基于视觉的中医按摩机器人穴位定位与跟踪系统

山东建筑大学硕士学位论文题目

基于视觉的中医按摩机器人穴位定位与跟踪系统

国家“８６３竹资助项目（Ｎｏ．２０１０ＡＡ０４０２０１）

计：学位论文６６页

表格７个

插图３９幅

Ⅺ，

评阅人：

指导教师：釜室堡

学院院长：毯挂壹

学位论文完成日期：２Ｑ１２生垒且

原创性声明

的学位论文是拳人在导师的指导下，独立进行研究取得的成

内容外，论文中不舍其他人已经发表或撰写过的研究成果，

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体，均已在文中以明确方式标明．泰人承担本声明的法律责

学位论文作者签名：动岛姬勃址日期２色２ｚ：占：廛

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．１９

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摘要

中医推拿是我国医学的重要组成部分，它是以我国医学理论为指导，以经络腧穴学说为基础，以按摩为主要施治，是用来防病、治病和消除疲劳的一种重要手段。目前，随着我国老龄化人口的增多和生活压力的增大，需要中医推拿的人越来越多，国内医院有经验的推拿师资源已不能满足社会的需求，而将中医推拿理论和机器人技术相结合开发出更加智能的按摩机器人将是解决这一问题的最优方案。由于中医按摩机器人面对的是大量不同体型特征的病人和老年人，在每个按摩对象的身体特征各不相同的情况下，中医按摩机器人若采用示教或离线编程的方式工作，这对机器人的工作效率提出了严峻的挑战。因此，开发出更加智能和灵活的按摩机器人已经成为一种迫切要求。

机器人视觉技术是机器视觉的一个重要研究领域。它是以计算机视觉理论和数字图像处理技术为基础而发展起来的一门新兴学科，它打破了传统机械臂采用示教和离线编程的方式，不需要预先对机器人的运动进行编程，大大提高了机械臂的灵活性，可以广泛应用于家用服务机器人和工业机器人等领域。本文以四自由度中医按摩机器人为研究对象，利用基于位置的视觉伺服控制方法分别研究了中医按摩机器人对且标的识别和跟踪，使按摩手能自动移动到穴位点位置，并获得了一些重要的研究成果和结论。本文的主要研究内容包括以下几个方面。

（１）通过对中医按摩机器人的机械结构及参数的深入分析，运用Ｄ．Ｈ表示法为其求取了变换矩阵，建立中医按摩机器人运动学模型，完成了正运动学方程的求解，并求解出了运动学方程的逆解，得到了机械手在基坐标系下的位置与关节转动变量之问的关系。

（２）通过对摄像机成像原理的分析和理解，结合当前的摄像机标定方法，提出了一种方便快捷的单目视觉测量的摄像机标定方法。降低了对实验条件的要求，简化了机器人和摄像机的标定过程，并通过实验验证了该方法的可行性。

（３）针对人体背部穴位的识别和定位，本文对传统的图像匹配算法进行了详细的分析，对比它们的优缺点。并在此基础上，本文以实际人工标志为目标，分别提出了基于快速相关灰度归一化图像匹配的穴位定位新方法和基于ＳＩＦＴ特征匹配的穴位定位新方法。并对实际图像进行了实验分析，实验结果表明：设计的这两种穴位定位方法有较好的稳定性。（４）本文在深入分析了腿部特征和Ｈｏｕｇｈ变换原理的基础上，提出了一种基于概率

Ｈｏｕｇｈ算法的腿

对腿部人工标志

达到了理想的效Ⅱ

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ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＶｉｓｉｏｎｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅＭａｓｓａｇｅＲｏｂｏｔＡｃｕｐｏｉｎｔｓ

ＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇａｎｄＴｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍ

