李祉

(浙江理工大學(xué)信息學(xué)院，浙江 杭州10338)

0 引言

關(guān)于理療，臨床上最常用的方法有：電療法、超聲波療法、光療法、激光療法、頻譜治療儀、磁療法、蠟療法、中藥離子導(dǎo)入等。理療，一般是使用儀器和人工輔助來完成。李石林[1]等提出了一種穿戴式遠(yuǎn)紅外理療儀，分析了其應(yīng)用前景。王科[2]等設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的超短理療儀，專注于超短波理療的物理療法。《素問·痿論》中提出“宗筋主束骨而利機(jī)關(guān)也”，理療加熱可以促使藥物滲透更持久，提高治療效果[3]。

本文設(shè)計(jì)的自動定位加熱系統(tǒng)，一方面運(yùn)用計(jì)算機(jī)視覺相關(guān)原理，在人體身上布置預(yù)先設(shè)定好的識別點(diǎn)，通過攝像頭模塊來定位需加熱區(qū)域的位置；另一方面，通過樹莓派(Raspberry pi)來控制含舵機(jī)的機(jī)械臂骨架，結(jié)合攝像頭模塊的定位信息，驅(qū)使機(jī)械臂端的加熱模塊自動運(yùn)動至目標(biāo)位置處進(jìn)行加熱。同時輔以超聲波HC-SR04測距模塊，用以控制對人體加熱的安全距離，保證整個流程的流暢和安全性。實(shí)現(xiàn)使用者獨(dú)自就可以完成加熱理療的過程。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用樹莓派4B作為總控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能；USB 攝像頭模組用以獲取圖像信息，以完成為對目標(biāo)位置的定位；采用亞克力制二軸機(jī)械臂骨架作為整體系統(tǒng)骨架，通過控制數(shù)個機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的MG90S 舵機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的各個方向的運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)加熱源準(zhǔn)確到達(dá)目標(biāo)位置；HC-SR04超聲波模塊用以實(shí)時測量加熱源與目標(biāo)位置處的距離，避免加熱距離過短造成燒傷的風(fēng)險。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 主控模塊樹莓派

樹莓派4B 采用的是BROADCOM BCM2711 處理器，內(nèi)核采用四核CORTEX-A72 處理器；4GB 的RAM；內(nèi)置藍(lán)牙模塊為5.0版本[4]；具有四個USB接口，其中二個為3.0的USB接口，可外接USB插口型外設(shè)；具備二個micro-HDMI 端口，最高可以雙屏4K 顯示。具有40 個GPIO 引腳，其中包含一組UART,一組I2C及兩組SPI。具有DSI顯示連接器，POE供電功能以及千兆以太網(wǎng)卡[5,6]。樹莓派是基于Linux 系統(tǒng)，支持Java，Python，C++等主流語言，基本具備PC 的功能[7]，具有體積小耗能低的特點(diǎn)[8]。

2.2 攝像頭模塊

攝像頭模塊采用的是緯視達(dá)WISD-4018-v1.0 的300 萬像素同步同幀攝像頭，USB2.0 接口與樹莓派適配，符合標(biāo)準(zhǔn)UVC 協(xié)議，具有最高分辨率2176*1520的雙鏡頭，30FPS 以及兼容Windows 多種系統(tǒng)及Linux,Ubuntu,Android4.0 等。一個設(shè)備輸出雙拼接畫面，硬件幀同步，雙畫面一致。

2.3 超聲波測距模塊

測距模塊采用的是HC-SR04超聲波測距，測距的距離范圍可達(dá)2cm-400cm，具有非接觸式距離的感測功能，精度為3毫米。組成部分包含了超聲波發(fā)射器，接收器，控制電路。圖2為其超聲波時序圖。

圖2 HC-SR04時序圖

圖2 說明：發(fā)射器首先提供一個10us 以上的脈沖觸發(fā)信號，器件用IO 口觸發(fā)測距，給出相應(yīng)的高電平信號，之后器件自動發(fā)送八個40khz 的脈沖方波，檢測信號是否可以返回，一旦檢測到有返回的波形信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}寬與所測距離成正比。距離公式為：距離=高電平時間*聲速/2。

實(shí)現(xiàn)思路：先給TRIG 引腳高電平信號，之后再判斷ECHO引腳是否為高電平。若為高電平則開啟定時器，變?yōu)榈碗娖胶?，再獲取計(jì)數(shù)器的值；或者開啟外部中斷，將ECHO 配置上升沿中斷，中斷開啟時，在中斷函數(shù)里開啟定時器，再將其配置為下降沿中斷，等待下降沿中斷來臨時，再獲取計(jì)數(shù)器值。兩種思路都是通過計(jì)算定時器的counter 值來計(jì)算距離。

