专利名称：定位控制装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种人机交互与控制技术，特别是涉及一种用于控制机械臂的定位控制装置和方法。
背景技术：
根据世界卫生组织的统计数据，运动功能障碍群体已成为世界上最大的少数群体，大约有10%的世界人口即6. 5亿生活在各类身体残疾中。“帮助残疾人康复”已成为我国政府要解决的重大民生问题之一。假肢的研究与开发，对帮助运动功能缺失的残疾人康复或进行正常生活的具有重要意义。电动机械假肢可以看成是一种与人体紧密接触的机器人。与传统假肢不同，电动机械假肢具备自行运动的能力，更有助于帮助患者进行正常的生活。 如今，电动机械假肢(机械臂)机构制作技术较为成熟。但是，这些电动机械假肢机构都依赖于人对假肢的操作控制，而对于有些迫切需要这类机械假肢的残疾人，他们双臂都失去了行动能力，无法完成基于操纵杆的复杂控制操作。有一种较为热门的技术是目标肌肉神经分布重建(Targeted MuscleRe-innervations, TMR)技术，即采用接驳神经信号的方法，对残疾人剩余肢体的肌电信号进行提取和识别，恢复肢体控制信号，进行假肢控制。但是，由于人体神经信号差异较大而且不稳定，难以实现精确的控制动作，且使用前需要长期的适应性训练。而其他大部分的电动机械假肢的控制方法依赖于残疾人仍然能运动的肢体，对于行动能力缺失较为严重的残疾人不太适用，而这些人恰恰是对电动机械假肢需求最大的人群。
发明内容
基于此，有必要提供一种操作更方便的用于控制机械臂的定位控制装置和方法。—种定位控制装置，包括激光发射器、第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头、图像获取模块、图像识别模块、平面定位模块、空间定位模块，所述激光发射器用于向外发射光路相同的可见激光和红外激光；所述第一摄像头和所述第二摄像头用于拍摄红外图像；所述第三摄像头用于拍摄彩色图像，且所述第一摄像头、所述第二摄像头、所述第二摄像头的光轴平行；所述图像获取模块用于获取所述第一摄像头和所述第二摄像头拍摄的所述红外图像；所述图像识别模块用于识别出所述第一摄像头和所述第二摄像头拍摄的所述红外图像中满足预设条件的红外激光光斑；所述平面定位模块用于以所述红外图像中心为原点，得到所述二幅红外图像中红外激光光斑的坐标；
所述空间定位模块用于根据所述两幅红外图像中所述红外激光光斑的坐标，以及所述第一摄像头和所述第二摄像头的间距，所述第一摄像头和所述第二摄像头焦距，计算得到所述红外激光光斑的空间坐标。其中一个实施例中，所述第一摄像头、所述第二摄像头、所述第三摄像头的光轴平行且焦距相同，并位于一条直线上，且所述第 三摄像头位于所述第一摄像头和所述第二摄像头的中间。
其中一个实施例中，所述红外激光光斑空间坐标是以所述第一摄像头和所述第二摄像头中心连线的中点作为空间坐标原点0，所述第一摄像头和所述第二摄像头中心连线为X轴，垂直向上为Y轴，向前为Z轴。其中一个实施例中，所述图像识别模块用于提取出包含红外激光点的二值图像Ibin(X，y)，并找到二值图像Ibin(X，y)中的所有连通域，且通过下列公式识别二值图像中红外激光光斑对应的连通域
权利要求
1.一种定位控制装置，其特征在于，包括激光发射器、第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头、图像获取模块、图像识别模块、平面定位模块、空间定位模块， 所述激光发射器用于向外发射光路相同的可见激光和红外激光； 所述第一摄像头和所述第二摄像头用于拍摄红外图像； 所述第三摄像头用于拍摄彩色图像，且所述第一摄像头、所述第二摄像头、所述第三摄像头的光轴平行； 所述图像获取模块用于获取所述第一摄像头和所述第二摄像头拍摄的所述红外图像； 所述图像识别模块用于识别出所述第一摄像头和所述第二摄像头拍摄的所述红外图像中满足预设条件的红外激光光斑； 所述平面定位模块用于以所述红外图像中心为原点，得到所述二幅红外图像中红外激光光斑的坐标； 所述空间定位模块用于根据所述两幅红外图像中所述红外激光光斑的坐标，以及所述第一摄像头和所述第二摄像头的间距，所述第一摄像头和所述第二摄像头焦距，计算得到所述红外激光光斑的空间坐标。
2.根据权利要求I所述的定位控制装置，其特征在于，所述第一摄像头、所述第二摄像头、所述第三摄像头的光轴平行且焦距相同，并位于一条直线上，且所述第三摄像头位于所述第一摄像头和所述第二摄像头的中间。