ＺｈａｎｇＨｕａｋａｉ

ＤｉｒｅｃｔｅｄｂｙＬｕＳｈｏｕｙｉｎ

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

ＭａｓｓａｇｅｉｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒｔｏｆＣｈｉｎｅｓｅｍｅｄｉｃｉｎｅ，ｗｈｉｃｈｉｓＣｈｉｎｅｓｅｍｅｄｉｃａｌｔｈｅｏｒｙａｓａｇｕｉｄｅａｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｒｉｄｉａｎｓａｎｄａｃｕｐｏｉｎｔｓｄｏｃｔｒｉｎｅ，ａｎｄｔｈｅｍａｓｓａｇｅａｓｔｈｅｍａｉｎｔｒｅａｔｓ．Ｍａｓｓａｇｅｉｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｍｅａｎｓｔｏｂｅｕｓｅｄａｇａｉｎｓｔｔｈｅｄｉｓｅａｓｅａｎｄｒｅｄｕｃｅｆａｔｉｇｕｅ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｗｉｔｈＣｈｉｎａ＇ｓａｇｉｎｇｐｏｐｕｌａｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅａｎｄｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅｆｏｒｌｉｆｅ，ａｎｄｍｏｒｅｐｅｏｐｌｅｎｅｅｄｔｏＣｈｉｎｅｓｅｍａｓｓａｇｅ．Ｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｈｏｓｐｉｔａｌｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄｍａｓｓａｇｅｄｏｃｔｏｒｑｕａｎｔｉｔｙａｌｒｅａｄｙｃａｎｎｏｔｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｎｅｅｄｓｏｆｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｔｙ．ＳｏｉｔｉｓｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｓｏｌｕｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｍｅｄｉｃｉｎｅｍａｓｓａｇｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｒｏｂｏｔｉｃｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｍｂｉｎｅｄｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｍｏｒｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｍａｓｓａｇｅｒｏｂｏｔｔｏｓｏｌｖｅｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ．ＢｅｃａｕｓｅｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｍｅｄｉｃｉｎｅｍａｓｓａｇｅｒｏｂｏｔａｒｃｆａｃｅｄｗｉｔｈａｌａｒｇｅｎｕｍｂｅｒｏｆｓｉｚｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｐａｔｉｅｎｔａｎｄｔｈｅｅｌｄｅｒｌｙ．Ｉｎｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｆｉｓｔｉｃｓｏｆｅａｃｈｍａｓｓａｇｅｔｈｅｏｂｊｅｃｔｏｆｔｈｅｓ锄ｅｃｉｒｃｕｍｓｔａｎｃｅｓ，ｉｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｍａｓｓａｇｅｒｏｂｏｔ’Ｓｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｄｏｐｔｔｅａｃｈｏｒｏｆｆ－ｌｉｎｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ｔｈｅｗｏｒｋｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｒｏｂｏｔｐｏｓｅｓａｓｅｖｅｒｅｃｈａｌｌｅｎｇｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｍｏｒｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｍａｓｓａｇｅｒｏｂｏｔｈａｓｂｅｃｏｍｅａｎｕｒｇｅｎｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎＬ

Ｒｏｂｏｔｉｃｖｉｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓａｌｌｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄｏｎｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｖｉｓｉｏｎ，ａｎｄｉｆｓａｎｅｗｓｕｂｊｅｃｔｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｔｈｅｉｍａｇｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ．Ｉｔｈａｓｂｒｏｋｅｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｒｍ谢ｎＩｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｔｅａｃｈｉｎｇａｎｄｏｆｆ－ｌｉｎｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｅ，ａｎｄｄｏｎ＇ｔｎｅｅｄｔｏｂｅｔｏｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｆｏｒｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ，ｇｒｅａｔｌｙｉｍｐｒｏｖｉｎｇｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｒｍｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ，ｃａｎｂｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｓｅｒｖｉｃｅｒｏｂｏｔａｎｄｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｒｏｂｏｔｓ，ｅｔｃ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｍａｓｓａｇｅｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍｓｗｉｔｈ４ｄｅｇｒｅｅｏｆｆｒｅｅｄｏｍ（ｏｏＦ），ｔｈｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎａｎｄｔｒａｃｋｉｎｇＯｎｔｈｅｓｉｎｇｌｅｔａｒｇｅｔｏｂｊｅｃｔａｎｄｍｕｌｔｉ＝ｔａｒｇｅｔｏｂｊｅｃｔｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｗｉｔＩｌｐｏｓｉｔｉｏｎ－ｂａｓｅｄｖｉｓｕａｌＳｅＩ＇ＶＯ，ａｎｄｓｏｍｅｆｉｎｄｉｎｇｓａｎｄｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓｈａｖｅｂｅｅｎａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｔｅｎｔｓｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｒｅｓｐｅｃｔｓ．

