本发明涉及机械加工，具体而言，尤其涉及一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置及方法。
背景技术：
1、随着制造业的快速发展，机械设备对精密度的要求不断提高。零部件的形状、尺寸和表面质量等参数是否符合设计标准，直接影响到设备的精度和整体性能。例如，在汽车制造领域，发动机零件的表面粗糙度会直接影响燃油效率和使用寿命；在精密机械装配中，即使是微小的表面纹理变化也可能显著影响零件的配合精度和运动性能。因此，确保零件参数符合标准对于提高设备性能至关重要，而如何进行精确的测量与验证则是关键所在。
2、目前，在工业领域中零件的检测方法主要分为接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量方法包括坐标测量机、表面粗糙度仪和轮廓仪等，虽然接触式测量方法精度较高，但该方法普遍存在检测速度慢、易对零件表面造成损伤等缺点。非接触测量依据测量信号源不同可以分为主动式和被动式。主动式测量方法包括激光扫描法、雷达技术等，依赖于主动发射的信号来获取测量数据。被动式测量方法则主要是基于图像的三维重建方法，包括单目视觉法、立体视觉法、光度立体法等。与主动式相比，被动式更能有效应对各种复杂环境，具有成本更低、操作更简便的优点。
3、基于光度立体法的视触觉传感器因其传感器体积小，结构简单、成本低廉，能够精准重建零部件表面纹理而在实际应用中展现出了良好的实用性和经济性。然而，传统基于光度立体算法的gelsight视触觉传感器使用的弹性体接触面为平面，形变量较小，虽能够重建物体表面纹理，但该平面弹性体无法与被测物体表面的凹陷处紧密贴合，导致在这些区域的特征重建效果不佳，从而影响了零部件的整体测量精度。为克服这一问题，有必要提出新的方法和设计，以增强弹性体与物体表面凹陷处的贴合程度，提高对物体复杂表面形貌的重建精度，实现零部件表面形貌细节的实时、精确重建，从而有效提升零部件相关参数测量的准确性。
技术实现思路
1、根据上述提出的技术问题，提供一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置及方法。本发明装置采用密封充气式结构设计，该设计可以省略骨架支撑以扩大柔性薄膜有效测量范围，还能使柔性薄膜在气压作用下，与被测物体表面紧密贴合，从而采集到精确的物体表面凹凸特征信息，显著提升物体表面形貌的重建精度和传感器的整体性能。
2、本发明采用的技术手段如下：
3、一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，包括：用于采集被测物表面的形貌图像的充气式柔性视触觉传感器、用于固定被测物体的夹具和用于调节被测物高度，将被测物按压在充气式柔性视触觉传感器的表面进行形貌测量的支架，充气式柔性视触觉传感器和支架固定在底座上；夹具通过连接轴连接在支架上；其中：
4、所述充气式柔性视触觉传感器，包括触觉感知单元、视觉成像单元，其中：
5、所述触觉感知单元，自上而下分别设置有反射层、柔性薄膜、固定环、单向阀、圆形亚克力板、遮光圈、环形亚克力板和遮光圆柱筒；
6、所述视觉成像单元，自上而下分别设置有透明树脂灯帽、led灯珠、led灯环、灯环底座、相机遮光筒、固定顶盖、鱼眼镜头、相机、固定底板和计算机；
7、所述触觉感知单元和视觉成像单元通过遮光圆柱筒和相机遮光筒之间的螺纹进行连接，触觉感知单元和视觉成像单元的各组成部分与相机光轴同轴心放置；
8、当被测物的表面接触充气式柔性视触觉传感器时，柔性薄膜、及外部反射层发生形变，在充气式柔性视触觉传感器内部气压作用下与被测物的表面贴合，计算机利用光度立体技术对形变后的柔性薄膜进行三维重建，实现被测物表面全部形貌的重建以及尺寸的实时测量。
9、进一步地，所述触觉感知单元由环氧树脂进行密封，其中：
10、环氧树脂将环形亚克力板固定在遮光圆柱筒底部，以确保底部密封且稳固；环氧树脂填充固定环、圆形亚克力板、遮光圈、环形亚克力板和遮光圆柱筒之间连接的缝隙；环氧树脂填充单向阀与固定环之间的缝隙，并使用封口膜对接口处进行二次密封，确保触觉感知单元充气后的密封性。
11、进一步地，在所述触觉感知单元中：
12、所述单向阀与固定环连接，用于对触觉感知单元进行充气加压处理，充气完成后触觉感知单元为完全密封状态；
13、所述反射层、柔性薄膜和固定环组成形貌反馈模块，固定环与反射层和柔性薄膜的下边缘固定连接；其中：
14、所述反射层为将二氧化钛粉末和硅胶按一定比例混合而成，并采用喷笔连接气泵后，均匀地喷涂在柔性薄膜上；用来接收来自光源的光线反射，同时提高柔性薄膜的不透光性，避免环境光对触觉感知单元的潜在干扰；
15、所述柔性薄膜为硅胶混合颗粒直径为50μm铝粉的制作，用于接触感应被测物及外部压力。
16、进一步地，在所述视觉成像单元中：
17、led灯环上表面设置有多个led灯珠，用于提供来自不同方向的光源；
18、透明树脂灯帽覆盖在led灯珠上，使led灯珠打光更均匀；
19、灯环底座用于固定led灯环，保证每个led灯珠在同一水平面上；固定顶盖用于连接鱼眼镜头、相机和led灯环；
20、鱼眼镜头提供160°的视角，保证相机对弹性体的形变具有足够的可视范围；
21、相机设置在固定底板的中央，且相机的光轴线保持竖直；
22、固定底板用于为整个视觉成像单元提供支撑；
23、计算机用于控制相机采集图片。
24、进一步地，所述led灯珠设置有四个，且分别固定在led灯环上表面，四个led灯珠的颜色按照红色、绿色、蓝色、黄色的顺序排列；每两个led灯珠之间的夹角为90°，每个led灯珠与所述相机的光轴线呈90°夹角。
