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        基于視覺定位的按摩機(jī)器人穴位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

        2020-08-24 10:57:10黨麗峰羅天瑞
        農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 2020年4期
        關(guān)鍵詞:斑點(diǎn)預(yù)處理計(jì)數(shù)

        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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(qǐng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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%。

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