Ｔｈｅｆｉｒｓｔ，ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＣｈｉｎｅｓｅｍａｓｓａｇｅｒｏｂｏｔｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．ＷｉｍｔｈｅＤ－Ｈｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍａｔｒｉｘｉｓｏｂｔａｉｎｅｄａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎｅｓｅｍａｓｓａｇｅｒｏｂｏｔ’Ｓｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｉｓｓｅｔｕｐ．Ｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｓｅｑｕａｔｉｏｎｉｓ．Ｔｈｅｐｏｓｉｔｉｖｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｋｉｎｅｍａｔｉｃｅｑｕａｔｉｏｎｓａｎｄｉｎｖｅｒｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎａｒｅｓｏｌｖｅｄ．ＴｈｅｎｗｅｆｉｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｊｏｉｎｔｔｕｒｎＩｌｌ

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ｖａｒｉａｂｌｅｓ．

Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄ，ｂｙｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｃａｍｅｒａｉｍａｇｉｎｇａｎｄｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｃ组Ｊｌｌｅｒａｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｑｕｉｃｋａｎｄｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔｍｏｎｏｃｕｌａｒｖｉｓｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃａｍｅｒａｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ

ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｏｂｏｔｍｅｔｈｏｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｍｅｔｈｏｄｓｉｍｐｌｉｆｉｅｓｔｈｅａｎｄｃａｍｅｒａｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ．Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．

Ｔｈｅｔｈｉｒｄ，ｆｏｒ

ｐａｐｅｒｍａｋｅａｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｌｏｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｃｕｐｕｎｃｔｕｒｅｐｏｉｎｔｓｏｆｔｈｅｂｏｄｙｂａｃｋ，ｔｈｉｓａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓｄｅｔａｉｌｅｄａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｔｏｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｉｍａｇｅｍａｔｃｈｉｎｇａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｂａｓｅｄｏｆｔｈｅｓｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓａｃｔｕａｌａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｙｍｂｏｌｆｏｒｔｈｅｔａｒｇｅｔ，Ｂａｓｅｄｏｎｆａｓｔｒｅｌａｔｅｄｇｒａｙｉｍａｇｅｍａｔｃｈｉｎｇｎｏｒｍａｌｉｚｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍａｃｕｐｏｉｎｔｓ

ｏｎｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄｎｅｗ

ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｄｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｂａｓｅｄｔｈｅＳＷＴｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍａｔｃｈｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｎａｌｙｓｉｓｕｓｅｄｔｈｅａｃｔｕａｌａｃｕｐｏｉｎｔｓｎｅｗｍｅｔｈｏｄａ托ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｉｍａｇｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｂｏｔｈｏｆｔｈｅｍｈａｖｅｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ．

Ｔｈｅ

ｉｓｆｏｕｒ，ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｎ∞ⅣｌｅｇｏｎｓｔａｎｃｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄＯｎｔｈｅＨｏｕｇｈａｌｇｏｒｉｔｈｍｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｄｅｅｐａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｔｈｅｌｅｇｓＨｏｕｇｈｔｒａｎｓｆｏｒｍ

ｔａｋｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅ．ｎＩｅｍｅｔｈｏｄ

ｒｅａｌｉｚｅｔｈｅａｒｔｉｆｉｃｉａｌａｄｖａｎｔａｇｅｏｆｔｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＨｏｕｇｈｌｉｎｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｅｇｆｌａｇｌｉｎｅｆｅａｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．ｎｌｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃｏｕｌｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｅｘｔｒａｃｔｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｒｔｉｆｉｃｉａｌｓｉｇｎｓａｎｄａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｄｅｓｉｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓ．

Ｔｈｅｆｉｖｅ，ＣｏｍｐｌｅｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎｏｆＣｈｉｎｅｓｅｍａｓｓａｇｅ

ｖｉｓｉｏｎ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｆｒｏｍｔｈｅｓｙｓｔｅｍｓｏｆｔ，ｒａｒｅｒｏｂｏｔｂａｓｅｄＯｉｌａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ｐｒｏｇｒａｍｆｌｏｗ，ａｎｄｔｈｅｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ’Ｓｉｍｐｌｅｍｅｎｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．Ｃｏｍｐｌｅｔｅｄｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｐｏｗｅｒｃｏｒｄａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｌｉｎｅｓｉｎｃｏｎｔｒｏｌｃａｂｉｎｅｔａｎｄｅｎｓｕｒｅｄｔｈｅｓａｆｅａｎｄｓｔａｂｌｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｎｔｉｒｅｍｏｉｌｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ．

