基于圖像識(shí)別的機(jī)械手臂的控制與設(shè)計(jì)

葉春

摘要：該文整合圖像識(shí)別與機(jī)械手臂的功能，成為一套自動(dòng)化嘴控開關(guān)遞送裝置的系統(tǒng)應(yīng)用。本系統(tǒng)在功能性以及實(shí)用性方面已臻完備，未來(lái)更期望能讓殘疾人員的使用者，可以利用本文提出的圖像識(shí)別系統(tǒng)與多種輔具裝置互動(dòng)，并加入人性化層面的考慮，以提升本系統(tǒng)的多功能性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：圖像識(shí)別；機(jī)械手臂

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）24-0206-02

1 引言

自動(dòng)化嘴控開關(guān)遞送裝置作為個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所架構(gòu)的圖像識(shí)別自動(dòng)化殘疾人員輔具的一例，采用高畫質(zhì)攝像機(jī)、馬達(dá)軸控卡、三軸機(jī)器手臂，并通過(guò)LabVIEW 軟件完成圖像識(shí)別與自動(dòng)化功能。除了機(jī)械結(jié)構(gòu)龐大體積占用病患的照看需求空間以外，個(gè)人計(jì)算機(jī)長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)與大馬力伺服馬達(dá)所耗費(fèi)的電力，以及高額的軟硬件成本，不是一般的輔具需求者所能夠負(fù)擔(dān)；此外，欲修改該裝置以適應(yīng)不同的應(yīng)用，也不是一件容易的事。從產(chǎn)品開發(fā)的角度來(lái)看，圖像識(shí)別系統(tǒng)與機(jī)械結(jié)構(gòu) （含電動(dòng)裝置） 的設(shè)計(jì)分屬不同領(lǐng)域，因此必須將兩者區(qū)別獨(dú)立進(jìn)行開發(fā)，并以高普及率的接口 （如RS-232） 作為兩者間的溝通。因此，開發(fā)一套低耗能、低成本、且易于彈性修改以適應(yīng)不同應(yīng)用的圖像識(shí)別系統(tǒng)，不僅讓圖像識(shí)別自動(dòng)化更容易普及，而且也可以因應(yīng)不同用戶或機(jī)械結(jié)構(gòu)所特制的輔具進(jìn)行修改，以達(dá)成減輕肢體殘障人士與照看者負(fù)擔(dān)的目的。

2 圖像識(shí)別的機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)

本文以FPGA （Field-Programmable Gate Array）為基礎(chǔ)，組成數(shù)字邏輯電路，并搭配XScale 微處理器構(gòu)成圖像識(shí)別系統(tǒng)，這樣的架構(gòu)與個(gè)人計(jì)算機(jī)比起來(lái)可以大幅減少耗電以及占用體積。由FPGA 負(fù)責(zé)數(shù)字圖像處理，將處理結(jié)果參數(shù)送到微處理器以進(jìn)行后續(xù)分析、同時(shí)控制機(jī)械手臂。如此搭配的原因，主要是利用數(shù)字邏輯電路的硬件運(yùn)算實(shí)時(shí)性，以高效率的方式，快速進(jìn)行圖像處理；同時(shí)利用微處理器的彈性優(yōu)點(diǎn)，一旦在實(shí)際應(yīng)用方面出現(xiàn)問(wèn)題或是因應(yīng)用戶所需功能的新增或修改，可以很方便地修改程序進(jìn)行維護(hù)或更新，而盡可能不需要更動(dòng)FPGA及硬件電路。

圖1 為本系統(tǒng)的組成電路系統(tǒng)架構(gòu)圖，電路主要核心為FPGA 及微處理器XScale。攝像機(jī) （camera） 取得的圖像數(shù)據(jù)輸入FPGA 及SRAM 后，數(shù)字電路依據(jù)EEPROM 內(nèi)儲(chǔ)存的顏色表，將非指定的顏色濾除以及減少圖像噪聲等圖像處理，進(jìn)行圖像識(shí)別前處理的工作。其中的可編程顏色表 （programmable color tonetable），可讓用戶依照不同環(huán)境編輯目標(biāo)物的顏色，以降低系統(tǒng)誤判的機(jī)會(huì)。圖像處理的結(jié)果數(shù)據(jù)輸出至XScale 微處理器進(jìn)行后續(xù)處理及分析，并通過(guò)RS-232 接口控制機(jī)械手臂的運(yùn)作。

系統(tǒng)另外構(gòu)建可由個(gè)人計(jì)算機(jī)控制的RS-232 傳輸接口，通過(guò)窗口程序進(jìn)行顏色表的編輯、寫入或讀取，或者將目前拍攝的圖像以及處理后的圖像圖片儲(chǔ)存到個(gè)人計(jì)算機(jī)。另外，VGA 接口可以接上監(jiān)視屏幕，通過(guò)屏幕得到實(shí)時(shí)的拍攝圖像以及處理后的圖像。這兩個(gè)接口裝置不需要與系統(tǒng)連接即可正常運(yùn)作，只有在使用上有需求時(shí)才需要開啟個(gè)人計(jì)算機(jī)或屏幕連接。最后，聲音檢測(cè)部分用于啟動(dòng)機(jī)械手臂進(jìn)行物品抓取的動(dòng)作，以方便殘疾人員的用戶以聲音啟動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)作。

