摘 要

　　隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，世界各國的人口老齡化問(wèn)題日益嚴重，而由于各種疾病或事故造成的肢體殘疾，喪失基本的獨立生活能力的殘疾人數量也在不斷增加，因此，老年人和殘疾人的人口數量越來(lái)越多，對他們的護理工作給家庭和社會(huì )都造成了巨大的負擔。同 時(shí)伴隨著(zhù)科技的進(jìn)步，關(guān)于助老助殘機器人技術(shù)方面的研究也日漸突出，并且也越來(lái)越多樣化和智能化。本文針對老年人和殘疾人中肢體殘疾程度較高的人群，研究設計了一 種輪椅機械手控制系統，能夠輔助他們完成日常生活中簡(jiǎn)單的任務(wù)操作，達到幫助他們提高自理能力的目的。

　　首先，研究設計了一種繩傳動(dòng)機械臂的結構并安裝在輪椅移動(dòng)平臺上，完成輪椅機械手結構的搭建。通過(guò)對套索式柔性繩傳動(dòng)方式的研究，設計了機械臂的關(guān)節結構和對應的驅動(dòng)機構，這使得機械臂關(guān)節的驅動(dòng)電機可以在臂體之外利用繩傳動(dòng)的原理實(shí)現驅動(dòng)動(dòng)力的傳遞，從而大大減輕了機械臂的自身重量，增加了操作的靈活性。

　　然后，根據輪椅機械手系統的結構形式進(jìn)行運動(dòng)學(xué)建模分析。考慮到輪椅機械手系 統在結構上的運動(dòng)特性，基于旋量理論對輪椅機械手系統建立統一的運動(dòng)學(xué)模型，并完 成輪椅機械手的正逆運動(dòng)學(xué)的建模和求解；同時(shí)針對輪椅機械手的結構推導對應的雅克比矩陣，針對機械臂的結構進(jìn)行運動(dòng)學(xué)的仿真和工作空間的分析，為輪椅機械手的運動(dòng)控制奠定基礎。

　　其次，針對輪椅機械手系統的目標任務(wù)，研究設計輪椅機械手對應的運動(dòng)控制系統，主要由上位機、控制器、驅動(dòng)器等硬件以及開(kāi)發(fā)的控制程序等軟件組成。輪椅機械手系統通過(guò)將人體生物視覺(jué)與機器視覺(jué)進(jìn)行結合完成對空間目標物體的發(fā)現識別與定位，進(jìn) 而實(shí)現對輪椅機械手進(jìn)行目標操作任務(wù)的運動(dòng)控制；并且基于程序開(kāi)發(fā)環(huán)境 Qt Creator 和 LabVIEW 研究設計輪椅機械手的控制系統，同時(shí)制定控制結構層級之間的通信協(xié)議，實(shí)現控制數據的通訊傳輸，從而完成對輪椅機械手系統的整體運動(dòng)控制。

　　最后，根據研究設計的輪椅機械手系統完成實(shí)驗驗證與分析。通過(guò)設計針對輪椅機械手系統結構的實(shí)驗以及針對輪椅機械手機器視覺(jué)系統的目標定位操作過(guò)程和人機交互系統運動(dòng)控制過(guò)程的實(shí)驗，對輪椅機械手控制系統的綜合性能進(jìn)行相應的實(shí)驗驗證。

　　實(shí)驗結果表明輪椅機械手能夠完成目標操作的要求，可以實(shí)現助老助殘的任務(wù)功能。

　　關(guān)鍵詞：輪椅機械手；繩傳動(dòng)；人機交互；機器視覺(jué)；運動(dòng)控制

　　Abstract

　　With the development of the society, the problem of the aging population around the world is becoming more and more serious, and the number of the disabled who have lost their basic independent living capacity is increasing due to physical disabilities caused by various diseases or accidents. The population of the elderly and the disabled is increasing, which has caused the great burden about their nursing work to family and society. At the same time, with the advancement of science and technology, the research on robotics for helping the elderly and the disabled has become increasingly prominent, persified and intelligent. Aiming at the elderly and the disabled people with high degree of disabilities, this paper describes a wheelchair manipulator system which can assist them to complete simple tasks in daily life and achieve the purpose of helping them to improve self-care ability.

　　Firstly, a lightweight robotic arm based on rope-driven was researched and manufactured to be installed on the platform, and the overall hardware structure of the wheelchair manipulator was built. Based on the study of the tendon-sheath transmission, the structure of the mechanical arm and the corresponding driving mechanism are designed. The design allows the driving motor of the mechanical joint to realize the transmission of driving power outside the arm-body using the principle of rope-driven, thereby greatly reducing the weight of the mechanical arm and increasing the flexibility of operation.

