專利名稱：定位控制裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人機(jī)交互與控制技術(shù)，特別是涉及一種用于控制機(jī)械臂的定位控制裝置和方法。
背景技術(shù)：
根據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)功能障礙群體已成為世界上最大的少數(shù)群體，大約有10%的世界人口即6. 5億生活在各類身體殘疾中?！皫椭鷼埣踩丝祻?fù)”已成為我國政府要解決的重大民生問題之一。假肢的研究與開發(fā)，對幫助運(yùn)動(dòng)功能缺失的殘疾人康復(fù)或進(jìn)行正常生活的具有重要意義。電動(dòng)機(jī)械假肢可以看成是一種與人體緊密接觸的機(jī)器人。與傳統(tǒng)假肢不同，電動(dòng)機(jī)械假肢具備自行運(yùn)動(dòng)的能力，更有助于幫助患者進(jìn)行正常的生活。 如今，電動(dòng)機(jī)械假肢(機(jī)械臂)機(jī)構(gòu)制作技術(shù)較為成熟。但是，這些電動(dòng)機(jī)械假肢機(jī)構(gòu)都依賴于人對假肢的操作控制，而對于有些迫切需要這類機(jī)械假肢的殘疾人，他們雙臂都失去了行動(dòng)能力，無法完成基于操縱桿的復(fù)雜控制操作。有一種較為熱門的技術(shù)是目標(biāo)肌肉神經(jīng)分布重建(Targeted MuscleRe-innervations, TMR)技術(shù)，即采用接駁神經(jīng)信號(hào)的方法，對殘疾人剩余肢體的肌電信號(hào)進(jìn)行提取和識(shí)別，恢復(fù)肢體控制信號(hào)，進(jìn)行假肢控制。但是，由于人體神經(jīng)信號(hào)差異較大而且不穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)精確的控制動(dòng)作，且使用前需要長期的適應(yīng)性訓(xùn)練。而其他大部分的電動(dòng)機(jī)械假肢的控制方法依賴于殘疾人仍然能運(yùn)動(dòng)的肢體，對于行動(dòng)能力缺失較為嚴(yán)重的殘疾人不太適用，而這些人恰恰是對電動(dòng)機(jī)械假肢需求最大的人群。

發(fā)明內(nèi)容
基于此，有必要提供一種操作更方便的用于控制機(jī)械臂的定位控制裝置和方法?！N定位控制裝置，包括激光發(fā)射器、第一攝像頭、第二攝像頭、第三攝像頭、圖像獲取模塊、圖像識(shí)別模塊、平面定位模塊、空間定位模塊，所述激光發(fā)射器用于向外發(fā)射光路相同的可見激光和紅外激光；所述第一攝像頭和所述第二攝像頭用于拍攝紅外圖像；所述第三攝像頭用于拍攝彩色圖像，且所述第一攝像頭、所述第二攝像頭、所述第二攝像頭的光軸平行；所述圖像獲取模塊用于獲取所述第一攝像頭和所述第二攝像頭拍攝的所述紅外圖像；所述圖像識(shí)別模塊用于識(shí)別出所述第一攝像頭和所述第二攝像頭拍攝的所述紅外圖像中滿足預(yù)設(shè)條件的紅外激光光斑；所述平面定位模塊用于以所述紅外圖像中心為原點(diǎn)，得到所述二幅紅外圖像中紅外激光光斑的坐標(biāo)；
所述空間定位模塊用于根據(jù)所述兩幅紅外圖像中所述紅外激光光斑的坐標(biāo)，以及所述第一攝像頭和所述第二攝像頭的間距，所述第一攝像頭和所述第二攝像頭焦距，計(jì)算得到所述紅外激光光斑的空間坐標(biāo)。其中一個(gè)實(shí)施例中，所述第一攝像頭、所述第二攝像頭、所述第三攝像頭的光軸平行且焦距相同，并位于一條直線上，且所述第 三攝像頭位于所述第一攝像頭和所述第二攝像頭的中間。
其中一個(gè)實(shí)施例中，所述紅外激光光斑空間坐標(biāo)是以所述第一攝像頭和所述第二攝像頭中心連線的中點(diǎn)作為空間坐標(biāo)原點(diǎn)0，所述第一攝像頭和所述第二攝像頭中心連線為X軸，垂直向上為Y軸，向前為Z軸。其中一個(gè)實(shí)施例中，所述圖像識(shí)別模塊用于提取出包含紅外激光點(diǎn)的二值圖像Ibin(X，y)，并找到二值圖像Ibin(X，y)中的所有連通域，且通過下列公式識(shí)別二值圖像中紅外激光光斑對應(yīng)的連通域
