基于機(jī)器視覺的壓力傳感數(shù)據(jù)手套及其抓握過程判斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械電子與信息處理技術(shù)，尤其涉及一種基于機(jī)器視覺的壓力傳感數(shù)據(jù)手套及其抓握過程判斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]手部主要負(fù)責(zé)運(yùn)動功能中精細(xì)的活動和工作，其靈活程度和運(yùn)動準(zhǔn)確性，與人體日常生活能力、生活質(zhì)量以及社會活動密切相關(guān)。在醫(yī)療康復(fù)中，腦卒中偏癱患者存在手部運(yùn)動功能障礙，帕金森病患者伴有的手部震顫、運(yùn)動遲緩也會導(dǎo)致手部運(yùn)動功能障礙；在工程中，流水線作業(yè)工人的手部疲勞機(jī)理以及人對各種勞動負(fù)荷的適應(yīng)能力檢測也是至關(guān)重要的。
[0003]針對腦卒中和帕金森患者，傳統(tǒng)的臨床治療和評估方法為治療師對患者進(jìn)行一對一的康復(fù)訓(xùn)練，由于檢測師和治療師的缺乏，以及居家重復(fù)性訓(xùn)練需要專業(yè)人員的指導(dǎo)與評估，進(jìn)而調(diào)整訓(xùn)練治療方案，信息化技術(shù)輔助檢測和康復(fù)治療應(yīng)運(yùn)而生。
[0004]近年來亦出現(xiàn)了一些能夠進(jìn)行手部跟蹤的手套申請專利，一種為依靠光纖或壓電傳感器實(shí)現(xiàn)測量的(申請?zhí)枮?01310149065.8的中國發(fā)明專利和申請?zhí)枮?00810222477.9的中國發(fā)明專利)，另一種是依靠攝像頭捕捉手套上標(biāo)志點(diǎn)實(shí)現(xiàn)測量(申請?zhí)枮?01010507844.7的中國發(fā)明專利)，盡管這些系統(tǒng)也可以跟蹤手部運(yùn)動，但前者存在觸覺信息的局部性，需要通過增加傳感器的數(shù)目提高測量的精度，而傳感器數(shù)目的增加，將大大提高數(shù)據(jù)手套的制造難度；后者存在視覺空間信息因受光線和遮擋等導(dǎo)致的跟蹤精準(zhǔn)性問題。要提高捕捉精度需要增多攝像頭數(shù)目，攝像頭數(shù)目的增多使整個處理系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，處理效率低，對PC機(jī)要求高，增加開發(fā)成本，導(dǎo)致價格昂貴，不適合在用戶群中推廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明提供一種基于機(jī)器視覺的壓力傳感數(shù)據(jù)手套及其抓握過程判斷方法，其更準(zhǔn)確地進(jìn)行跟蹤和判斷，并且價格低廉，攜帶方便，便于在用戶群中推廣。
[0006]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是:本發(fā)明提供一種基于機(jī)器視覺的壓力傳感數(shù)據(jù)手套，其特征在于，其包括彩色攝像頭模塊、工作臺面板、PC機(jī)和數(shù)據(jù)手套本體；彩色攝像頭模塊置于工作臺面板的上方，通過視頻USB傳輸線與PC機(jī)相連；數(shù)據(jù)手套本體置于彩色攝像頭模塊和工作臺面板中間，通過高速USB傳輸線與PC機(jī)相連。
[0007]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)手套本體包括封裝于數(shù)據(jù)手套本體內(nèi)部手背一側(cè)的數(shù)據(jù)采集和控制模塊、封裝于數(shù)據(jù)手套本體內(nèi)手背一側(cè)的振動傳感器片、標(biāo)志點(diǎn)和封裝于數(shù)據(jù)手套本體內(nèi)手掌一側(cè)的壓力傳感器片，壓力傳感器片位于抓握物體時手與物體相接觸的指節(jié)節(jié)點(diǎn)上，振動傳感器片位于數(shù)據(jù)手套本體內(nèi)手掌背一側(cè)的皮膚敏感區(qū)域上，壓力傳感器片、振動傳感器片的引出線封裝于數(shù)據(jù)手套本體內(nèi)部經(jīng)手背一側(cè)與數(shù)據(jù)采集和控制模塊相連。