3 圖像識(shí)別的機(jī)械手臂的實(shí)現(xiàn)

電路系統(tǒng)包含主電路板與各式子板、攝像鏡頭模塊、攝像燈、兩組微動(dòng)開關(guān)、電源系統(tǒng)、以及機(jī)械手臂的伺服機(jī) （servo） 控制板，圖2的系統(tǒng)整合接線圖顯示如何聯(lián)結(jié)這些裝置成為最終的完成品。其中電路系統(tǒng)所使用的5V 電源是由電源轉(zhuǎn)換器直接提供，而機(jī)械手臂使用的電源模塊則由微處理器所控制的繼電器進(jìn)行開關(guān)動(dòng)作，兩者皆使用110V 電源并由電源總開關(guān)控制。攝像燈使用12V 電源，由機(jī)械手臂電源模塊提供，只有在機(jī)械手臂啟動(dòng)時(shí)才會(huì)被點(diǎn)亮。安裝在機(jī)械手臂前端的微動(dòng)開關(guān)用來(lái)避免過(guò)度卷線造成損毀，連接到微處理器的中斷接腳 （INT1） 在開關(guān)閉合時(shí)立即停止卷線伺服機(jī)的動(dòng)作；另一組微動(dòng)開關(guān)為偵測(cè)放線停止裝置，避免伺服機(jī)過(guò)度放線使線松脫造成糾纏。

整個(gè)機(jī)械手臂的控制是由XScale 微處理器的UART TXD 接腳輸出到伺服控制板，每一筆控制信息為3-byte 格式，包含前置字節(jié)0xFF、伺服信道 （channel，0～4）、以及角度位置等參數(shù)。XScale 與伺服控制板間可插入PC 監(jiān)測(cè)控制接口板。

完成品的全圖如圖3所示，機(jī)械手臂使用五顆伺服機(jī)，其中CH0 控制整支手臂的水平旋轉(zhuǎn)，CH1、CH2 控制兩支干的角度，CH3 控制前端基座的角度，CH4為卷線伺服機(jī)，作為升降奶嘴載具的用途。

4 機(jī)械手臂人臉識(shí)別系統(tǒng)測(cè)試

本測(cè)試的目的是為了確保機(jī)械手臂的運(yùn)作，于不同的目標(biāo)位置能夠正確定位，一旦定位偏差過(guò)大時(shí)可進(jìn)行校正。另外，在安全因素的考慮下，為了避免異常狀況發(fā)生，例如斷電，導(dǎo)致機(jī)械手臂前臂突然下墜，受測(cè)者頭部最高處距離本系統(tǒng)的底座平臺(tái)h 至少需要保持20 厘米以上；而在心理層面的考慮，則必須保持更遠(yuǎn)距離以減少壓迫感。因此在本測(cè)試中采用h = 50 厘米的高度進(jìn)行測(cè)試，這樣的高度在實(shí)際運(yùn)作時(shí)隨著機(jī)械手臂不同的運(yùn)動(dòng)位置，使得攝像鏡頭與人臉的垂直距離大約在65～90厘米變化。

以膚色紙制作一個(gè)真實(shí)大小模擬人臉的測(cè)試具，置放于平面上不同位置以測(cè)試本系統(tǒng)的定位范圍及定位誤差測(cè)試。系統(tǒng)擺放位置可位在受測(cè)者的左右兩側(cè)或頭頂處。

表1及表2為定位誤差及定位花費(fèi)時(shí)間測(cè)試，其中定位誤差以嘴唇中心點(diǎn)計(jì)算，括號(hào)內(nèi)T、R、L、B 分別代表定位結(jié)果偏向嘴唇上側(cè)、右側(cè)、左側(cè)、底側(cè)的位置；而花費(fèi)時(shí)間是從啟動(dòng)后開始計(jì)時(shí)，直到奶嘴載具降落接觸到人臉測(cè)試具為止。測(cè)試結(jié)果最大定位誤差為3厘米，花費(fèi)時(shí)間約在1～3 分鐘以內(nèi)。

本系統(tǒng)所結(jié)合的圖像識(shí)別及聲音檢測(cè)功能，只需修改微處理器程序即可作為其他方面的應(yīng)用，例如：以人臉靠近攝像鏡頭指定距離范圍、同時(shí)發(fā)出特定聲音，作為開關(guān)的使用。僅通過(guò)更新微處理器程序而不需修改復(fù)雜的FPGA、或硬件電路，使本系統(tǒng)彈性發(fā)揮其功能，可方便適應(yīng)各種不同的應(yīng)用。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】