權(quán)利要求
1.一種定位控制裝置，其特征在于，包括激光發(fā)射器、第一攝像頭、第二攝像頭、第三攝像頭、圖像獲取模塊、圖像識(shí)別模塊、平面定位模塊、空間定位模塊， 所述激光發(fā)射器用于向外發(fā)射光路相同的可見激光和紅外激光； 所述第一攝像頭和所述第二攝像頭用于拍攝紅外圖像； 所述第三攝像頭用于拍攝彩色圖像，且所述第一攝像頭、所述第二攝像頭、所述第三攝像頭的光軸平行； 所述圖像獲取模塊用于獲取所述第一攝像頭和所述第二攝像頭拍攝的所述紅外圖像； 所述圖像識(shí)別模塊用于識(shí)別出所述第一攝像頭和所述第二攝像頭拍攝的所述紅外圖像中滿足預(yù)設(shè)條件的紅外激光光斑； 所述平面定位模塊用于以所述紅外圖像中心為原點(diǎn)，得到所述二幅紅外圖像中紅外激光光斑的坐標(biāo)； 所述空間定位模塊用于根據(jù)所述兩幅紅外圖像中所述紅外激光光斑的坐標(biāo)，以及所述第一攝像頭和所述第二攝像頭的間距，所述第一攝像頭和所述第二攝像頭焦距，計(jì)算得到所述紅外激光光斑的空間坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位控制裝置，其特征在于，所述第一攝像頭、所述第二攝像頭、所述第三攝像頭的光軸平行且焦距相同，并位于一條直線上，且所述第三攝像頭位于所述第一攝像頭和所述第二攝像頭的中間。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位控制裝置，其特征在于，所述紅外激光光斑空間坐標(biāo)是以所述第一攝像頭和所述第二攝像頭中心連線的中點(diǎn)作為空間坐標(biāo)原點(diǎn)O，所述第一攝像頭和所述第二攝像頭中心連線為X軸，垂直向上為Y軸，向前為Z軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位控制裝置，其特征在于，所述圖像識(shí)別模塊用于提取出包含紅外激光點(diǎn)的二值圖像Ibin(x，y)，并找到二值圖像Ibin(x，y)中的所有連通域，且通過下列公式識(shí)別二值圖像中紅外激光光斑對應(yīng)的連通域
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位控制裝置，其特征在于，假設(shè)所述第一攝像頭和第二攝像頭分別拍到的紅外圖像中的紅外激光光斑坐標(biāo)為和(xK，yK)，設(shè)兩個(gè)攝像頭間距為d毫米，焦距為f，所述空間定位模塊是通過以下公式得到紅外激光光斑的空間坐標(biāo)位置(X，Y，Z)
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的定位控制裝置，其特征在于，還包括圖像提取模塊、圖像定位模塊、物體識(shí)別模塊和大小計(jì)算模塊， 所述圖像提取模塊用于獲所述取第三攝像頭拍攝的彩色圖像。
所述圖像定位模塊用于根據(jù)所述第一攝像頭、所述第二攝像頭、所述第三攝像頭的位置關(guān)系，以及所述紅外激光光斑的空間坐標(biāo)，得到所述紅外激光光斑在所述彩色圖像中的位置坐標(biāo)； 所述物體識(shí)別模塊用于在所述彩色圖像中，以所述紅外激光光斑在彩色圖像中的位置坐標(biāo)為中心，提取預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的局部圖像，統(tǒng)計(jì)顏色直方圖得到顏色分量最大的RGB顏色值，并用漫水法在所述彩色圖像中擴(kuò)張?zhí)畛洌玫綌U(kuò)充區(qū)域； 所述大小計(jì)算模塊用于獲取所述擴(kuò)充區(qū)域的像素長寬參數(shù)，并根據(jù)該像素長寬參數(shù)，所述紅外激光光斑的空間坐標(biāo)、所述第三攝像頭的焦距計(jì)算得到物體的實(shí)際長寬。
