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中医热敏灸机器人的视觉建模及轨迹自动规划

李树佳  
【摘要】:中医艾灸技术是我国传统中医技术的一项重要组成部分,由于其在防病治病方面拥有良好的效果而广受消费者青睐。而陈日新教授提出的热敏腧穴艾灸方法在此基础上进行了改良,对多种疾病具有十分显著的疗效。随着我国康复理疗需求的增多和生活压力的增大,需要中医热敏灸的人越来越多,而热敏灸需要由专业的施灸人员依据患者的疾病以及自身情况,选择合适的穴位及合适的施灸手法来完成,存在施灸过程时间长,重复性劳动多,手持灸疗器械无法长时间准确定位等问题。使用热敏灸机器人代替施灸人员进行热敏灸可以减少中医护人员重复性劳动,解决现有技术中医护人员手持灸疗器械无法长时间准确定位的缺陷,减轻医护人员手持灸疗器械的负担,并且使热敏灸过程中艾条的燃烧端和人体穴位的距离得到准确控制,艾灸治疗效果更佳。本文以六自由度中医热敏灸机器人为研究对象,利用基于深度相机视觉建模方法和机器人轨迹规划方法分别研究了中医热敏灸机器人对目标的三维扫描建模,使艾灸头能自动移动到穴位点位置,自动执行施灸动作。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)根据中医热敏灸的操作流程,搭建一款可实现热敏灸基本流程的中医热敏灸机器人系统作为实验原理验证性平台。根据需要实现的功能提出了总体的设计方案,进行软硬件的选型并最终完成实验平台的搭建。另外,还通过D-H参数法对机械臂进行了运动学建模并求出了运动学逆解,为后续章节作铺垫。(2)通过对相机成像原理和手眼关系的分析和理解,结合当前相机的标定方法,对相机内参以及手眼关系进行了标定。基于传统ICP算法缺乏较好的初始值问题,巧妙结合机械臂末端位姿和相机之间的关系,提出了一种融合机械臂末端位姿的点云刚体粗配准算法,最后通过实验论证了算法的可行性和高效性。在同等情况下,运用新算法的配准效率相比传统ICP算法提高了接近50%。(3)针对人体背部、胸腹部穴位的识别和定位,使用红色圆形标志物作为人工标志的方法,通过基于SIFT特征的模板匹配算法提取特征获得穴位坐标,之后通过PCA方法估计点云模型的法向量并结合各坐标系之间的转换,得到最终基于机械臂基坐标系的点云手法轨迹,实验结果表明手法轨迹具有较好的准确性。(4)在结合上述章节的算法后,本文开发出了一款可视化的依照不同的施灸手法生成相应的执行轨迹的用户界面软件。热敏灸操作人员可以根据需要选择合适的手法,设置相应的手法参数,生成并导出施灸的手法轨迹。实验结果表明,生成的轨迹切实可行,达到了理想的效果。


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