Ｋｅｗｗｏｒｄｓ：Ｃｈｉｎｅｓｅｍａｓｓａｇｅ

ｍａｔｃｈｉｎｇ，ｆｅａｔｕｒｅｍａｔｃｈｉｎｇｒｏｂｏｔ，ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ，Ｃａｍｅｒａｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ｔｅｍｐｌａｔｅ

Ⅳ

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目录

摘ｊｌ墓…………．………．………．………………．．……．．．……………………………………………．……．Ｉ

第一章绪论

１．１引言………………………………………………………………………………………………………………．１．１．２基于视觉的机器人国内外研究现状…………………………………………………．２．１．３视觉伺服系统的类型……………………………………………………………………．４．１．４研究的目的及意义……………

１．４．１研究意义…………………………………………………………………………．．６．１．４．２研究的目的………………………………………………………………………．６．１．５中医按摩机器人视觉系统主要研究内容……………………………………………．６．

第二章中医按摩机器人的运动学分析

２．１刚体空间位置和姿态表示法………………………………………………………………．９．２．１．１四种坐标系………………………………………………………………………．．９．２．１．２刚体位置和姿态的齐次变换表示法……………………………………………．９．２．２中医按摩机器人的运动学建模……………………………………………………～１２．２．２．１机械臂运动学Ｄ—Ｈ表示法………………………………………………………．１２．２．２．２中医按摩机器人关节坐标系及Ｄ－Ｈ参数………………………………………．１４．２．２．３中医按摩机器人运动学正解……………………………………………………．１５．２．３逆运动学方程及求解……………………………………………………………… ．１６．２．３．１求取机械臂逆解方法比较……………………………………………………．．．１６．２．３．２中医按摩机器人运动学逆解……………………………………………………．１６．２．４摄像机模型…………………………………………………………………………～ｌ７．２．４．１小孔成像模型……………………………………………………………………．．１７．２．４．２摄像机内参数模型……………………………………………………………．．．１８．２．５摄像机标定…………………………………………………………………………～２０．Ｖ

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２．５．１单目二维视觉测量的摄像机标定方法……………………………………。：…．２．５．２参数标定实验……………………………………………………………………．２．６本章小结……………………………………………………………………………．．

第三章基于图像匹配的目标识别算法

３．１图像预处理………………………………………………………………………… ．３．１．１对不度增强………………………………………………………………………．．３．１．２图像平滑………………………………………………………………………．．．３．２图像匹配…………………………………………………………………………… ．

３．２．１图像匹配的分类………………………………………………………………．．．２５．３．２．２基于图像灰度的匹配技术……………………………………………………．．．２６．３．２．３基于图像特征的匹配算法………………………………………………………．．２７．３．３基于优化的ＳＩＦＴ特征图像匹配算法………………………………………………．２８．３．３．１图像的多尺度表示……………………………………………………………．．．２８．３．３．２ＳＩＦＴ特征图像匹配算法的主要步骤…………………………………………．．．３０．３．３．３马氏距离二次特征点匹配……………………………………………………．．．３２．３．４基于概率ＨＯＵＧＨ变换的直线检测…………………………………………………～３３．３．５本章小结……………………………………………………………………………．３４．

第四章穴位的定位与跟踪研究

４．１人工标志的选择……………………………………………………………………………．３５．４．２基于模板匹配的穴位定位………………………………………………………… ．３６．４．２．１基于归一化相关灰度匹配的穴位定位………………………………………．．－３６．４．２．２基于ＳＩＦＴ特征匹配的穴位定位…………………………………………………．．３７．４．２．３基于图像匹配的穴位跟踪……………………………………………………．．．３８．４．３基于概率ＨＯＵＧＨ变换的人体腿部姿态检测………………………………………………～３９．４．４实验分析…………………………………………………………………………… ．４０．４．５本章小结………………………………………………………………………………．４３．