7.—種定位控制方法，其特征在于，包括如下步驟 通過激光發(fā)射器發(fā)射光路相同的可見激光和紅外激光； 通過兩個(gè)紅外攝像頭拍攝紅外激光光斑所在區(qū)域的紅外圖像； 通過一個(gè)彩色攝像頭拍攝可見激光光斑所在區(qū)域的彩色圖像； 獲取所述兩幅紅外圖像； 識(shí)別出所述紅外圖像中的紅外激光光斑； 以所述紅外圖像中心為原點(diǎn)，得到二幅所述紅外圖像中所述紅外激光光斑的坐標(biāo)。根據(jù)所述兩幅紅外圖像中所述紅外激光光斑的坐標(biāo)，所述兩個(gè)紅外攝像頭的間距，以及所述兩個(gè)紅外攝像頭的焦距，計(jì)算得到所述紅外激光光斑的空間坐標(biāo)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位控制方法，其特征在于，還包括如下步驟 獲取所述彩色攝像頭拍攝的彩色圖像； 根據(jù)所述二個(gè)紅外攝像頭和所述彩色攝像頭的位置關(guān)系，以及所述紅外光斑的空間坐標(biāo)，得到所述紅外激光光斑在所述彩色圖像中的位置坐標(biāo)； 在所述彩色圖像中，以所述紅外激光光斑在彩色圖像中的位置坐標(biāo)為中心，提取預(yù)設(shè)范圍內(nèi)的局部圖像，統(tǒng)計(jì)顏色直方圖得到顏色分量最大的RGB顏色值，并用漫水法在彩色圖像中擴(kuò)張?zhí)畛?，得到擴(kuò)充區(qū)域； 獲取所述擴(kuò)充區(qū)域的像素長寬參數(shù)，并根據(jù)該像素長寬參數(shù)，所述紅外激光光斑的空間坐標(biāo)、所述彩色攝像頭的焦距計(jì)算得到物體的實(shí)際長寬。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位控制方法，其特征在于，所述兩個(gè)紅外攝像頭和彩色攝像頭在同一直線上且等間隔布置，彩色攝像頭位于兩個(gè)紅外攝像頭中間，三個(gè)攝像頭的光軸平行，焦距相同。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的定位控制方法，其特征在于，所述識(shí)別出所述紅外圖像中的紅外激光光斑的步驟是 先通過亮度閾值去除背景，提取出包含所述紅外激光點(diǎn)的二值圖像Ibin(X，y)； 再找到二值圖像Ibin(x，y)中的所有連通域，并通過下列公式識(shí)別二值圖像中所述紅外激光光斑對應(yīng)的連通域
全文摘要
一種定位控制裝置包括激光發(fā)射器，用于向外發(fā)射光路相同的可見激光和紅外激光；第一攝像頭和第二攝像頭，用于拍攝紅外圖像；第三攝像頭，用于拍攝彩色圖像；圖像識(shí)別模塊，用于識(shí)別出紅外圖像中滿足預(yù)設(shè)條件的紅外激光光斑；平面定位模塊，用于以紅外圖像中心為原點(diǎn)，得到紅外激光光斑的坐標(biāo)；空間定位模塊，用于根據(jù)紅外激光光斑的坐標(biāo)，以及第一攝像頭和第二攝像頭的間距和焦距，計(jì)算得到紅外激光光斑的空間坐標(biāo)。本發(fā)明還提供一種采用的方法。上述裝置和方法通過可見激光和不可見的紅外激光配合運(yùn)用，用戶只需簡單的利用頭部晃動(dòng)，將可見激光照射到需要操作的物體上，便實(shí)現(xiàn)了定位功能，對四肢不便的用戶來說，機(jī)械假肢的控制變得更加簡單。
文檔編號(hào)A61F2/68GK102871784SQ20121035539
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月21日
發(fā)明者江國來, 歐勇盛, 戴大偉, 唐成, 彭安思, 杜邊境, 方青松, 徐揚(yáng)生 申請人:中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院