一種基于立體視覺的肩離斷型上假肢控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、當今社會，由于疾病、戰(zhàn)爭、恐怖活動以及地震等自然災害導致的肢體殘疾的人口數(shù)量正在逐年快速擴大。肢體運動障礙給殘肢患者生活帶來了極大的不便，一副功能強大、控制方便靈活的人性化假肢成為了他們的迫切需求。其中，在對假肢的操作控制方面，因為其本身的高度復雜性而不容易被操控，一直是科研工作者研究的聚焦點。目前，視覺被作為控制信號源，正在被應用到智能機器人技術(shù)研究領(lǐng)域中來。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定位跟蹤激光斑的人機交

2、互控制假肢的系統(tǒng)方案。通過構(gòu)造的立體視覺系統(tǒng)的實驗平臺，對目標實現(xiàn)過程中的各階段處理方法進行了實驗分析和比較，得出一種在實驗室條件下基于開源視覺庫函數(shù)的紅色激光斑定位跟蹤的適用方法，從而完成了對假肢操作控制系統(tǒng)的立體視覺技術(shù)的實現(xiàn)，為人機交互控制假肢奠定了堅實的基礎(chǔ)。在本課題的控制系統(tǒng)開發(fā)實驗中，實驗系統(tǒng)的硬件平臺由肩離斷型上假肢、激光器、PC機以及一個使用固定支架和兩個同型號中星微USB攝像頭搭建的雙目系統(tǒng)構(gòu)成，軟件平臺使用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）完成實驗調(diào)試內(nèi)容。本課題使用筆記本作為上位機，以大眾型USB協(xié)議攝像頭作為圖像傳感器，這是一種高性價比的硬件設(shè)計方案，非常適合前期研究的實驗開發(fā)應用。
　　本文闡述探討了對攝像機的一些標定方法，并根據(jù)本課題系統(tǒng)研究的需要，擇優(yōu)選擇使用最佳的標定方法。通過對相機內(nèi)外參數(shù)模型和鏡頭畸變模型的分析，建立了空間目標物體的實際位置與圖

4、像像素點的對應關(guān)系，完成了該項目使用的內(nèi)部和外部攝像機標定參數(shù)工作。在上假肢控制系統(tǒng)中，激光器既是實現(xiàn)人機交互控制假肢的介質(zhì)，又是立體視覺系統(tǒng)中識別定位的空間目標物體。課題的立體視覺技術(shù)是以特征紅色激光斑作為特征提取點，在此研究背景下，第四章探討研究了對攝像機采集的特征激光斑圖像的相關(guān)技術(shù)處理問題，通過對當前圖像處理技術(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，有針對性的選擇了圖像預處理效率高、實時性好的處理方法，大大提高了

5、系統(tǒng)的適應性。然后，根據(jù)攝像機標定實驗和激光斑圖像處理實驗為基礎(chǔ)，進一步分析研究，對激光斑進行三維坐標定位實驗，最后得知激光斑相對攝像機的空間位置。此外，文章根據(jù)上假肢控制系統(tǒng)中攝像機坐標系與基礎(chǔ)坐標系、特征激光斑坐標系的關(guān)系，經(jīng)過數(shù)學推算，最終得出激光斑相對基礎(chǔ)坐標系的世界坐標系。進而，再根據(jù)假肢的逆運動學求解模型，當系統(tǒng)接收到目標激光斑的三維信息值時，假肢各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角就會發(fā)生相應的變化，來驅(qū)使假肢移動到目標所在位置，從而實現(xiàn)通過利