2.4 亞克力機(jī)械臂

本設(shè)計(jì)的支撐骨架采用亞克力制三自由度機(jī)械臂，關(guān)節(jié)部位采用的是MG90S數(shù)字舵機(jī)來控制機(jī)械臂的運(yùn)動。MG90S具有2.0kg/cm(4.8V)，2.8kg/cm(6V)的扭矩，轉(zhuǎn)動速度可達(dá)0.11 秒/60°(4.8V)，0.09 秒/60°(6V)。本設(shè)計(jì)采用的是360 度舵機(jī)，工作電壓一般為4.8V～6V，MG90S 舵機(jī)有三條引腳線，分別為GND,VCC(5V)，PWM 信號線，舵機(jī)的伺服系統(tǒng)的控制交由可變寬度的脈沖，控制線傳送脈沖。

脈沖的參數(shù)包含最小值，最大值、頻率這幾項(xiàng)。一般舵機(jī)的基準(zhǔn)信號的周期為20ms，寬度為1.5ms。定義這個基準(zhǔn)信號的位置為中間位置。中間位置的定義是指從中間位置到最大角度與最小角度的量相同。角度是控制線的發(fā)出持續(xù)的脈沖決定。即脈沖調(diào)制。舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度取決于脈寬。如果控制系統(tǒng)不停的發(fā)出脈沖穩(wěn)定舵機(jī)的角度，舵機(jī)的角度就會一直不變。當(dāng)舵機(jī)接收到一個小于1.5ms 的脈沖時，輸出軸就會以中間位置為標(biāo)準(zhǔn)，逆時針旋轉(zhuǎn)一定角度。一般而言，最小脈沖為1ms，最大脈沖為2ms。脈沖寬度與轉(zhuǎn)動角度對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 脈寬與轉(zhuǎn)動角度關(guān)系圖

3 軟件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 PID算法控制機(jī)械臂運(yùn)動路徑的實(shí)現(xiàn)

機(jī)械臂其具有超高的操作靈活性，從而在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、物流等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為使機(jī)械臂的作用得以最大限度地發(fā)揮，需要對機(jī)械臂的位置進(jìn)行精確控制，在這一過程中，可以應(yīng)用PID控制器[8]。

在工程實(shí)際中，PID 控制是應(yīng)用最為廣泛的控制方式。PID是比例（proportion）、積分（integration）、微分（differentiation）的縮寫。當(dāng)被控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全確定時，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，控制理論的其他技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須現(xiàn)場調(diào)試或者多次試驗(yàn)驗(yàn)證來確定，這時PID 控制技術(shù)就非常適用。PID 控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量來對系統(tǒng)進(jìn)行控制。PID原理圖如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

圖5 PID原理圖

比例（P）部分

輸入值一旦與目標(biāo)值產(chǎn)生偏差e(t)，就需要縮小偏差，P 部分的作用是縮小偏差，使控制量向減少偏差的方向改變，由于是比例關(guān)系，因此P 的指數(shù)越大，偏差縮小的速度就越快，P 部分的作用就是使控制部分更快地接近目標(biāo)值。

積分（I）部分

當(dāng)偏差存在時，積分結(jié)果會不斷增加，即控制作用會不斷增加；只有當(dāng)偏差值為0時，結(jié)果就成為一個常數(shù)，此時控制作用才可能是一個穩(wěn)定的值。積分的作用是消除靜態(tài)偏差，同時拉低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，因此I部分作用與P部分是沖突關(guān)系。

微分（D）部分

微分D 的作用會根據(jù)偏差e(t)的變化趨勢提前糾正，通過微分，可以對偏差的變化進(jìn)行預(yù)判地抑制，防止矯枉過正。微分的部分，可以幫助系統(tǒng)減小震蕩，使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，D越大，抑制P的效果就越強(qiáng)[9-11]。

在本設(shè)計(jì)中，首先進(jìn)行了誤差值的處理，誤差值pid_thisError_x=pid_x-160和pid_thisError_y=pid_y-120;其中160 與120 是攝像頭顯示分辨率320*240 的中值，目的是使標(biāo)注的目標(biāo)識別點(diǎn)始終在攝像頭捕捉畫面的位置。若其不在中心位置，即通過PID 來控制舵機(jī)運(yùn)動，通過加入PID 控制參數(shù)，加上迭代誤差值的操作，得到最終PID值，同時限制舵機(jī)在一定范圍內(nèi)即轉(zhuǎn)動角度范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)舵機(jī)脫機(jī)的情況，此時載臂端攝像頭調(diào)整至識別點(diǎn)正上方，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂端準(zhǔn)確定位的功能。

3.2 標(biāo)識點(diǎn)的圖像定位

3.2.1 圖像預(yù)處理

RGB 的模型可以視為在三維坐標(biāo)軸中建立的一個立方模型，原點(diǎn)到白色頂點(diǎn)的中軸線是灰度線，r、g、b 三分量相等，強(qiáng)度可以由三分量的向量表示。用RGB來理解色彩、深淺、明暗變化。