第五章基于视觉的中医按摩机器人控制系统组成ＶＩ

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５．１系统功能介绍………………………………………………………………………．４５．５．２中医按摩机器人的硬件部分…………………………………………………………．４６．５．２．１硬件系统组成……………………………………………………………………．．４６．５．２．２多轴运动控制器………………………………………………………………．．．４７．５．２．３电机及电机驱动…………………………………………………………………．４８．５．２．４压力传感器………………………………………………………………………．．４８．５．２．５ｕＥｙｅ工业摄像机…………………………………………………………………．４９．５．３中医按摩机器人软件系统…………………………………………………………．５０．５．３．１主控制系统………………………………………………………………………．５０．５．３．２主程序…………………………………………………………………………．．．５１．５．３．３基于ＯｐｅｎＣＶ的模式识别……………………………………………………．．．５ｌ－５．４本章小结………………………………………………………………………………．５４．

第六章总结与展望

参考文献……………………………………………………………………………．．５９．后记……………………………………………………………………………………………………．．６３．攻读硕士学位期间论文发表及科研情况………………………………………．．．６５．～。

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第一章绪论

１．１引言

自２０世纪５０年代第一台机器人问世以后，机器人就一直处在从低级到高级的不断发展中，机器人技术涉及到机械、电子、控制、计算机、传感器、通信与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成。因此，它的发展与上述学科发展密切相关，随着机器人应用越来越广泛，标准化、模块化、网络化和智能化的程度也越来越高，功能也越来越强。近年来，世界机器人技术领域出现了重大的调整，其重心从制造业向非制造业、从第二产业向第一产业和第三产业转移，尤其是在医疗领域得到了飞速的发展！医用机器人已经成为国际机器人领域的一个前沿研究热点ｌ¨。

当前社会一方面信息高速发展和工作、生活节奏的加快，需要人们从繁杂的家庭劳动中解脱出来；另一方面随着中国老龄人口基数不断变大，更多的老人需要照顾，对医疗保障和社会服务的需求也更加紧迫【２ｌ。而目前我国养老助老服务的现状并不尽如人意。中国多年的计划生育政策之后，已经形成了人口倒金字塔结构，老龄化家庭结构必然使

Ｉ更多的年轻家庭压力增大，而且生活节奏的加快和工作的压力，使得年轻人没有更多时ｋ间照顾老人和陪伴自己的孩子，随之酝酿而生的将是广大的家庭服务机器人市场，例如

家庭护理机器人、医疗机器人、安控机器人、清洁机器人将是最为需要的。在国外一些机器人已经实验性的进入医院、家庭，从事部分辅助服务工作，相信在中国随着市场潜在需求的成熟，也将有更多的服务机器人走入寻常百姓家１３】。

据国家统计局发布的第六次全国人口普查数据显示，我国６０岁以上人口占总人口的１３．６％，同２０００年统计数据相比上升了２．９３个百分点，中国是世界上唯一一个老年人口过亿的国家。我国人口老龄化形势进一步加剧，而机器人系统在医疗和康复理疗领域的

＾成功应用已经证明，医疗康复机器人不仅有效的改善了病人的健康状况，还可以提供更

、≯

完善的健康护理【４ｌ。我国８６３计划中，服务机器人已经列入重点项目给予大力支持［５１。

中医推拿是我国医学的重要组成部分，它是以我国医学理论为指导，以经络腧穴学说为基础，以按摩为主要施治，用来防病治病的一种手段。据调查，目前各医院仍由有经验的中医师用人工推拿的各种手法对病人进行按摩治疗，一个疗程下来，医生需要付出大量的体力劳动，而将这项工作由中医按摩机器人来完成，将是解决我国人口老龄化所带来的一系列问题的最优方案。目前，市场中出现了一些模拟按摩推拿手法的仪器，如利用电磁力作用来振动的各种按摩器和按摩椅，这些仪器智能化水平较低，按摩方式相对比较单一，只能起到放松、保健、缓解及消除疲劳的作用，往往达不到治疗疾病的

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目的或者治疗效果不理想［６１。因此，将中医推拿理论和机器人技术相结合，开发出能够替代中医推拿师，并能够应用于Ｉｌ缶床的中医按摩机器人不仅具有重要的理论意义，对社会还有非常重要的实用价值【４，６Ｊ。

在工业生产中应用的工业机器人，一般采用示教或者离线编程的方式对加工任务进行路径规划和运动编程，加工过程只是简单的重复预先编程设定动作。当加工对象状态发生改变时，会大大的影响加工的质量。利用视觉系统能够实时检测加工对象的信息，并应用人工智能的理论和方法对这些信息处理和提取，可以提高工业机器人的智能化水平，从而即使目标状态发生改变，仍可以对目标进行有效正确的处理嘲。