3.根据权利要求I所述的定位控制装置，其特征在于，所述红外激光光斑空间坐标是以所述第一摄像头和所述第二摄像头中心连线的中点作为空间坐标原点O，所述第一摄像头和所述第二摄像头中心连线为X轴，垂直向上为Y轴，向前为Z轴。
4.根据权利要求I所述的定位控制装置，其特征在于，所述图像识别模块用于提取出包含红外激光点的二值图像Ibin(x，y)，并找到二值图像Ibin(x，y)中的所有连通域，且通过下列公式识别二值图像中红外激光光斑对应的连通域
5.根据权利要求I所述的定位控制装置，其特征在于，假设所述第一摄像头和第二摄像头分别拍到的红外图像中的红外激光光斑坐标为和(xK，yK)，设两个摄像头间距为d毫米，焦距为f，所述空间定位模块是通过以下公式得到红外激光光斑的空间坐标位置(X，Y，Z)
6.根据权利要求I所述的定位控制装置，其特征在于，还包括图像提取模块、图像定位模块、物体识别模块和大小计算模块， 所述图像提取模块用于获所述取第三摄像头拍摄的彩色图像。
所述图像定位模块用于根据所述第一摄像头、所述第二摄像头、所述第三摄像头的位置关系，以及所述红外激光光斑的空间坐标，得到所述红外激光光斑在所述彩色图像中的位置坐标； 所述物体识别模块用于在所述彩色图像中，以所述红外激光光斑在彩色图像中的位置坐标为中心，提取预设范围内的局部图像，统计颜色直方图得到颜色分量最大的RGB颜色值，并用漫水法在所述彩色图像中扩张填充，得到扩充区域； 所述大小计算模块用于获取所述扩充区域的像素长宽参数，并根据该像素长宽参数，所述红外激光光斑的空间坐标、所述第三摄像头的焦距计算得到物体的实际长宽。
7.—种定位控制方法，其特征在于，包括如下步骤 通过激光发射器发射光路相同的可见激光和红外激光； 通过两个红外摄像头拍摄红外激光光斑所在区域的红外图像； 通过一个彩色摄像头拍摄可见激光光斑所在区域的彩色图像； 获取所述两幅红外图像； 识别出所述红外图像中的红外激光光斑； 以所述红外图像中心为原点，得到二幅所述红外图像中所述红外激光光斑的坐标。根据所述两幅红外图像中所述红外激光光斑的坐标，所述两个红外摄像头的间距，以及所述两个红外摄像头的焦距，计算得到所述红外激光光斑的空间坐标。
8.根据权利要求7所述的定位控制方法，其特征在于，还包括如下步骤 获取所述彩色摄像头拍摄的彩色图像； 根据所述二个红外摄像头和所述彩色摄像头的位置关系，以及所述红外光斑的空间坐标，得到所述红外激光光斑在所述彩色图像中的位置坐标； 在所述彩色图像中，以所述红外激光光斑在彩色图像中的位置坐标为中心，提取预设范围内的局部图像，统计颜色直方图得到颜色分量最大的RGB颜色值，并用漫水法在彩色图像中扩张填充，得到扩充区域； 获取所述扩充区域的像素长宽参数，并根据该像素长宽参数，所述红外激光光斑的空间坐标、所述彩色摄像头的焦距计算得到物体的实际长宽。
9.根据权利要求7所述的定位控制方法，其特征在于，所述两个红外摄像头和彩色摄像头在同一直线上且等间隔布置，彩色摄像头位于两个红外摄像头中间，三个摄像头的光轴平行，焦距相同。
10.根据权利要求7所述的定位控制方法，其特征在于，所述识别出所述红外图像中的红外激光光斑的步骤是 先通过亮度阈值去除背景，提取出包含所述红外激光点的二值图像Ibin(X，y)； 再找到二值图像Ibin(x，y)中的所有连通域，并通过下列公式识别二值图像中所述红外激光光斑对应的连通域
全文摘要
一种定位控制装置包括激光发射器，用于向外发射光路相同的可见激光和红外激光；第一摄像头和第二摄像头，用于拍摄红外图像；第三摄像头，用于拍摄彩色图像；图像识别模块，用于识别出红外图像中满足预设条件的红外激光光斑；平面定位模块，用于以红外图像中心为原点，得到红外激光光斑的坐标；空间定位模块，用于根据红外激光光斑的坐标，以及第一摄像头和第二摄像头的间距和焦距，计算得到红外激光光斑的空间坐标。本发明还提供一种采用的方法。上述装置和方法通过可见激光和不可见的红外激光配合运用，用户只需简单的利用头部晃动，将可见激光照射到需要操作的物体上，便实现了定位功能，对四肢不便的用户来说，机械假肢的控制变得更加简单。
文档编号A61F2/68GK102871784SQ20121035539
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者江国来, 欧勇盛, 戴大伟, 唐成, 彭安思, 杜边境, 方青松, 徐扬生 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院