而HSV 模型是倒錐形，這個模型是由色彩、深淺、明暗這三個元素來表現(xiàn)的。H 是色彩，S 是深淺，S=0時，只有灰度V是明暗，表示色彩的明亮程度。

RGB 模型與HSV 模型從模型構(gòu)造來看，將RGB三維坐標(biāo)中軸立起并扁化，即形成HSV 錐形模型，RGB到HSV的轉(zhuǎn)換為：

對于本設(shè)計(jì)采用HSV 空間而不用RGB 空間的理由，是因?yàn)镽GB 空間并不能很好地反映出物體具體的顏色信息，該設(shè)計(jì)著力于實(shí)際應(yīng)用場景，日常光照的對攝像頭捕捉的圖像的影響因子很大。而HSV 空間能夠非常直觀的表達(dá)色彩的明暗、色調(diào)、以及鮮艷程度，方便進(jìn)行顏色之間的對比。RGB 空間受光線影響很大，HSV可以得到合適的二值圖。

3.2.2 特征點(diǎn)定位

在圖像處理中常常需要提取目標(biāo)圖像中的ROI區(qū)域或這是某個形狀，需要觀察對象的特征，根據(jù)它的特征去提取。本設(shè)計(jì)最終采用的是以紅色圓形貼紙作為特征點(diǎn)來進(jìn)行位置標(biāo)識。

對于本設(shè)計(jì)中，對于輸入圖像的相關(guān)處理操作，做出了基于形態(tài)學(xué)處理：首先調(diào)用opencv 庫進(jìn)行高斯濾波，高斯濾波是矩形窗口內(nèi)所有像素點(diǎn)的像素值的加權(quán)和，高斯濾波的權(quán)重服從二維正態(tài)分布，越靠近窗口中心點(diǎn)，權(quán)重越大。對于(2n+1)*(2n+1)窗口，權(quán)重計(jì)算公式如下：

其中，σ 為標(biāo)準(zhǔn)差，σ 越大，權(quán)重分布越均勻，濾波效果越好，圖像越模糊。

光做色彩空間的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為HSV 的色彩空間；然后進(jìn)行圖像的掩模處理，腐蝕操作與膨脹操作。先腐蝕再膨脹，目的是為了開運(yùn)算，消除小物體、在纖細(xì)點(diǎn)處分離物體、平滑較大物體的邊界的同時并不明顯改變其面積。去除噪點(diǎn)。對于定位點(diǎn)的確定，是采用霍夫變換檢測圓的方法：霍夫變換圓檢測是基于圖像梯度實(shí)現(xiàn)，首先查找待測圖像中圓的圓心位置和半徑，圓心是圓周法線的交匯處，設(shè)置一個閾值，在某點(diǎn)的相交的直線的條數(shù)大于這個閾值就認(rèn)為該交匯點(diǎn)為圓心。圓心到圓周上的距離〔半徑）是相同的，設(shè)置一個閾值，只要相同距離的數(shù)量大于該閾值，就認(rèn)為該距離是該圓心的半徑。

檢測圓形樣點(diǎn)效果如圖6、圖7所示。

圖6 檢測效果圖（一）

圖7 檢測效果圖（二）

當(dāng)出現(xiàn)圖7 所示情況時，明顯看到識別點(diǎn)不在顯示界面中心，在預(yù)設(shè)坐標(biāo)時，將機(jī)械臂頂端即攝像頭放置位置，設(shè)為圓心坐標(biāo)，此時機(jī)械臂會根據(jù)偏離位置坐標(biāo)與中心坐標(biāo)的誤差值進(jìn)行位置調(diào)整，輔以預(yù)設(shè)PID 算法，不斷調(diào)整誤差值直至誤差值為零，此時識別點(diǎn)會重新調(diào)整至界面中心，即完成了對識別點(diǎn)的位置追蹤及位置調(diào)整，當(dāng)位置再次調(diào)整后，即會進(jìn)行預(yù)設(shè)動作組的下一步加熱動作和調(diào)整動作等一系列操作。

4 結(jié)論

該系統(tǒng)采用樹莓派作為硬件平臺，具有體積小、成本低、操作簡便，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間的特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了圖像的采集存儲及預(yù)處理，完成了機(jī)械臂骨架組裝與配置，運(yùn)用輪廓檢測以及結(jié)合PID算法，實(shí)現(xiàn)了對特征點(diǎn)的定位以及控制擁有加熱模塊的臂端精確運(yùn)動至特征點(diǎn)位置，另外設(shè)計(jì)了完整的加熱動作組實(shí)現(xiàn)完整的定點(diǎn)加熱流程，其效果經(jīng)過多次測試已經(jīng)得到了驗(yàn)證。