示教和离线编程占用了大量的生产时间，在小批量多品种对象的加工时，该问题尤为突出，工业机器人发展的同时，家庭智能机器人的需要也在不断增加。对于中医按摩机器人每次需要对不同的人进行按摩，每人的身高、胖瘦不同，穴位信息也就不同，控制方式不宜采用示教和离线编程。因此，对中医按摩机器人的视觉系统的研究，不仅可以提高中医按摩机器人的智能化水平，还可以提高按摩机器人的灵活性。在有限的时间内，为更多的疾病患者提供按摩推拿服务。

本课题利用模式识别、图像处理、机器人运动学以及控制理论技术，设计了一种基于视觉的中医按摩机器人穴位定位与跟踪系统，该系统对人体穴位和腿部所贴的人工标志进行识别和定位，为中医按摩机器人的运动控制提供方位信息；同时对人体的移动信息进行处理和提取，可以有效的解决按摩时，由于人体的移动造成的按摩位置和穴位位置发生偏离问题。

１．２基于视觉的机器人国内外研究现状

从２０世纪７０年代末和８０年代初，Ｍａｎ＂教授创立视觉计算理论以来，视觉理论和技术一直是一个倍受关注的问题，视觉计算理论为计算机视觉的研究建立了一个非常重要的框架；至今，各国的机器人视觉研究者依然按照Ｍａｒｒ提出的基础理论框架，对理论所述的各个研究层次与视觉系统的各个阶段中的各种功能模块进行大量的研列７１。

视觉作为人最主要的获取信息的感官，也被认为是机器人最重要的感知能力。对于机器人视觉，我们的主要任务是为机器人构造视觉系统，使得机器人能如同人一样，利用视觉以智能和灵活的方式去对周围的环境做出反应。随着机器人应用领域不断提出更高的要求，机器人视觉系统也将越来越复杂１７Ｊ。

１９９７年美国研制的探路者空间移动机器人，完成了对火星表面的实地探测，取得了大量有价值的火星资料，为人类研究与利用火星做出了贡献，被誉为２０世纪自动化最高

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成就之一。

２００３年，美国国家航空航天局分别向火星发射了“机遇”号和“勇气”号火星探测机器人。它们的任务是寻找火星上水和生命的踪迹。至今它已经传回无数的有价值的图像资料。它们采用双目立体视觉导航，是人类向火星发送的最精密的机器人。

２００５年美国研制的军用机器人赴伊拉克参战，它成为美国战争史上第一个参加实战

●的机器人，本方控制者是通过机器人本体上的摄像机确定敌方目标，遥控距离最远０．５

公里，最快移动速度是５．２公里／ｄ，时。

美国研制的ＧＳＲ侦察机器人是由ＭＩｌ４装甲人员输送车改装的，上面装有１５台微处理器、卫星导航接收机、声学临近传感器、激光测距机、磁罗盘和一台高分辨率的摄像机等。摄像机装在一个由计算机控制的平台上。如果没有外部导航，该车可以自主地跟踪其它车辆越过障碍物。

英国最新研制的ＳｕｐｅｒＭ排爆机器人的摄像机可以在距地面６５毫米工作。ＳｕｐｅｒＭ机器人采用橡胶履带，最大速度为５５米／分，它有一整套的无线电控制系统及各种设备，其中包括一部彩色电视摄像机、一支猎枪和两个爆炸物排除装置。该车由两组耐用的１２伏电池驱动，并装有一个电动制动系统，使其在通过陡坡时能准确地动作。

日本本田公司研发的双脚步行机器人“阿西莫”成为世界上真正会跑的机器人，它的跑步时速达６公里／小时，步行时速２．５公里／小时。此外啊西莫”还能将预先存储的地图信息和传感器获得信息结合起来，从而自行纠正误差，在行走时避开障碍物。

国内对视觉机器人研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，但陆续也取得了一定的成果。

ＣＡＳＩＡ－Ｉ是由中国科学院自动化所自行设计和研制的全方位移动式视觉导航机器人。该机器人基本结构包括传感器、控制器和运动结构，传感器由位于底层的１６个红外

‘‘－曲传感器、机器人中间两成的１６个超声传感器和１６个红外传感器，以及位于机器人项部

的视觉传感器组成。ＣＡＳＩＡ－Ｉ在多传感器信息融合的基础上完成对周围环境的感知。

另外还有香港城市大学研制的自动导航车和服务机器人，中国科学院沈阳自动化所研制的自动导引车辆系统（ＡＧＶ）和“灵蜥一Ｂ”反恐防爆机器人。山东建筑大学鲁守银教授等人研制的中医按摩机器人样机２０１０．８．１２已经通过国家８６３计划先进制造和自动化技术领域机器人技术主题专家组的考核。２０１０．１２．２６该项目通过了省科技厅组织的科技成果鉴定，并获得了国际领先水平的鉴定结论。如图１．１所示，中医按摩机器人主要由视觉模块、能够实现中医按摩手法的按摩机构、多姿态按摩调节

