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）

0 引 言

按摩機(jī)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(jī)器人按照預(yù)先設(shè)置好的按摩路徑進(jìn)行工作，工作過程中不會(huì)對患者的反應(yīng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。按摩過程中，患者有一些移動(dòng)或者機(jī)器人本身的移動(dòng)誤差不斷疊加，都會(huì)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(dòng)，實(shí)現(xiàn)對按摩穴位的動(dòng)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(jī)器人顯得尤為關(guān)鍵。

1 基于視覺定位的按摩機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)患者的病癥，智能跟蹤定位人體穴位，實(shí)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(jī)界面設(shè)置按摩方案，還能讀取患者之前的按摩方案，進(jìn)行調(diào)整。采用視覺系統(tǒng)，按摩過程中自動(dòng)獲得人體按摩穴位信息，并且自動(dòng)構(gòu)建個(gè)體各個(gè)穴位相對位置的信息庫。

2 基于視覺定位的按摩機(jī)器人控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用XCM-24/32T3-E 型運(yùn)動(dòng)PLC 作為主控制器，通過人機(jī)界面設(shè)置按摩方案和實(shí)時(shí)顯示按摩穴位；視覺控制部分實(shí)時(shí)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(jī)構(gòu)帶動(dòng)按摩頭運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)的穴位，實(shí)施按摩動(dòng)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(yùn)動(dòng)型PLC，人機(jī)界面：256 色的七寸屏TP760-T 觸摸屏。三平移機(jī)構(gòu)，每一個(gè)軸由一個(gè)臺(tái)達(dá)ECMA-C20602RS伺服電機(jī)進(jìn)行控制。視覺部分：相機(jī)需要拍攝的視野范圍為500 mm×800 mm，每個(gè)貼標(biāo)穴位的直徑為10 mm，檢測精度為1 mm，這樣相機(jī)的像素（500/1）×（800/1）=500×800，約為40萬像素的相機(jī)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(gè)像素點(diǎn)，這樣，系統(tǒng)中選擇120萬像素的SV4-120M(C)X-sight 工業(yè)相機(jī)，微距（Macro）鏡頭和環(huán)形LED 光源。

3 按摩穴位圖像處理

本系統(tǒng)中，在進(jìn)行按摩之前，按摩師請患者穿上白色護(hù)士服，并且進(jìn)行穴位的貼標(biāo)。工業(yè)相機(jī)進(jìn)行拍照，上傳到X-sight 智能相機(jī)開發(fā)軟件，進(jìn)行圖像預(yù)處理、定位和計(jì)數(shù)處理。

3.1 圖像預(yù)處理

工業(yè)相機(jī)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(jìn)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(gè)直徑為10 mm 的圓，通過圖像預(yù)處理，首先將穴位圖進(jìn)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(jìn)行細(xì)化，理想的目標(biāo)是將穴位的邊緣細(xì)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(gè)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(gè)像素G 的橫向GX、縱向GY梯度的近似值可以用公式（2）計(jì)算梯度的大小，公式（3）計(jì)算梯度的方向。

在X-sight 軟件中，對穴位圖像采用Sobel 算子進(jìn)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。

3.2 穴位圖像的定位處理

采用斑點(diǎn)定位的方法對穴位進(jìn)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(diǎn)，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。

3.3 穴位的計(jì)數(shù)處理

采用X-sight 軟件中的斑點(diǎn)計(jì)數(shù)工具，首先在學(xué)習(xí)區(qū)域進(jìn)行斑點(diǎn)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(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)。在本設(shè)計(jì)中，主要采用面積和邊緣進(jìn)行計(jì)數(shù)，斑點(diǎn)計(jì)數(shù)及處理過程如圖7、圖8 所示。

4 基于視覺的按摩機(jī)器人穴位跟蹤系統(tǒng)的搭建

按摩過程中，實(shí)時(shí)跟蹤患者的將要實(shí)施的按摩穴位和穴位坐標(biāo)的變化，及時(shí)傳遞信號(hào)給中醫(yī)按摩機(jī)器人的處理器，正確地實(shí)施按摩動(dòng)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(jī)左上方的12 斑點(diǎn)，作為按摩機(jī)器人末端執(zhí)行器的初始參考點(diǎn)位置。根據(jù)目標(biāo)穴位的向量信息，求取有效的移動(dòng)向量視，并累加到初始坐標(biāo)，獲得檢測點(diǎn)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)，傳遞給機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中心，使中醫(yī)按摩機(jī)器人末端執(zhí)行器位置進(jìn)行調(diào)整。

5 系統(tǒng)調(diào)試

調(diào)試過程中：采用人機(jī)界面，首先對按摩的穴位和按摩的手法進(jìn)行設(shè)置，存儲(chǔ)在客戶信息中，并且上傳到按摩機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)按摩頭進(jìn)行按摩，按摩過程中視覺部分實(shí)時(shí)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(shí)驗(yàn)測試：該系統(tǒng)能夠使按摩穴位的識(shí)別和定位精準(zhǔn)度達(dá)到95%。