25、进一步地，所述固定环、遮光圆柱筒、相机遮光筒、固定顶盖和固定底板组成所述充气式柔性视触觉传感器的外壳。
26、进一步地，所述夹具包括：紧固旋钮、螺栓连接环、副夹、实心销、主夹和防滑垫，其中：
27、对被测物进行固定时，旋转紧固旋钮，螺栓连接环的螺纹进入旋转紧固旋钮，从而将副夹向内收紧，副夹与主夹的距离减小，从而将被测物夹紧。
28、进一步地，所述支架包括：直齿条、齿轮箱、棘轮、轴销、棘爪、直齿轮和升降旋钮，其中：
29、在被测物夹紧后，将被测物的表面向形貌反馈模块按压，向下按压时旋转升降旋钮至合适高度，棘轮和棘爪具有自锁功能，防止夹具下滑；
30、完成测量后，向下拨棘爪，与棘轮的自锁解开，旋转升降旋钮将被测物升起后将棘爪拨回，防止被测物下滑。
31、本发明还提供了一种基于所述测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置实现的基于物体表面形貌的检测方法，包括：
32、s1、在对被测物的表面形貌进行测量前，对相机进行标定：
33、采集不同姿态下的完整的标定板照片，计算相机的内参、外参和畸变系数，完成相机标定；
34、s2、在对物体表面形貌进行测量时，进行图像采集：
35、在对被测物的表面形貌进行测量时，分别点亮4个不同方向的led灯珠，每点亮一个led灯珠拍摄一张照片，采集不同灯光位置下的柔性薄膜的图像；
36、s3、对步骤s3采集的图像进行矫正和预处理：
37、利用步骤s2相机标定得到的相机的内参和畸变系数对图像进行矫正；
38、对采集到的图像进行预处理，包括噪声去除、图像对齐和图像匹配，以保证照片数据的准确性和一致性；
39、s4、进行柔性薄膜的形貌的三维重建，得到三维点云：
40、根据步骤s3预处理之后的图像，由光度立体技术完成柔性薄膜的形貌的三维重建，得到三维点云。
41、较现有技术相比，本发明具有以下优点：
42、1、本发明提供的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其充气柔性视触觉传感器采用柔性薄膜加反射层的结构设计，对装置做密封处理后充气加压，气压可以将柔性薄膜鼓起提供支撑强度，因此可以省略骨架支撑以扩大柔性薄膜有效测量范围，增强了视触觉传感器的适用性。
43、2、本发明提供的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其充气柔性视触觉传感器与传统视触觉传感器实心弹性体相比，采用气压支撑柔性薄膜的弹性体，解决了传统弹性体无法与被测物体表面的起伏处紧密贴合，从而使物体凹陷处特征测量结果不佳问题。本发明的柔性薄膜在气压作用下，可以与被测物体表面紧密贴合，从而采集到精确的物体表面凹凸特征信息，然后利用光度立体技术对形变后的柔性薄膜进行三维重建，从而实现物体表面形貌的精确重建，提高了物体表面形貌重建的细节及精确度。
44、基于上述理由本发明可在零部件测量等领域广泛推广。
1.一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其特征在于，包括：用于采集被测物表面的形貌图像的充气式柔性视触觉传感器(1)、用于固定被测物体的夹具(2)和用于调节被测物高度，将被测物按压在充气式柔性视触觉传感器(1)的表面进行形貌测量的支架(3)，充气式柔性视触觉传感器(1)和支架(3)固定在底座(4)上；夹具(2)通过连接轴(5)连接在支架(3)上；其中：
2.根据权利要求1所述的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其特征在于，所述触觉感知单元由环氧树脂进行密封，其中：
3.根据权利要求1所述的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其特征在于，在所述触觉感知单元中：
4.根据权利要求1所述的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其特征在于，在所述视觉成像单元中：
5.根据权利要求4所述的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其特征在于，所述led灯珠(1-10)设置有四个，且分别固定在led灯环(9)上表面，四个led灯珠(1-10)的颜色按照红色、绿色、蓝色、黄色的顺序排列；每两个led灯珠(1-10)之间的夹角为90°，每个led灯珠(1-10)与所述相机(1-16)的光轴线呈90°夹角。
6.根据权利要求1所述的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其特征在于，所述固定环(1-3)、遮光圆柱筒(1-8)、相机遮光筒(1-13)、固定顶盖(1-14)和固定底板(1-17)组成所述充气式柔性视触觉传感器(1)的外壳。
7.根据权利要求1所述的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其特征在于，所述夹具(2)包括：紧固旋钮(2-1)、螺栓连接环(2-2)、副夹(2-3)、实心销(2-4)、主夹(2-5)和防滑垫(2-6)，其中：
8.根据权利要求1所述的一种测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置，其特征在于，所述支架(3)包括：直齿条(3-1)、齿轮箱(3-2)、棘轮(3-3)、轴销(3-4)、棘爪(3-5)、直齿轮(3-6)和升降旋钮(3-7)，其中：
9.一种基于权利要求1-8中任意一项权利要求所述测量物体表面形貌的充气式柔性视触觉装置实现的基于物体表面形貌的检测方法，其特征在于，包括：