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平台、按摩机器人本体机构、基于人体穴位、生理指标参数和中医按摩知

专家系统、多模态人机交互控制模块、安全保障模块等主要部分组成。该

多种空间按摩运动手法，可以替代中医按摩师对病人进行按摩治疗，可以

医疗保健资源约束、社会人口结构老龄化问题日趋严重的问题【们。

图１．１第一期中医按摩机器人样机

２０１１年８月鲁守银教授等人完成了国家８６３项目第二期中医按摩机

制，如图１．２所示。该机器人由一个机械臂完成按摩服务。相对于第一期中医按摩机器人，不仅大大降低了设计成本，为以后的市场化和产品化打下了基础，其稳定性和智能化水平也有了较大的提高。该机器人是单臂结构，机械手在其工作空间可以实现对人体背部穴位５种按摩手法的按摩。

圈１．２第二期中医按摩机器人样机

１．３视觉伺服系统的类型

最早出现的基于视觉机器人系统，采用的是静态ｌｏｏｋ－ａｒａｌ－ｍｏｖｅ方式ｆ９ｌ，即先由视觉系统采集图像并进行相应处理，然后通过计算估计目标的位置来控制机器人运动。在摄像机获取图像前机器人本体必须完全停止运动，这种操作精度直接与视觉传感器、机械手及控制器的性能有关，这使得机器人很难跟踪运动的物体，无法对快速变化的环境做出反应。到８０年代，计算机和图像处理硬件技术得到发展，使得视觉信息可以连续的反。■，产

山东建筑大学硕士学位论文

，于是机器人出现了基于视觉伺服（ｖｉｓｕａｌｓｅｒｖｏ）的控制形式。这种方式可以克服模型（包括机器人、环境）存在的不确定性，提高视觉系统的定位和跟踪精度。由于视觉伺服控制在灵活性和精度方面都明显优于基于传统传感器的机器人控制，而且能够对机器人标定误差具有较强的鲁棒性。以上的优点决定了机器人视觉伺服在较短的时间里成为机器人研究领域中的热点之一，并在工业生产、海洋探测、医疗服务等众多领域得到成功应用。视觉伺服的概念最早是由ｈｉｌｌ和ｐａｒｋ提出，常见于机器人研究领域；它是利用一些光学装置捕捉图像，将图像作为反馈信息，形成机器人的闭环反馈控制。

目前，机器人视觉伺服控制系统主要有以下几种分类方式：

ｒｙｅ．ｔａ－Ｉｋｍｓｄ

曰

旬目标

图１．３手眼系统示意图

ｌ、根据摄像机和机器人的相对位置，分为Ｅｙｅ．ｉｎ－Ｈａｎｄ系统和Ｅｙｅ－ｔｏ－Ｈａｎｄ系统【９１。前者摄像机安装在机器人手部末端（Ｅｎｄ－Ｅｆｆｅｃｔｏｒ），在机器人工作过程中，随机器人一起运动。后者摄像机安装在机器人本体外的固定位置，在机器人工作过程中不随机器人一起运动。如图１．３所示。

理论上，Ｅｙｅ．ｉｎ－ｈａｎｄ手眼系统能够实现对机器人精度的控制，但是机器人实际运行过程中，手眼系统对系统的标定误差和机器人运动学误差敏感。Ｅｙｅ．ｔｏ．ｈａｎｄ系统对运动学误差不敏感，但是控制精度不如Ｅｙｅ－ｉｎ－ｈａｎｄ手眼系统。

２、根据机器人视觉系统中摄像机的数目，视觉系统可分为单目视觉系统，双目视觉系统和多目视觉系统等。

单目视觉系统得到的是二维信息，图像中物体的深度信息需要其他方法获得。双目视觉控制系统可以获得图像中日标的深度信息。多目视觉控制系统可以获得目标不同角度的图像，信息更加丰富。但随着视觉系统摄像机数目的增多，系统的稳定性就越难以保障。

