一種基于立體視覺(jué)的肩離斷型上假肢控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、當(dāng)今社會(huì)，由于疾病、戰(zhàn)爭(zhēng)、恐怖活動(dòng)以及地震等自然災(zāi)害導(dǎo)致的肢體殘疾的人口數(shù)量正在逐年快速擴(kuò)大。肢體運(yùn)動(dòng)障礙給殘肢患者生活帶來(lái)了極大的不便，一副功能強(qiáng)大、控制方便靈活的人性化假肢成為了他們的迫切需求。其中，在對(duì)假肢的操作控制方面，因?yàn)槠浔旧淼母叨葟?fù)雜性而不容易被操控，一直是科研工作者研究的聚焦點(diǎn)。目前，視覺(jué)被作為控制信號(hào)源，正在被應(yīng)用到智能機(jī)器人技術(shù)研究領(lǐng)域中來(lái)。本論文根據(jù)肩離斷型上假肢的工作要求提出一種基于立體視覺(jué)定位跟蹤激光斑的人機(jī)交

2、互控制假肢的系統(tǒng)方案。通過(guò)構(gòu)造的立體視覺(jué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的各階段處理方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和比較，得出一種在實(shí)驗(yàn)室條件下基于開(kāi)源視覺(jué)庫(kù)函數(shù)的紅色激光斑定位跟蹤的適用方法，從而完成了對(duì)假肢操作控制系統(tǒng)的立體視覺(jué)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，為人機(jī)交互控制假肢奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在本課題的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由肩離斷型上假肢、激光器、PC機(jī)以及一個(gè)使用固定支架和兩個(gè)同型號(hào)中星微USB攝像頭搭建的雙目系統(tǒng)構(gòu)成，軟件平臺(tái)使用XP操作系

3、統(tǒng)，在MicrosoftVisualStudio2008環(huán)境下，利用C++編譯程序（基于OpenCV函數(shù)庫(kù)）完成實(shí)驗(yàn)調(diào)試內(nèi)容。本課題使用筆記本作為上位機(jī)，以大眾型USB協(xié)議攝像頭作為圖像傳感器，這是一種高性價(jià)比的硬件設(shè)計(jì)方案，非常適合前期研究的實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。
　　本文闡述探討了對(duì)攝像機(jī)的一些標(biāo)定方法，并根據(jù)本課題系統(tǒng)研究的需要，擇優(yōu)選擇使用最佳的標(biāo)定方法。通過(guò)對(duì)相機(jī)內(nèi)外參數(shù)模型和鏡頭畸變模型的分析，建立了空間目標(biāo)物體的實(shí)際位置與圖

4、像像素點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成了該項(xiàng)目使用的內(nèi)部和外部攝像機(jī)標(biāo)定參數(shù)工作。在上假肢控制系統(tǒng)中，激光器既是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制假肢的介質(zhì)，又是立體視覺(jué)系統(tǒng)中識(shí)別定位的空間目標(biāo)物體。課題的立體視覺(jué)技術(shù)是以特征紅色激光斑作為特征提取點(diǎn)，在此研究背景下，第四章探討研究了對(duì)攝像機(jī)采集的特征激光斑圖像的相關(guān)技術(shù)處理問(wèn)題，通過(guò)對(duì)當(dāng)前圖像處理技術(shù)的闡述，圖像處理算法的分析，結(jié)合上假肢控制系統(tǒng)的需要，有針對(duì)性的選擇了圖像預(yù)處理效率高、實(shí)時(shí)性好的處理方法，大大提高了

5、系統(tǒng)的適應(yīng)性。然后，根據(jù)攝像機(jī)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)和激光斑圖像處理實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步分析研究，對(duì)激光斑進(jìn)行三維坐標(biāo)定位實(shí)驗(yàn)，最后得知激光斑相對(duì)攝像機(jī)的空間位置。此外，文章根據(jù)上假肢控制系統(tǒng)中攝像機(jī)坐標(biāo)系與基礎(chǔ)坐標(biāo)系、特征激光斑坐標(biāo)系的關(guān)系，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推算，最終得出激光斑相對(duì)基礎(chǔ)坐標(biāo)系的世界坐標(biāo)系。進(jìn)而，再根據(jù)假肢的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解模型，當(dāng)系統(tǒng)接收到目標(biāo)激光斑的三維信息值時(shí)，假肢各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，來(lái)驅(qū)使假肢移動(dòng)到目標(biāo)所在位置，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)利