　　Secondly, the kinematic modeling analysis which is based on the structural form of the wheelchair manipulator system is performed. Based on the structure of the wheelchair manipulator and the screw theory, the unified kinematics model is established to complete the forward and reverse kinematics analysis of the wheelchair manipulator system. At the same time, the corresponding Jacobian matrix, the kinematics simulation and the analysis of

　　workspace are carried out for the structure of the wheelchair manipulator system, which lays the foundation for the wheelchair manipulator's motion controlling.

　　Thirdly, according to the target of wheelchair manipulator control, the control system is studied and designed. It is mainly composed of hardware such as host computer, controller, driver and software developed by the program system. By combining human biological vision and machine vision, the control system is designed for the wheelchair manipulator that can complete the discovery, recognition and positioning of the objects in space in order to realize the movement of the wheelchair manipulator to grasp the object. And the controllable program is designed for the wheelchair manipulator system that is based on the Qt Creator and LabVIEW, at the same time the protocol is formulated to realize the communication between the various layers. This completes the overall movement of control for wheelchair manipulator system.

　　Finally, the corresponding experimental analysis is carried out for the wheelchairmanipulator system. Some experiments were designed for the structure of wheelchair manipulator and for the process of position and for the movement of the human-robotinteraction. The experimental results show that the wheelchair manipulator can fulfill the requirements of the operation to realize the function of helping the elderly and the disabled.

　　Key Words: Wheelchair manipulator; rope-driven; human-robot interaction; machine vision; control of motion

　　目 錄

　　第一章 緒 論

　　1.1 引言

　　機器人作為一種可以自動(dòng)執行工作任務(wù)的裝置，能夠代替或者輔助人類(lèi)完成一定的任務(wù)操作。隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展和科技的進(jìn)步，機械、通信、自動(dòng)控制、集成電路、傳感器、嵌入式以及人工智能等等這些能夠應用于機器人開(kāi)發(fā)方面的相關(guān)技術(shù)變得越來(lái)越成熟，因此，關(guān)于機器人系統的研究得到了廣泛的關(guān)注，并且通過(guò)多種關(guān)鍵技術(shù)的相互結合，進(jìn)行智能化機器人系統的研究設計也變得越來(lái)越普遍。

　　根據機器人在應用領(lǐng)域所完成任務(wù)的特點(diǎn)，可以將機器人分成不同的種類(lèi)，其中能 夠針對人類(lèi)或儀器設備執行特殊任務(wù)的服務(wù)型機器人，一直以來(lái)都是機器人技術(shù)發(fā)展過(guò)程中研究和投入的重點(diǎn)方向。而可以實(shí)現輔助老年人和殘疾人去完成日常生活操作的助老助殘機器人作為一種具有特殊功能用途的服務(wù)型機器人，因其獨特的任務(wù)需求以及當前社會(huì )發(fā)展面臨的老齡化問(wèn)題已經(jīng)成為服務(wù)型機器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，能夠完成輔助功能任務(wù)的輪椅機械手系統便是助老助殘服務(wù)型機器人的一種。

　　1.2 背景意義及來(lái)源

　　1.2.1 研究背景和意義

　　我國作為世界上人口最多的國家，老齡化和殘疾已經(jīng)成為不得不面對的重大社會(huì )問(wèn)題。自從計劃生育政策實(shí)施以來(lái)，我國老年人口數量持續增加，在2000年中國65歲以上老年人口比例就已經(jīng)突破了7%,完全符合了聯(lián)合國所規定的國家步入老齡化社會(huì )的標 準[1].截至2017年底，我國65歲以上老年人口接近1.6億人，占據了全世界大約20%的老年人口，有學(xué)者預測到2050年我國65歲老年人口數將會(huì )達到3.9億，全國老年人口比例將達到30%,雖然老齡化是社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的必然趨勢，但我國人口老齡化的趨勢卻在不斷地加快[2].另外根據中國殘聯(lián)統計數據顯示，我國現有殘疾人口大約有8500萬(wàn)，其中由于各種疾病和事故造成的肢體殘疾人口已達到2400萬(wàn)，而且每年都將會(huì )新增200萬(wàn)喪失勞動(dòng)能力的中風(fēng)病人[3].對于那些肢體行動(dòng)能力缺失的殘障和老年人士使得看似簡(jiǎn)單的如吃飯、喝水、開(kāi)關(guān)門(mén)、洗臉等日常生活動(dòng)作都變得異常困難，所以他們在生活上需要各種輔助設備來(lái)提高他們自理能力以更好地融入社會(huì )。

