基于虛擬儀器的氣動人工肌肉 運(yùn)動位移測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

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(jī)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(yùn)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(yùn)動也會造成一定的影響，所以，實(shí)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(jī)，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(jī)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(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行。

2．3 特征點(diǎn)的提取
    對于圖像處理系統(tǒng)，實(shí)時性是經(jīng)常要關(guān)注的問題。本系統(tǒng)的實(shí)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(shí)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(diǎn)作為輔助坐標(biāo)。

   為了提高實(shí)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。