多个微型气腔对应的气压值的均值，将所述均值作为该交叠边界 网格的最终填充值。

10. 如权利要求 8 所述的触觉超分辨成像方法，其特征在于，所述对填充好的二维网格矩阵进行插值处理， 生成三个圈层各自对应的气压分布矩阵，包括： 以二维网格矩阵中已填充数值的网格为插值基点，采用径向基函数对矩阵中未赋值的空白网格进行插值计 算； 通过所述插值计算，使每个圈层的二维网格矩阵形成连续平滑的气压空间分布，得到内圈层、中圈层、外 圈层各自对应的气压分布矩阵。