　　隨著(zhù)社會(huì )科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和各種機械電子設備的發(fā)展，助老助殘機器人作為一種生 活輔助產(chǎn)品，在解決殘障人士及老年人生活中的一些困難方面發(fā)揮著(zhù)重要的作用，像輔助行走機器人、娛樂(lè )機器人、攙扶機器人和輪椅機器人等等，都是幫助老年人和殘疾人來(lái)提高生活質(zhì)量的產(chǎn)品[4].這其中在輪椅上裝備小型機械臂組成的輪椅機器人就是一款用于在生活中輔助肢體行動(dòng)不便老年人和殘疾人的機器設備，這樣通過(guò)組裝而成的輪椅機械手除了能完成基本的移動(dòng)任務(wù)，還具有對日常物品進(jìn)行簡(jiǎn)單操作的能力[5].由于裝備了機械臂的輪椅機器人系統能夠具有在非結構化家庭環(huán)境下的行走能力、任意物體抓取能力以及多通道人機交互能力，因此可以一定程度地實(shí)現代替護工來(lái)幫助肢體行動(dòng)不便的老人和殘疾人完成服務(wù)任務(wù)的功能；因為這些方面的原因，這種輪椅機器人系統已 經(jīng)成為康復領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[6-8].而當前能夠完成助老助殘任務(wù)的輪椅機器人系統在運動(dòng)控制方面，大多數采用的還是基于人手操縱的方式來(lái)實(shí)現的，這種系統的方式比 較適用于那些殘疾程度較輕、肢體能動(dòng)性相對高并且意識較好的輕度殘障人群，但是對于那些殘疾程度較高，肢體能動(dòng)性較低的重度殘障人群就無(wú)法滿(mǎn)足基本的靈活操作，因此缺少更加廣泛的適用性。隨著(zhù)新型人機交互技術(shù)以及機器視覺(jué)技術(shù)的應運而生，輪椅機器人的控制方式也變得更加多元化，比如：利用語(yǔ)音識別技術(shù)進(jìn)行控制的輪椅機器人； 根據人臉器官的相對位置和器官的狀態(tài)變化實(shí)現控制的輪椅機器人；以及通過(guò)利用人體自身產(chǎn)生的生物電信號來(lái)實(shí)現控制的輪椅機器人。

　　本文研究設計了一種基于視動(dòng)融合運動(dòng)控制的輪椅機械手系統，實(shí)現了較為智能化 的人機交互方式完成對輪椅機械手的非肢體接觸式的運動(dòng)控制，為助老助殘設備的人機自然交互問(wèn)題提供一種解決途徑，從而可以輔助那些殘疾程度高、肢體行動(dòng)能力差的老年人和殘障人士完成一些常見(jiàn)的生活操作，這對于提高有肢體行動(dòng)障礙人群的自理能力來(lái)幫助他們更好地融入社會(huì )具有重要意義。

　　1.2.2 研究的來(lái)源

　　論文研究來(lái)源于山東省自然科學(xué)基金，項目名稱(chēng)為"人體視覺(jué)與輪椅機械手協(xié)同視動(dòng)融合機理研究",項目編號為：ZR2017MF023.

　　1.3 國內外研究現狀

　　由于能夠實(shí)現助老助殘任務(wù)功能的輪椅機械手系統具有極其重要和獨特的社會(huì )服 務(wù)價(jià)值，所以對于輪椅機械手系統相關(guān)方面的國內外研究已經(jīng)越來(lái)越多，并且主要集中在輪椅機械手系統上機械臂的結構和輪椅機器人控制系統方面的研究。本文對輪椅機械手控制系統的研究過(guò)程中，通過(guò)研制一種輕型輪椅機械臂與輪椅組成輪椅機械手結構，在此基礎上探索人體與輪椅機械手協(xié)同運動(dòng)的視動(dòng)融合控制方法，構建基于目標發(fā)現的人體生物視覺(jué)和機器視覺(jué)相結合的空間位置估計與空間定位模型，形成一種更為自然的人機交互方式，實(shí)現對輪椅機械手系統的運動(dòng)控制。根據論文的研究?jì)热荩�針對輪椅機械手系統所涉及相關(guān)技術(shù)的國內外研究現狀進(jìn)行歸納總結。