[0008]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集和控制模塊包括放大器模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊和振動傳感器控制模塊；放大器模塊對壓力傳感器的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大，數(shù)據(jù)采集處理模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測、處理和轉(zhuǎn)換，并通過高速USB傳輸線將數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳輸?shù)絇C機(jī)；所述振動傳感器控制模塊接收PC機(jī)的反饋信息，對反饋信息進(jìn)行處理并驅(qū)動振動傳感器片產(chǎn)生振動。
[0009]優(yōu)選地，所述放大器模塊包括電壓放大芯片和Vi 口，電壓放大芯片可將壓力傳感器片所采集到的微弱信號進(jìn)行放大，通過Vi 口輸入數(shù)據(jù)采集處理模塊。
[0010]優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集處理模塊包括第一單片機(jī)、USB host控制器、高速RAM和FLASH數(shù)據(jù)存儲，第一單片機(jī)控制整個壓力信號的采集、處理，USB host控制器用來控制USB總線接口與傳感器片進(jìn)行命令以及數(shù)據(jù)交換，同時告訴RAM可以用來數(shù)據(jù)緩沖，而FLASH數(shù)據(jù)存儲可以用來保存?zhèn)鞲衅髌瑪?shù)據(jù)。
[0011]優(yōu)選地，所述振動傳感器控制模塊包括第二單片機(jī)和傳感器控制電路板，第二單片機(jī)通過傳感器控制電路板控制振動傳感器片的起振時間、振動時間和振動量大小。
[0012]本發(fā)明還提供一種基于機(jī)器視覺的壓力傳感數(shù)據(jù)手套的抓握過程判斷方法，其特征在于，其包括如下步驟:
步驟一，系統(tǒng)初始化步驟:手部帶好數(shù)據(jù)手套本體，手和標(biāo)準(zhǔn)物放在指定位置，視覺模塊啟動并且初始化，觸覺模塊啟動并且初始化；
步驟二，視覺數(shù)據(jù)采集步驟，視覺模塊獲取標(biāo)準(zhǔn)物和手套上標(biāo)志點(diǎn)的質(zhì)心，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)物和數(shù)據(jù)手套上的標(biāo)志點(diǎn)的位置跟蹤；
步驟三，觸覺數(shù)據(jù)采集步驟，觸覺模塊獲取壓力數(shù)據(jù)；
步驟四，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理步驟，壓力數(shù)據(jù)與接觸壓力閾值比較；壓力數(shù)據(jù)小于接觸壓力閾值，若是，進(jìn)入步驟二 ；否則進(jìn)入下一步驟，并且記錄數(shù)據(jù)，包括抓握操作時間、抓握速度、抓握加速度、抓握路徑和位移等；
步驟五，壓力數(shù)據(jù)小于抓握閾值，若不是，抓握成功，振動傳感器產(chǎn)生振動，開始抓握；若是，進(jìn)入步驟二；
步驟六，開始抓握，完成抓握:在規(guī)定的時間里完成抓握動作；
步驟七，結(jié)束。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的優(yōu)點(diǎn):
一，本發(fā)明由于將視覺空間信息的廣域性，以及觸覺的局部信息的精準(zhǔn)性相結(jié)合，可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行跟蹤和判斷，并且價格低廉，攜帶方便，便于在用戶群中推廣。
[0014]二，本發(fā)明采用特殊彈性布料制作，且傳感器均具有柔性、可彎曲特點(diǎn)，傳感器連接線內(nèi)置，可使用戶在進(jìn)行手部康復(fù)訓(xùn)練過程中幾乎沒有任何機(jī)械阻力，實(shí)現(xiàn)“準(zhǔn)自然狀態(tài)”下檢測手部運(yùn)動信息，符合人機(jī)工程學(xué)理念。
