黨麗峰,羅天瑞,施 琴
(鎮(zhèn)江高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校,江蘇 鎮(zhèn)江 212016)
按摩機器人按摩過程中,穴位的準(zhǔn)確定位,是保障按摩效果的第一步。通常,按摩機器人按照預(yù)先設(shè)置好的按摩路徑進行工作,工作過程中不會對患者的反應(yīng)進行實時跟蹤。按摩過程中,患者有一些移動或者機器人本身的移動誤差不斷疊加,都會造成按摩穴位的不準(zhǔn)確,從而對按摩效果產(chǎn)生影響。所以,研制出一款能夠判斷患者在按摩過程中是否發(fā)生移動,實現(xiàn)對按摩穴位的動態(tài)跟蹤,保證了按摩穴位的準(zhǔn)確性的具有視覺定位和跟蹤系統(tǒng)的按摩機器人顯得尤為關(guān)鍵。
根據(jù)患者的病癥,智能跟蹤定位人體穴位,實現(xiàn)按、揉、振、碾、拍等多種按摩手法,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。按摩師既可以在人機界面設(shè)置按摩方案,還能讀取患者之前的按摩方案,進行調(diào)整。采用視覺系統(tǒng),按摩過程中自動獲得人體按摩穴位信息,并且自動構(gòu)建個體各個穴位相對位置的信息庫。
本系統(tǒng)采用XCM-24/32T3-E 型運動PLC 作為主控制器,通過人機界面設(shè)置按摩方案和實時顯示按摩穴位;視覺控制部分實時采集到患者的穴位信息,傳輸?shù)絇LC 控制中心,從而控制三平移機構(gòu)帶動按摩頭運動到相應(yīng)的穴位,實施按摩動作,系統(tǒng)的電氣控制圖如圖2 所示。
本控制系統(tǒng)控制器:XCM-24/32T3-E 運動型PLC,人機界面:256 色的七寸屏TP760-T 觸摸屏。三平移機構(gòu),每一個軸由一個臺達ECMA-C20602RS伺服電機進行控制。視覺部分:相機需要拍攝的視野范圍為500 mm×800 mm,每個貼標(biāo)穴位的直徑為10 mm,檢測精度為1 mm,這樣相機的像素(500/1)×(800/1)=500×800,約為40萬像素的相機即可,但是為了提高穴位定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性,選取缺陷面積在3個像素點,這樣,系統(tǒng)中選擇120萬像素的SV4-120M(C)X-sight 工業(yè)相機,微距(Macro)鏡頭和環(huán)形LED 光源。
本系統(tǒng)中,在進行按摩之前,按摩師請患者穿上白色護士服,并且進行穴位的貼標(biāo)。工業(yè)相機進行拍照,上傳到X-sight 智能相機開發(fā)軟件,進行圖像預(yù)處理、定位和計數(shù)處理。
工業(yè)相機采集到人體按摩穴位圖之后,為了消除圖像中的無關(guān)信息,對穴位圖像進行預(yù)處理。預(yù)處理的方法很多,通常包含灰度變換、邊緣檢測、腐蝕和平滑等[2]。穴位貼標(biāo)是一個直徑為10 mm 的圓,通過圖像預(yù)處理,首先將穴位圖進行規(guī)整,其次通過數(shù)學(xué)形態(tài)的腐蝕方法對穴位的邊緣進行細化,理想的目標(biāo)是將穴位的邊緣細化成為一條單像素寬的線條。
本系統(tǒng)采用適合邊緣檢測的Sobel 算子,這個算子含兩組3×3 的矩陣,分別用來表示橫向GX和縱向GY模板,與原圖像做平面卷積,從而得出GX和GY方向的亮度差分近似值[3]。在工程中,常用的檢測圖像邊緣的模板如公式(1)所示:
(a)檢測水平邊沿的橫向模板(b)檢測垂直邊沿的縱向模板
圖像中每一個像素G 的橫向GX、縱向GY梯度的近似值可以用公式(2)計算梯度的大小,公式(3)計算梯度的方向。
在X-sight 軟件中,對穴位圖像采用Sobel 算子進行邊界提取的圖像預(yù)處理,如圖3 所示,采用Sobel 預(yù)處理算子處理過的穴位圖像如圖4 所示。
采用斑點定位的方法對穴位進行定位,主要是根據(jù)穴位周長和面積定位,若檢測區(qū)域出現(xiàn)周長面積類似的斑點,則采用形狀定位的目標(biāo)定位工具,穴位定位過程如圖5 和圖6 所示。
采用X-sight 軟件中的斑點計數(shù)工具,首先在學(xué)習(xí)區(qū)域進行斑點學(xué)習(xí),然后設(shè)置搜索區(qū)域,按照設(shè)置好的匹配度對檢測路徑內(nèi)的斑點進行計數(shù)。在本設(shè)計中,主要采用面積和邊緣進行計數(shù),斑點計數(shù)及處理過程如圖7、圖8 所示。
按摩過程中,實時跟蹤患者的將要實施的按摩穴位和穴位坐標(biāo)的變化,及時傳遞信號給中醫(yī)按摩機器人的處理器,正確地實施按摩動作,穴位跟蹤過程的流程圖,如圖9 所示。
選取檢測路徑中,相機左上方的12 斑點,作為按摩機器人末端執(zhí)行器的初始參考點位置。根據(jù)目標(biāo)穴位的向量信息,求取有效的移動向量視,并累加到初始坐標(biāo),獲得檢測點的新圖像坐標(biāo)。然后利用標(biāo)定數(shù)據(jù),將圖像坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成機器人運動參數(shù),傳遞給機器人運動控制中心,使中醫(yī)按摩機器人末端執(zhí)行器位置進行調(diào)整。
調(diào)試過程中:采用人機界面,首先對按摩的穴位和按摩的手法進行設(shè)置,存儲在客戶信息中,并且上傳到按摩機器人的控制中心,如圖10 所示??刂浦行耐ㄟ^讀取用戶信息,控制三平移動機構(gòu)帶動按摩頭進行按摩,按摩過程中視覺部分實時傳遞信息給控制中心,不斷修正按摩頭的位置,準(zhǔn)確的穴位定位很好地保障了按摩推拿治療效果。通過實驗測試:該系統(tǒng)能夠使按摩穴位的識別和定位精準(zhǔn)度達到95%。