基于虛擬儀器的氣動(dòng)人工肌肉 運動(dòng)位移測量系統的實(shí)現

0 引言
氣動(dòng)人工肌肉也稱(chēng)氣動(dòng)人工肌肉驅動(dòng)器(Pneumatic Musecle Actuator，PMA)，其研究始于20世紀50代，近幾年，在國內也得到了廣泛的研究與應用。氣動(dòng)人工肌肉響應快、可靠性高，同時(shí)擁有柔性而且輕盈，這使得它對人類(lèi)來(lái)說(shuō)，比其他的驅動(dòng)器更安全。隨著(zhù)機器人技術(shù)的發(fā)展需求，氣動(dòng)人工肌肉得到了廣泛的研究。目前人工肌肉運動(dòng)位移的測量主要通過(guò)在肌肉末端連接一個(gè)滑動(dòng)變阻器，再通過(guò)檢測變阻器兩端的電壓來(lái)完成，但是這種方法要求有高精度的變阻器，同時(shí)，這種方法對人工肌肉的運動(dòng)也會(huì )造成一定的影響，所以，實(shí)驗結果往往不很理想。本文在虛擬儀器平臺下，采用視覺(jué)跟蹤與圖像處理方法，來(lái)完成對目標位移的測量。

1 硬件結構設計
本系統采用的是千兆網(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(xiàn)直接將采集到的圖像傳到PC機，同時(shí)也簡(jiǎn)化了系統硬件結構的設計。圖1所示為系統的硬件結構圖。

2 軟件設計
本系統軟件采用NI公司的虛擬儀器軟件NILabVIEW 8．6和視覺(jué)處理工具包NI Vision8．6。通過(guò)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(hù)界面，而程序的執行內容由一個(gè)一個(gè)可表示函數的圖標和圖標之間的數據流連線(xiàn)構成，這可使得編寫(xiě)和調試程序變得生動(dòng)、便捷。NI Vision是和LabVIEW無(wú)縫鏈接的，NI Vision里包含了目前圖像處理和機器視覺(jué)比較成熟的Vis，同時(shí)有用于圖像采集的驅動(dòng)Vis，可在最大程度上簡(jiǎn)化圖像采集、處理和輸出結果的過(guò)程。
2．1 圖像采集模塊
跟其它NI板卡數據采集一樣，本系統的圖像采集可借助于采集助手NI Vsion Acquisition來(lái)完成圖像的快速采集，其程序框圖如圖2所示。

2．2 圖像刻度轉換
直接從圖像中測得的坐標、面積、距離等參數都是用像素值表示的，而實(shí)際上，還要根據需要將像素值轉換成設計需要的值。本設計要測出人工肌肉伸縮的長(cháng)度，單位是毫米(mm)，在長(cháng)度測量的過(guò)程中，可將一張打印有實(shí)際刻度的紙作為氣動(dòng)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換指示圖，圖中，可取0mm和50mm的圖像坐標分別為(1126．000，641．000)和(1510．000，641．000)，這樣，其像素長(cháng)度為384．000pixel對應實(shí)際的50mm，在此基礎上，其伸縮長(cháng)度單位轉換都將以此為標準在程序中自動(dòng)進(jìn)行。

2．3 特征點(diǎn)的提取
對于圖像處理系統，實(shí)時(shí)性是經(jīng)常要關(guān)注的問(wèn)題。本系統的實(shí)時(shí)性也是首先要考慮的問(wèn)題。為了最大限度地提高系統的實(shí)時(shí)性，除了提高硬件配置外，在軟件處理過(guò)程中，也應該盡量避免使用占內存和CPU顱腔多的算法。本設計需要獲得氣動(dòng)人工肌肉兩端金屬扎環(huán)的圖像信息，并以此來(lái)計算伸縮長(cháng)度。為了使特征信息便于提取，可在兩個(gè)金屬扎環(huán)的中間位置用紅色油漆標記，并將右端的紅點(diǎn)作為輔助坐標。

為了提高實(shí)時(shí)性，可用最簡(jiǎn)單的閾值劃分法來(lái)分割圖像，以獲取特征信息、閾值設定值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。