　　1.3.1 輪椅機械臂的研究現狀

　　通過(guò)在輪椅這個(gè)移動(dòng)平臺上安裝可以完成特殊功能的機械臂，從而組成輪椅機械手 的機械結構形式，輪椅機械手屬于一種用在助老助殘方面的輔助機器設備，由于它結合了輪椅與機械臂的共同特點(diǎn)，可以有效的幫助那些肢體行動(dòng)不便的老年人和殘疾人提高生活自理能力。自從 20 世紀 60 年代美國建造的"Rancho Golden"機械臂以來(lái)，輪椅與機械臂組成的輪椅機械手結構便得到了廣泛的關(guān)注[9].因此，世界上許多國家的科研單位已經(jīng)開(kāi)始致力于輪椅機械臂的開(kāi)發(fā)，一些國家在這方面的研發(fā)中起步相對比較早，取得了比較突出的成果。

　　目前，荷蘭 Exact Dynamics 研發(fā)的 MANUS 機械手臂[10]如圖 1.1 所示，是一款非 常成熟的機械臂結構。這款機械臂的結構中具有六個(gè)自由度，而且機械臂整體結構的重 量上達到了 13kg,機械臂關(guān)節的驅動(dòng)電機安裝在相應位置來(lái)完成運動(dòng)控制，而機械臂關(guān)節運動(dòng)的動(dòng)力是采用多重傳動(dòng)和多重錐齒輪傳動(dòng)的方式來(lái)提供，機械臂的腕部結構則是采用差速齒輪的方式傳遞動(dòng)力。該機械臂具有完善的控制系統，操作簡(jiǎn)單便捷，能夠在助老助殘方面完成很多操作任務(wù)，由于其各方面均具有良好的兼容性，因此能夠安裝在大部分輪椅機器人上。

　　一個(gè)名為 POCUS 項目的研究中將 MANUS 機械手臂安裝在輪椅機器人上，通過(guò)在 MANUS 機械手臂的基礎上研究患腦癱兒童和青年的適應性，它采用了一種多功能適應性的配置方法，將最小的輸入信號用于開(kāi)關(guān)量的限時(shí)響應中，并以順序的方式控制機 械手爪的運動(dòng)[11].這款輪椅機器人如圖 1.2 所示。

　　日本，在借鑒了 MANUS 機械手臂研究經(jīng)驗的基礎上同樣也研發(fā)了一種輕型機械臂，如圖 1.3 所示是日本研發(fā)的 RAPUD 輕型機械臂，并將其安裝在電動(dòng)輪椅組裝成輪椅機器人[12-14].該機械臂結構設計輕巧靈活，機械臂的臂體采用樹(shù)脂材料進(jìn)行設計，減 少了機械臂的重量，使其僅有 6kg.這款機械手臂擁有七個(gè)運動(dòng)自由度，手臂的末端執行機構是一個(gè)具有夾持功能的機械手爪，其最大可以抓取的重量為 0.5kg,機械臂的支撐底座的高度為 75 cm,而且機械手臂上還采用了一種能夠實(shí)現線(xiàn)性伸縮的結構代替機械臂腰部旋轉關(guān)節的運動(dòng)方式，使機械臂的操作性得到了一定的提高，使用者可以很方便的操作輪椅機械臂來(lái)完成相應的任務(wù)。

　　此外，美國醫療康復領(lǐng)域在助老助殘方面為行動(dòng)不便的人也研發(fā)了一款被稱(chēng)為WMRA 的輪椅機械手臂，如圖 1.4 所示。這個(gè)輪椅機械手臂在結構上擁有七個(gè)可以轉動(dòng)的關(guān)節，同時(shí)在轉動(dòng)關(guān)節上安裝了直流伺服電機并且配置諧波齒輪減速機實(shí)現對關(guān)節的驅動(dòng)，雖然該輪椅機械臂在操作運動(dòng)方面靈活性較好，但是由于電機與減速機全部是安裝在機械臂的臂體上，使得其自重過(guò)高，輪椅機械臂的機械結構也過(guò)于復雜[15,16].

　　因為輪椅機械臂作為助老助殘服務(wù)型機器人方面的重要分支，所以在國內也獲得了廣泛的關(guān)注和研究，雖然國內相關(guān)方面的研究相比較而言起步時(shí)間較晚，但也取得了一些比較突出的研究成果。比如采用嵌入式計算機作為控制核心的智能輪椅控制系統，它可以接受語(yǔ)音控制指令，也可以用操縱桿進(jìn)行控制，而且能夠接受搖桿信號和按鈕操作信號，使用者可通過(guò)語(yǔ)音遠程控制輪椅機械臂來(lái)實(shí)現對物體的抓取[17].如圖 1.5 所示為該智能輪椅機器人的實(shí)物樣機。