３、根据测量方式的不同，即是否为自然测量，视觉系统可以分为被动视觉和主动视觉两大类。被动视觉就是指自然测量，如双目视觉。主动视觉又可以分为结构光主动视觉和变参数主动视觉测量。

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基

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１．４．１研究意义

随着机器人研究领域的飞速发展，机器人已在各种工业、农业、商业及国防等领域获得越来越普遍的应用。机器人逐渐成为人类新型的生产工具，在提高生产效率、解决复杂的工作环境和减轻劳动强度方面，具有很大的优越性。医疗康复机器人作为一种新型的、智能化的医疗康复设备，在护理、治疗和救护方面都表现出了很大的优越性【ｌ¨。

目前，世界上很多国家已经进入老龄化社会，据世界卫生组织统计，在经过５０年，全世界６０岁以上的老龄人口将翻一番；而我国第六次全国人口普查数据显示，我国６０岁以上人口占总人口的１３．６％，同２０００年统计数据相比上升了２．９３个百分点。养老任务进一步加剧，另外疾病、自然灾害和交通事故等也照成了大量的残疾人，他们同样需要大量的护理、医疗及康复服务。

推拿学是中医学的一个重要分支，是中国古代劳动人们在长期与疾病作斗争的过程中总结的精华，推拿不仅对落枕、颈椎病、肩周炎等疾病具有良好的治疗效果，还可以起到放松、保健、缓解以及消除疲劳的作用，对疾病达到预防和辅助治疗的作用。中医按摩机器人研发成功，可以有效的缓解医疗服务中推拿师资源匮乏的问题，因此，对如何提高按摩机器人的工作效率、稳定性和治疗效果，是以后中医按摩机器人研究的主要任务。

１．４．２研究的目的

本课题以中医按摩机器人的穴位定位和跟踪、按摩手法实现、生理指标检测，中医按摩知识的保健按摩专家系统为应用背景，采用单目视觉伺服控制系统，来研究中医按摩机器人视觉伺服问题。研究目的主要是特定的应用环境开发出一种具有实用价值的中医按摩机器人视觉伺服系统，以满足实际临床运行对中医按摩机器人的要求。

１．５中医按摩机器人视觉系统主要研究内容本文针对按摩机器人对穴位和腿部姿态的识别和定位，研究单目视觉伺服在系统中．，＾．＇

山东建筑大学硕士学位论文

得应用。实现中医按摩机器人通过视觉对穴位和腿部姿态进行识别和定位。本文的主要研究内容如下：

（１）对中医按摩机器人进行运动学分析，运用Ｄ－Ｈ（Ｄｅｎａｖｔ－Ｈａｒｔｅｎｂｅｒｇ）表示法对中医按摩机器人建立运动学模型，并在此基础上，推导出运动学模型中的正、逆问题．

（２）摄像机标定技术的研究。摄像机标定技术一直是计算机视觉的研究热点，是实现视觉控的关键技术和前提。传统的标定方法标定过程繁琐，且需要求解非线性方程组。虽然自标定技术和主动视觉标定技术有了较快的发展，但其鲁棒性不好，且精度不高。本文提出采用一种单目二维视觉测量的摄像机标定方法。该方法利用两个已知点坐标就可以实现摄像机的参数标定。

（３）按摩机器人视觉伺服系统中，图像的采集和预处理。简单介绍了ｕＥｙｅ摄像头的参数，及图像处理的方法和处理过程，针对具体的目标，较详细的对各种图像分割算法和边缘检测技术进行了研究和对比，最终选择了比较合适的边缘检测方法。

（４）针对多目标问题，本文对Ｈｏｕｇｈ变换、相关灰度匹配算法和ＳＩ】ＦＴ特征匹配算法进行了研究。并对着三种算法进行了对比，分析了前两者的局限性，进而提出了基于优化的ＳＩＦＴ特征匹配的穴位定位技术，实现了对多个穴位目标快速、稳定的定位。同时，针对人体腿部的特征，及Ｈｏｕｇｈ变换可以对直线快速检测的特性，本文提出采用基于概率Ｈｏｕｇｈ变换的人体腿部位姿的检测技术，实现了人体两腿的位姿测量。

（５）完成了基于视觉的中医按摩机器人控制系统设计。在前述理论研究和分析基础之上，并结合本文的研究对象中医按摩机器人单目视觉机器人系统，建立了整个机器人单目视觉伺服系统的框架结构。在对中医按摩机器人运动学正、逆问题分析的基础上，利用视觉信息完成了机器人对多目标识别和定位的实验研究。