基于视觉定位的按摩机器人穴位跟踪系统设计与研究

党丽峰，罗天瑞，施 琴

（镇江高等职业技术学校，江苏 镇江 212016）

0 引 言

按摩机器人按摩过程中，穴位的准确定位，是保障按摩效果的第一步。通常，按摩机器人按照预先设置好的按摩路径进行工作，工作过程中不会对患者的反应进行实时跟踪。按摩过程中，患者有一些移动或者机器人本身的移动误差不断叠加，都会造成按摩穴位的不准确，从而对按摩效果产生影响。所以，研制出一款能够判断患者在按摩过程中是否发生移动，实现对按摩穴位的动态跟踪，保证了按摩穴位的准确性的具有视觉定位和跟踪系统的按摩机器人显得尤为关键。

1 基于视觉定位的按摩机器人系统结构

根据患者的病症，智能跟踪定位人体穴位，实现按、揉、振、碾、拍等多种按摩手法，系统结构如图1所示。按摩师既可以在人机界面设置按摩方案，还能读取患者之前的按摩方案，进行调整。采用视觉系统，按摩过程中自动获得人体按摩穴位信息，并且自动构建个体各个穴位相对位置的信息库。

2 基于视觉定位的按摩机器人控制系统

本系统采用XCM-24/32T3-E 型运动PLC 作为主控制器，通过人机界面设置按摩方案和实时显示按摩穴位；视觉控制部分实时采集到患者的穴位信息，传输到PLC 控制中心，从而控制三平移机构带动按摩头运动到相应的穴位，实施按摩动作，系统的电气控制图如图2 所示。

本控制系统控制器：XCM-24/32T3-E 运动型PLC，人机界面：256 色的七寸屏TP760-T 触摸屏。三平移机构，每一个轴由一个台达ECMA-C20602RS伺服电机进行控制。视觉部分：相机需要拍摄的视野范围为500 mm×800 mm，每个贴标穴位的直径为10 mm，检测精度为1 mm，这样相机的像素（500/1）×（800/1）=500×800，约为40万像素的相机即可，但是为了提高穴位定位系统的精准度和稳定性，选取缺陷面积在3个像素点，这样，系统中选择120万像素的SV4-120M(C)X-sight 工业相机，微距（Macro）镜头和环形LED 光源。

3 按摩穴位图像处理

本系统中，在进行按摩之前，按摩师请患者穿上白色护士服，并且进行穴位的贴标。工业相机进行拍照，上传到X-sight 智能相机开发软件，进行图像预处理、定位和计数处理。

3.1 图像预处理

工业相机采集到人体按摩穴位图之后，为了消除图像中的无关信息，对穴位图像进行预处理。预处理的方法很多，通常包含灰度变换、边缘检测、腐蚀和平滑等[2]。穴位贴标是一个直径为10 mm 的圆，通过图像预处理，首先将穴位图进行规整，其次通过数学形态的腐蚀方法对穴位的边缘进行细化，理想的目标是将穴位的边缘细化成为一条单像素宽的线条。

本系统采用适合边缘检测的Sobel 算子，这个算子含两组3×3 的矩阵，分别用来表示横向GX和纵向GY模板，与原图像做平面卷积，从而得出GX和GY方向的亮度差分近似值[3]。在工程中，常用的检测图像边缘的模板如公式（1）所示：

（a）检测水平边沿的横向模板（b）检测垂直边沿的纵向模板

图像中每一个像素G 的横向GX、纵向GY梯度的近似值可以用公式（2）计算梯度的大小，公式（3）计算梯度的方向。

在X-sight 软件中，对穴位图像采用Sobel 算子进行边界提取的图像预处理，如图3 所示，采用Sobel 预处理算子处理过的穴位图像如图4 所示。

3.2 穴位图像的定位处理

采用斑点定位的方法对穴位进行定位，主要是根据穴位周长和面积定位，若检测区域出现周长面积类似的斑点，则采用形状定位的目标定位工具，穴位定位过程如图5 和图6 所示。

3.3 穴位的计数处理

采用X-sight 软件中的斑点计数工具，首先在学习区域进行斑点学习，然后设置搜索区域，按照设置好的匹配度对检测路径内的斑点进行计数。在本设计中，主要采用面积和边缘进行计数，斑点计数及处理过程如图7、图8 所示。

4 基于视觉的按摩机器人穴位跟踪系统的搭建

按摩过程中，实时跟踪患者的将要实施的按摩穴位和穴位坐标的变化，及时传递信号给中医按摩机器人的处理器，正确地实施按摩动作，穴位跟踪过程的流程图，如图9 所示。

选取检测路径中，相机左上方的12 斑点，作为按摩机器人末端执行器的初始参考点位置。根据目标穴位的向量信息，求取有效的移动向量视，并累加到初始坐标，获得检测点的新图像坐标。然后利用标定数据，将图像坐标转换成机器人运动参数，传递给机器人运动控制中心，使中医按摩机器人末端执行器位置进行调整。

5 系统调试

调试过程中：采用人机界面，首先对按摩的穴位和按摩的手法进行设置，存储在客户信息中，并且上传到按摩机器人的控制中心，如图10 所示。控制中心通过读取用户信息，控制三平移动机构带动按摩头进行按摩，按摩过程中视觉部分实时传递信息给控制中心，不断修正按摩头的位置，准确的穴位定位很好地保障了按摩推拿治疗效果。通过实验测试：该系统能够使按摩穴位的识别和定位精准度达到95%。