　　華南理工大學(xué)也研究設計了一種遙控式的助老助殘輪椅機械臂，這款輪椅機械臂上采用了一種串行對稱(chēng)的帶-繩連接進(jìn)行驅動(dòng)的機械臂結構，為了減輕輪椅上機械臂的自重，通過(guò)利用同步帶和繩索連接的方式將動(dòng)力傳到運動(dòng)關(guān)節。同時(shí)，這種輪椅機械臂控制系統是基于DSP+FPGA的組合作為其核心處理器，利用無(wú)線(xiàn)手柄向系統發(fā)送無(wú)線(xiàn)串口指令，對該輪椅機械臂的整體系統實(shí)現無(wú)線(xiàn)遙控的操作控制，完成輔助的工作任務(wù)[18-20].

　　如圖1.6所示為華南理工大學(xué)研制的輪椅機械臂結構圖。

　　由于能夠實(shí)現助老助殘任務(wù)功能的輪椅機械臂在結構設計中比較普遍存在的結構形式是將機械臂的驅動(dòng)電機安裝在運動(dòng)關(guān)節的位置上，這種的結構形式使機械臂的結構復雜，體積質(zhì)量大，同時(shí)還增加了機械臂的轉動(dòng)慣量。論文研究中在滿(mǎn)足基本操作任務(wù)的前提下，針對輪椅機械臂的結構復雜、自重過(guò)大等問(wèn)題，研制一款結構簡(jiǎn)單且重量輕巧的輪椅機械臂結構。

　　1.3.2 人機交互方式的研究現狀

　　人機交互技術(shù)已經(jīng)成為助老助殘服務(wù)型機器人研究方面的重要運動(dòng)控制方式，最開(kāi)始在輔助服務(wù)型機器人上應用的人機交互技術(shù)主要體現在操縱桿控制、方向盤(pán)控制、按鍵控制和觸摸屏控制等方式來(lái)實(shí)現輪椅機器人的運動(dòng)控制；這種方式只適用于那些殘疾度較輕、肢體能動(dòng)性相對較高并且意識較好的輕度殘障人群，而對于那些殘疾度較高， 肢體能動(dòng)性低的重度殘障人群就無(wú)法滿(mǎn)足其適用性[21].隨著(zhù)新型人機交互技術(shù)的應運而生，對輪椅機器人的運動(dòng)控制方式已經(jīng)變得更加多元化，出現了可以滿(mǎn)足重度殘障人群實(shí)現對輪椅機器人操作控制的交互方式；這其中主要有語(yǔ)音識別、手勢識別、生物電信號識別以及人體姿態(tài)動(dòng)作識別的人機交互方式。在這些非肢體直接接觸的新型人機交互方式中最為突出的是生物電信號識別和人體頭/面部動(dòng)作姿態(tài)識別的人機交互方式。

　　基于生物電信號的人機交互方式是利用人身體上產(chǎn)生的生物電信號，通過(guò)采集分析處理實(shí)現對生物電信號的特征識別，然后建立基于生物電信號的控制系統，完成對執行機構的運動(dòng)控制。對于生物電信號的人機交互方式上主要有腦電信號和眼電信號，腦電信號是人體大腦皮層產(chǎn)生的一種生物電信號，而眼電信號是由于人眼睛中的角膜結構與視網(wǎng)膜結構在新陳代謝方面存在一定的速度差異而產(chǎn)生的一種電勢差信號。 在基于腦電信號進(jìn)行人機交互方面的研究，涂建成等[22]以一種電動(dòng)輪椅為實(shí)驗對象，利用腦電信號設計了相應的控制方案。通過(guò)腦電信號采集輔助軟件，采集了低頭、抬頭、鼓氣、吞咽、深呼吸、伸舌 6 個(gè)動(dòng)作狀態(tài)下的腦電信號，用小波包變換的一些方法進(jìn)行特征提取和識別，實(shí)現輪椅前進(jìn)、后退、左轉、右轉和停止 5 種基本運動(dòng)控制。

　　北京工業(yè)大學(xué)的梅意城進(jìn)行了基于腦機接口技術(shù)的手臂康復方面的研究，通過(guò)研究在病人顱內植入電極采集腦電信號來(lái)進(jìn)行意念控制機械手臂運動(dòng)，并利用腦電信號控制機械手完成"石頭、剪刀、布"等肢體動(dòng)作等，證實(shí)了用大腦思維活動(dòng)能夠獲取對多自由度機械手臂操作過(guò)程的驅動(dòng)參數和運動(dòng)狀態(tài)參數，實(shí)現大腦思維對機械臂的直接控制[23].大連交通大學(xué)王喜梅進(jìn)行了腦電波控制的智能輪椅控制系統設計的研究，實(shí)現了對輪椅的腦電波和操縱桿兩種控制模式的互換[24].杭州電子科技大學(xué)蔡新波進(jìn)行了基于腦電信號 的電動(dòng)輪椅控制方法研究，主要研究了通過(guò)運動(dòng)場(chǎng)思維場(chǎng)景產(chǎn)生的腦電信號來(lái)控制電動(dòng)輪椅[25].基于腦電信號的智能輪椅控制系統流程如圖 1.7 所示。

