基于虛擬儀器的氣動人工肌肉運動位移測量系統的實現

　0 引言

　　氣動人工肌肉也稱氣動人工肌肉驅動器(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。氣動人工肌肉響應快、可靠性高，同時擁有柔性而且輕盈，這使得它對人類來說，比其他的驅動器更安全。隨著機器人技術的發展需求，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，來完成對目標位移的測量。

　　1 硬件結構設計

　　本系統采用的是千兆網卡，Basler SCA640-70GM，659X490，70 FPS千兆網絡攝像頭，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。利用網線直接將采集到的圖像傳到PC機，同時也簡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和視覺處理工具包NI Vision8．6。通過LabVIEW圖形化的編程環境，編程者可以象搭積木一樣搭建程序和用戶界面，而程序的執行內容由一個一個可表示函數的圖標和圖標之間的數據流連線構成，這可使得編寫和調試程序變得生動、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動Vis，可在最大程度上簡化圖像采集、處理和輸出結果的過程。

　　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，其像素長度為384．000pixel對應實際的50mm，在此基礎上，其伸縮長度單位轉換都將以此為標準在程序中自動進行。

　　2．3 特征點的提取

　　對于圖像處理系統，實時性是經常要關注的問題。本系統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的實時性，除了提高硬件配置外，在軟件處理過程中，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人工肌肉兩端金屬扎環的圖像信息，并以此來計算伸縮長度。為了使特征信息便于提取，可在兩個金屬扎環的中間位置用紅色油漆標記，并將右端的紅點作為輔助坐標。

　　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。

　　2．4 目標檢測與距離測量

　　檢測出提取到的信息點后，還應測得它們的坐標，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所示是本系統的用戶測量界面圖。

　　4 結束語

　　本文在虛擬儀器軟件LabVIEW平臺下開發的氣動人工肌肉運動位移測量系統具有較好的可靠性和實時性，但在軟件和硬件調試過程中也發現了一些弊端，如視覺處理系統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，否則所有測量結果將出現較大程度的偏差，所以，在軟件設計過程中應該考慮到這些因素，應將程序設計成為向導式的結構，并提高系統的移植性，這也是本系統需要完善的地方。