在LabVIEW平臺(tái)上進(jìn)行氣動(dòng)人工肌肉運(yùn)動(dòng)位移測量系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

氣動(dòng)人工肌肉也稱氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)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(dòng)人工肌肉響應(yīng)快、可靠性高，同時(shí)擁有柔性而且輕盈，這使得它對人類來說，比其他的驅(qū)動(dòng)器更安全。隨著機(jī)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(yùn)動(dòng)位移的測量主要通過在肌肉末端連接一個(gè)滑動(dòng)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(shí)，這種方法對人工肌肉的運(yùn)動(dòng)也會(huì)造成一定的影響，所以，實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往不很理想。本文在虛擬儀器平臺(tái)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(jì)

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(shí)也簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。圖1所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

2 軟件設(shè)計(jì)

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(gè)一個(gè)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(dòng)、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(shí)有用于圖像采集的驅(qū)動(dòng)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(jì)需要的值。本設(shè)計(jì)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(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(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(dòng)進(jìn)行。

2.3 特征點(diǎn)的提取

對于圖像處理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性是經(jīng)常要關(guān)注的問題。本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(shí)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(jì)需要獲得氣動(dòng)人工肌肉兩端金屬扎環(huán)的圖像信息，并以此來計(jì)算伸縮長度。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(biāo)記，并將右端的紅點(diǎn)作為輔助坐標(biāo)。

為了提高實(shí)時(shí)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。

2.4 目標(biāo)檢測與距離測量

檢測出提取到的信息點(diǎn)后，還應(yīng)測得它們的坐標(biāo)，進(jìn)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(jù)LabVIEW的編程特點(diǎn)，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(tǒng)的用戶測量界面圖。

4 結(jié)束語

本文在虛擬儀器軟件LabVIEW平臺(tái)下開發(fā)的氣動(dòng)人工肌肉運(yùn)動(dòng)位移測量系統(tǒng)具有較好的可靠性和實(shí)時(shí)性，但在軟件和硬件調(diào)試過程中也發(fā)現(xiàn)了一些弊端，如視覺處理系統(tǒng)對光照的要求比較高，而且攝像機(jī)和被測物體的距離要絕對的固定，否則所有測量結(jié)果將出現(xiàn)較大程度的偏差，所以，在軟件設(shè)計(jì)過程中應(yīng)該考慮到這些因素，應(yīng)將程序設(shè)計(jì)成為向?qū)降慕Y(jié)構(gòu)，并提高系統(tǒng)的移植性，這也是本系統(tǒng)需要完善的地方。