　　在基于眼電信號進(jìn)行人機交互方面的研究，賀巧玲等[26]通過(guò)對眼電信號的采集分析處理，建立了基于眼電圖的仿生機械臂的空間運動(dòng)位置反饋系統，實(shí)現了利用眼電信號對仿生機械臂的運動(dòng)控制。意大利比薩大學(xué)通過(guò)研究達到對上、下、左、右四類(lèi)眼部的掃視動(dòng)作進(jìn)行識別，從而開(kāi)發(fā)出了一種人機交互系統，將眼電信號轉化控制指令來(lái)控制 屏幕光標的移動(dòng)，最終通過(guò)眨眼動(dòng)作來(lái)表示確定，經(jīng)過(guò)實(shí)驗證明了眼電信號在人機交互領(lǐng)域的實(shí)用性，可以給殘障人士帶來(lái)很多便利[27].張毅等[28] 通過(guò)采用多種混合式的生 物信號的方式，提出了一種應用于輪椅設備的運動(dòng)控制系統，在這個(gè)系統中利用咀嚼動(dòng) 作產(chǎn)生的肌電信號來(lái)控制輪椅的前進(jìn)和停止，同時(shí)利用左右眨眼動(dòng)作產(chǎn)生的電信號來(lái)控制左轉和右轉。杭州電子科技大學(xué)的羅志增團隊利用數據采集電極帽來(lái)完成對眼電信號的采集，并通過(guò)對有意識和無(wú)意識的眼電信號進(jìn)行區分，實(shí)現了對眼睛掃視和眨動(dòng)等九個(gè)動(dòng)作信號的特征識別與分析，設計了一個(gè)基于有意識眼電信號的電動(dòng)輪椅控制方案，實(shí)現了利用眼電信號對輪椅的運動(dòng)控制[29,30].安徽大學(xué)的王君[31]通過(guò)研究眼電信號的特征提取與識別算法，提出了基于線(xiàn)性預測技術(shù)（LPC）的信號特征提取，構建了基于眼 電信號的人機交互系統，實(shí)現了利用眼電信號對機械手臂的運動(dòng)控制，其基于眼電信號的人機交互系統如圖1.8所示。

　　在實(shí)現助老助殘功能任務(wù)的人機交互系統中基于人體頭部姿態(tài)識別的人機交互方式的應用主要有三種表現形式：根據對人臉器官相對位置的姿態(tài)變化的判斷和通過(guò)跟蹤人體面部器官的狀態(tài)變化形式達到一種對人體頭部姿態(tài)動(dòng)作情況的識別，這兩種頭部姿態(tài)識別的方式主要是應用機器視覺(jué)技術(shù)對面部器官的圖像采集和處理，通過(guò)判斷圖像中器官的狀態(tài)和位置情況來(lái)實(shí)現的識別過(guò)程；還有一種是在頭部周?chē)�安放傳感器等設備檢測頭部動(dòng)作變化的差異進(jìn)行頭部姿態(tài)識別的方式。

