基于虛擬儀器的氣動人工肌肉運動位移測量系統(tǒng)的實

0 引言

氣動人工肌肉也稱氣動人工肌肉驅(qū)動器(Pneumatic Musecle Actuator，PMA)，其研究始于20世紀(jì)50代，近幾年，在國內(nèi)也得到了廣泛的研究與應(yīng)用。氣動人工肌肉響應(yīng)快、可靠性高，同時擁有柔性而且輕盈，這使得它對人類來說，比其他的驅(qū)動器更安全。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展需求，氣動人工肌肉得到了廣泛的研究。目前人工肌肉運動位移的測量主要通過在肌肉末端連接一個滑動變阻器，再通過檢測變阻器兩端的電壓來完成，但是這種方法要求有高精度的變阻器，同時，這種方法對人工肌肉的運動也會造成一定的影響，所以，實驗結(jié)果往往不很理想。本文在虛擬儀器平臺下，采用視覺跟蹤與圖像處理方法，來完成對目標(biāo)位移的測量。

1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用的是千兆網(wǎng)卡，Basler SCA640-70GM，659X490，70 FPS千兆網(wǎng)絡(luò)攝像頭，而且NI的PCIE-8235內(nèi)嵌有幀接收器，因而極大地降低了圖像采集對CPU的占用率。利用網(wǎng)線直接將采集到的圖像傳到PC機，同時也簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計。圖1所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件采用NI公司的虛擬儀器軟件NILabVIEW 8.6和視覺處理工具包NI Vision8.6。通過LabVIEW圖形化的編程環(huán)境，編程者可以象搭積木一樣搭建程序和用戶界面，而程序的執(zhí)行內(nèi)容由一個一個可表示函數(shù)的圖標(biāo)和圖標(biāo)之間的數(shù)據(jù)流連線構(gòu)成，這可使得編寫和調(diào)試程序變得生動、便捷。NI Vision是和LabVIEW無縫鏈接的，NI Vision里包含了目前圖像處理和機器視覺比較成熟的Vis，同時有用于圖像采集的驅(qū)動Vis，可在最大程度上簡化圖像采集、處理和輸出結(jié)果的過程。

2.1 圖像采集模塊

跟其它NI板卡數(shù)據(jù)采集一樣，本系統(tǒng)的圖像采集可借助于采集助手NI Vsion Acquisition來完成圖像的快速采集，其程序框圖如圖2所示。

2.2 圖像刻度轉(zhuǎn)換

直接從圖像中測得的坐標(biāo)、面積、距離等參數(shù)都是用像素值表示的，而實際上，還要根據(jù)需要將像素值轉(zhuǎn)換成設(shè)計需要的值。本設(shè)計要測出人工肌肉伸縮的長度，單位是毫米(mm)，在長度測量的過程中，可將一張打印有實際刻度的紙作為氣動人工肌肉的背景，這樣既可以分析背景對圖像處理的影響，又可以作為測量的輔助工具。圖3所示是其圖像刻度轉(zhuǎn)換指示圖，圖中，可取0mm和50mm的圖像坐標(biāo)分別為(1126.000，641.000)和(1510.000，641.000)，這樣，其像素長度為384.000pixel對應(yīng)實際的50mm，在此基礎(chǔ)上，其伸縮長度單位轉(zhuǎn)換都將以此為標(biāo)準(zhǔn)在程序中自動進行。

2.3 特征點的提取

對于圖像處理系統(tǒng)，實時性是經(jīng)常要關(guān)注的問題。本系統(tǒng)的實時性也是首先要考慮的問題。為了最大限度地提高系統(tǒng)的實時性，除了提高硬件配置外，在軟件處理過程中，也應(yīng)該盡量避免使用占內(nèi)存和CPU顱腔多的算法。本設(shè)計需要獲得氣動人工肌肉兩端金屬扎環(huán)的圖像信息，并以此來計算伸縮長度。為了使特征信息便于提取，可在兩個金屬扎環(huán)的中間位置用紅色油漆標(biāo)記，并將右端的紅點作為輔助坐標(biāo)。

為了提高實時性，可用最簡單的閾值劃分法來分割圖像，以獲取特征信息、閾值設(shè)定值Red(min：195，max：255)，Green(min：10，max：50)，Blue(min：10，max：50)，圖4所示是其閾值提取效果圖，其中，藍(lán)色部分為提取到的特征信息。處理后的二值圖像如圖5所示。

2.4 目標(biāo)檢測與距離測量

檢測出提取到的信息點后，還應(yīng)測得它們的坐標(biāo)，進一步求得它們的距離，這可由measuresdistance VIs和Caliper VIs來完成，其部分程序框圖如圖6所示。

3 用戶測量界面

根據(jù)LabVIEW的編程特點，為減少CPU的使用率，可將中間過程中圖像處理顯示界面省去或隱藏，在用戶界面上只顯示測量曲線，圖7所示是本系統(tǒng)的用戶測量界面圖。

4 結(jié)束語

本文在虛擬儀器軟件LabVIEW平臺下開發(fā)的氣動人工肌肉運動位移測量系統(tǒng)具有較好的可靠性和實時性，但在軟件和硬件調(diào)試過程中也發(fā)現(xiàn)了一些弊端，如視覺處理系統(tǒng)對光照的要求比較高，而且攝像機和被測物體的距離要絕對的固定，否則所有測量結(jié)果將出現(xiàn)較大程度的偏差，所以，在軟件設(shè)計過程中應(yīng)該考慮到這些因素，應(yīng)將程序設(shè)計成為向?qū)降慕Y(jié)構(gòu)，并提高系統(tǒng)的移植性，這也是本系統(tǒng)需要完善的地方。