[0015]三，本發(fā)明帶有振動反饋功能，給患者和測試者以真切的體驗(yàn)感覺。
【附圖說明】
[0016]圖1是聯(lián)合機(jī)器視覺的壓力傳感數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是數(shù)據(jù)手套本體的結(jié)構(gòu)圖。
[0018]圖3是手套手指截面圖。
[0019]圖4是手套手掌截面圖。
[0020]圖5是數(shù)據(jù)采集和控制模塊硬件架構(gòu)圖。
[0021]圖6是聯(lián)合機(jī)器視覺的壓力傳感數(shù)據(jù)手套的抓握判斷方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
參照圖1所示，本發(fā)明基于機(jī)器視覺的壓力傳感數(shù)據(jù)手套包括彩色攝像頭模塊1、工作臺面板3、PC機(jī)(或稱為“電腦”)4和數(shù)據(jù)手套本體5 ;彩色攝像頭模塊I置于工作臺面板3的上方，通過視頻USB傳輸線2與PC機(jī)4相連；數(shù)據(jù)手套本體5置于彩色攝像頭模塊I和工作臺面板3中間，通過高速USB傳輸線7與PC機(jī)4相連。
[0023]數(shù)據(jù)手套本體5包括封裝于數(shù)據(jù)手套本體5內(nèi)部手背一側(cè)的數(shù)據(jù)采集和控制模塊5-1、封裝于數(shù)據(jù)手套本體5內(nèi)手背一側(cè)的振動傳感器片5-2、標(biāo)志點(diǎn)5-3和封裝于數(shù)據(jù)手套本體5內(nèi)手掌一側(cè)的壓力傳感器片5-4，壓力傳感器片5-4位于抓握物體時手與物體相接觸的指節(jié)節(jié)點(diǎn)上，振動傳感器片5-2位于數(shù)據(jù)手套本體5內(nèi)手掌背一側(cè)的皮膚敏感區(qū)域上，壓力傳感器片5-4、振動傳感器片5-2的引出線封裝于數(shù)據(jù)手套本體5內(nèi)部經(jīng)手背一側(cè)與數(shù)據(jù)采集和控制模塊5-1相連。
[0024]彩色攝像頭模塊I作為視覺輸入設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)手部運(yùn)動跟蹤的硬件基礎(chǔ)，彩色攝像頭模塊I安裝在工作臺面板3的上方，距離工作臺面板3的安裝位置根據(jù)視覺捕捉范圍確定。彩色攝像頭模塊I捕捉到帶有標(biāo)志點(diǎn)5-3的數(shù)據(jù)手套本體5的圖像通過視頻USB傳輸線2上傳實(shí)時圖像到PC機(jī)4，最后通過PC機(jī)4將得到的圖像信息計(jì)算處理，實(shí)現(xiàn)標(biāo)志點(diǎn)5-3的檢測、識別和跟蹤，獲取手部關(guān)鍵點(diǎn)的位置信息，用戶手部的活動空間限制在工作臺面板3的范圍內(nèi)。
[0025]圖2是壓力傳感數(shù)據(jù)手套結(jié)構(gòu)圖，數(shù)據(jù)手套本體5采用白色柔軟材質(zhì)，以便系統(tǒng)識另IJ、跟蹤和適應(yīng)用戶手部運(yùn)動，系統(tǒng)的圖像處理模塊是根據(jù)圖2的標(biāo)志點(diǎn)5-3顏色特征進(jìn)行工作的。標(biāo)志點(diǎn)為分別采用3~5種不同的顏色的標(biāo)志點(diǎn)，封裝在數(shù)據(jù)手套的各指尖處，比如拇指及四指尖均用紅、綠、黃等不同顏色標(biāo)識，標(biāo)志點(diǎn)的形狀采用圓環(huán)形狀，避免遮擋，用戶的手部旋轉(zhuǎn)可能是任意的，圓環(huán)形狀標(biāo)志點(diǎn)增加了在任意角度捕捉成功的可能性。壓力傳感器采用柔性傳感器組，提高手部運(yùn)動舒適度。振動傳感器采用頻率范圍寬、動態(tài)范圍大、體積小和重量輕的振動傳感器，以適應(yīng)不同敏感程度的用戶對于振動力大小的需求。數(shù)據(jù)采集和傳感器控制模塊5-1將接受到的壓力信號進(jìn)行處理后上傳到PC機(jī)4，并且接受PC機(jī)4的反饋信號并且驅(qū)動振動傳感器5-2