　　Hu等[32]提出了一種根據人臉器官在姿態(tài)變化中的相對位置來(lái)控制輪椅進(jìn)行運動(dòng)的人機交互方式，比如根據唇部的位置變化控制輪椅運動(dòng)的方式；Adachi等[33]通過(guò)跟蹤人體眼睛、鼻子、嘴唇等特征點(diǎn)的研究，來(lái)確定人臉的轉動(dòng)方向，從而控制輪椅的前進(jìn)、后退、左右轉；Nguyen等[34]使用眼電圖技術(shù)實(shí)施了對眼睛注視情況的跟蹤利用眼睛轉動(dòng)的角度實(shí)現輪椅運動(dòng)控制。張毅等[35]提出了一種基于唇形的智能輪椅人機交互方法，利用攝像頭采集唇部圖像，使用adaboost算法在視頻幀中實(shí)時(shí)、準確地檢測唇部，然后通過(guò)離散余弦變換提取唇部特征，從而定義了五種不同的唇形，通過(guò)唇部做出這五種唇部動(dòng)作來(lái)控制輪椅執行相應的動(dòng)作，能夠實(shí)現使用者在噪雜的環(huán)境中與輪椅機器人進(jìn)行穩 定地的人機交互。嚴峻[36]建立了一種人機接口方式，根據乘坐者上體重心在椅面的二維投影坐標變化來(lái)實(shí)現對乘坐者期望運動(dòng)方向及速度的控制；王耀飛[37]提出了一種基于鼻子相對位置變化進(jìn)行人體頭部姿態(tài)識別的技術(shù)，并利用圖像處理技術(shù)識別出鼻子位置，然后根據人體功能學(xué)特征中鼻子在人臉中的相對位置關(guān)系來(lái)判定人的頭部姿勢，再由頭 部姿勢的不同動(dòng)作進(jìn)行智能設備的控制；翁磊[38]提出了一種根據側面人臉的狀態(tài)識別頭 部運動(dòng)姿態(tài)的方法，通過(guò)安裝攝像頭完成對人臉側面的檢測，從而識別頭部運動(dòng)的姿態(tài)達到對輪椅的控制。同時(shí)通過(guò)在人體頭部周?chē)�安放傳感器等設備檢測頭部動(dòng)作變化的差 異來(lái)實(shí)現對輪椅進(jìn)行運動(dòng)控制的方向也有一些相關(guān)研究，比如在人體頭部后面安裝激光測距儀，然后通過(guò)反饋的數據生成障礙地圖，并且進(jìn)行一定的數據轉化形成控制命令， 實(shí)現對輪椅機器人的控制；還有利用傳感器采集人體頭部運動(dòng)過(guò)程中的加速度信號，再通過(guò)相應的信號處理產(chǎn)生控制命令，實(shí)現對輪椅的運動(dòng)控制[39-41].

　　在助老助殘方面對于非肢體接觸式人機交互方式的研究概述中，最主要的新型人機交互方式可以分為三大類(lèi)分別是基于語(yǔ)音識別、基于生物電信號和基于圖像處理技術(shù)的人機交互方式，這些人機交互方式中均存在著(zhù)受環(huán)境干擾影響比較大的缺點(diǎn)，論文研究中通過(guò)利用人體頭部運動(dòng)姿態(tài)反應出的人體視線(xiàn)運動(dòng)方向信息，構建了一種人體視線(xiàn)運動(dòng)方向的估計跟蹤及目標發(fā)現機制，實(shí)現人與輪椅機械手系統更加自然的交互方式。

　　1.3.3 機器視覺(jué)方面的研究現狀

　　在人體這個(gè)生物系統中，依據人的眼睛實(shí)現一種視覺(jué)的反饋可以讓人們感知身體周?chē)�的環(huán)境，并由人的大腦根據反饋的視覺(jué)信息做出適當的判斷，然后支配人的身體執行一定的動(dòng)作，形成了人體視覺(jué)與肢體動(dòng)作的協(xié)調運動(dòng)過(guò)程。然而由于機器視覺(jué)可以通過(guò)計算機來(lái)模擬人的視覺(jué)功能，并利用電子化的模式感知和理解周?chē)�環(huán)境的圖像，也就是從客觀(guān)物體中提取能使機器理解的圖像信息，并根據獲得的信息用來(lái)進(jìn)行實(shí)際的檢測、測量和控制等。在機器人系統中通過(guò)利用機器視覺(jué)達到對人體視覺(jué)的仿生，從而也可以形成一種視覺(jué)與運動(dòng)的協(xié)調融合過(guò)程。在一個(gè)機器人系統中，對于機器視覺(jué)的應用就是將視覺(jué)數據作為系統的信息輸入，進(jìn)而對這些輸入信息進(jìn)行相應的處理得到便于應用的反饋數據，所以機器視覺(jué)的主要功能為識別物體獲得信息數據，將識別的結果作為下一步動(dòng)作的信息指南，如定位、抓取和導航避障等[42]. 伴隨著(zhù)機器人技術(shù)的飛速的發(fā)展，各行各業(yè)均有對機器人的應用需求，所以機器人承擔的任務(wù)已經(jīng)變得復雜多樣，由于機器視覺(jué)作為信息反饋的裝置，能夠實(shí)現對環(huán)境進(jìn)行非接觸式的測量感知，同時(shí)也能夠獲得更多的信息量，從而可以提高機器人系統操作的靈活性和準確性，所以機器視覺(jué)在機器人系統的研究設計中具有不可替代的作用[43].

　　因此，在基于機器視覺(jué)技術(shù)開(kāi)發(fā)機器人系統方面的相關(guān)研究已經(jīng)變得越來(lái)越多，比如：

　　法國的Aldebaran Robotics公司研究設計的一款能夠雙足行走的人形智能機器人NAO,這 款機器人具有一定地開(kāi)發(fā)性能夠配置多種傳感器，Muller等[44]在機器人NAO的基礎上安 裝視覺(jué)傳感器，然后利用邊緣檢測與顏色分割完成對目標物體的識別并建立三維空間模型，實(shí)現對機器人運動(dòng)的導航；Dalibard等[45]在機器人NAO的頂部安裝一種Kinect視覺(jué)傳感器，能夠快速的獲取環(huán)境的圖像，并通過(guò)圖像處理技術(shù)得到環(huán)境中目標物體和所在場(chǎng)景的三維信息，然后制定機器人的運動(dòng)姿態(tài)完成對目標物體的抓取。美國的一所理工學(xué)院也利用機器視覺(jué)技術(shù)研究開(kāi)發(fā)了一款用于助老助殘的服務(wù)型機器人EL-E,通過(guò)在這款機器人的云臺上安裝兩個(gè)普通相機和一個(gè)全維度視覺(jué)傳感器，利用機器視覺(jué)完成對所 處環(huán)境的場(chǎng)景檢測，然后分割出場(chǎng)景中目標物體并進(jìn)行定位，最后由人指揮機器人完成向目標物體的接近運動(dòng)和抓取運動(dòng)[46].朱曉莉等[47]基于機器視覺(jué)研究設計了一種家庭服務(wù)型機器人316WE,通過(guò)在移動(dòng)機械手式的結構上安裝一個(gè)攝像機，由機器視覺(jué)根據顏色特征識別環(huán)境中目標物體，然后利用小孔成像模型完成位置關(guān)系的計算，最后由定位導航系統完成自主移動(dòng)實(shí)現物體的抓取功能。上海大學(xué)的研發(fā)團隊通過(guò)在輪式移動(dòng)的人形機器人上配置攝像頭和激光傳感器的形式，構建一種立體視覺(jué)系統使機器人能夠實(shí)現物體識別、運動(dòng)導航以及自主移動(dòng)等功能[48]. 在機器人系統中利用機器視覺(jué)實(shí)現對目標物體的測量定位時(shí)對于機器視覺(jué)的應用主要分為單目視覺(jué)和雙目視覺(jué)兩種形式，其中雙目視覺(jué)是利用兩個(gè)攝像機完成對環(huán)境圖像的采集，得到同一時(shí)刻不同角度的兩張圖像，通過(guò)對采集到的兩張圖像進(jìn)行處理和計算，從而獲得精確度相對較高的圖像信息，但也存在著(zhù)環(huán)境要求嚴苛、特征匹配難度大、算法復雜和運算時(shí)間長(cháng)等一些缺點(diǎn)；而單目視覺(jué)則是利用一個(gè)攝像機完成對環(huán)境圖像的采集，雖然在精度上較雙目視覺(jué)差，但是由于其結構簡(jiǎn)單并且圖像處理計算的算法復雜度和應用成本相對較低，因此而受到了廣泛的應用。比如：黃燦等[49]在基于單目視覺(jué)的幾何測距算法的基礎上，提出一種可以擬合圓曲線(xiàn)的方法對由視覺(jué)獲得的目標位置信息進(jìn)行降噪處理和分析，從而降低定位過(guò)程中的誤差實(shí)現對目標物體的測距定位；韓延祥等[50]利用單目視覺(jué)在軸向距離測距以及面積計算的基礎上進(jìn)行了目標圖像特征點(diǎn)的提取，通過(guò)利用這種方法來(lái)提高測量的精度；尹英杰等[51]針對在平面上對目標物體進(jìn)行定位和長(cháng)度測量方面的等問(wèn)題，提出一種基于單目視覺(jué)用于測量并標定平面上目標物體位置的方法；晁志超[52]為提高單目視覺(jué)在攝像機光軸方向上的位置測量精度，在攝像機光軸方向上加裝激光測距傳感器進(jìn)行輔助測距。肖大偉等[53]將單目視覺(jué)應用于移動(dòng)機器人的目標跟蹤任務(wù)的基礎上，提出了一種可以克服特征匹配和攝像光軸傾斜問(wèn)題的單目視覺(jué)目標測距方法；于乃功等[54]通過(guò)將單目視覺(jué)的定位測距的方法應用到雙足機器人中，根據成像和幾何坐標變換原理，提出一種計算目標深度信息的幾何定位測距方法。

　　1.4 主要研究?jì)热?/strong>