人机共融中操作者手眼特性及补偿方法研究
发布时间：2022-02-12 23:29
在精密的微操作过程中,操作者的人眼和人手需要极高的定位精度和操作精度,而微操作工具末端和微操作目标往往非常微小,使得人眼和人手在不断观察与操作的反复作业中容易疲劳,难以持久高效的高精度定位目标位置;人手在进行定位操作时,容易受到抖动、操作疲劳、熟练程度等影响,导致放置的位置坐标不准确,需要反复多次移动定位,降低了微操作的精度和效率,甚至造成任务失败。针对人眼和人手易疲劳、难以持久高精度定位等特性,设计了适用于微操作的人眼辅助定位与补偿系统和人手辅助定位与补偿系统,增强微操作系统的智能化辅助功能。论文将人眼视线定位辅助技术和机器学习预测技术引入到微操作系统中,同时研究了人眼辅助定位与补偿策略、人手辅助定位与补偿策略,减轻人眼和人手的操作负担,提高了微操作的精度和效率。论文主要包含以下几个方面:第一,基于实验的手眼特性数据的采集与分析;通过实验对人手在微操作中的直线运动、折线运动、弧线运动、定位操作等运动模式的数据进行采集并分析,根据人眼和人手易疲劳、难以持久高精度定位等特性,分别建立基于视线定位的人眼辅助定位与补偿系统、基于SVM预测模型的人手辅助定位与补偿系统。第二,使用VS2015、...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FEMTO-ST学院的微操作系统和法国d’AutomatiquedeBesancon实验室微
2在微操作中人始终是主导者，微操作系统需要人机交互才能实现高精度的任务[4]。近年来，关于人的各种辅助系统开始在遥微操作的研究中受到重视。遥微操作是大部分微操作的工作方式，但在遥微操作系统中，无法判断操作者的意图也无法辅助与补偿操作者的微操作过程，需要操作者反复操作才能完成任务[4]，操作者需要反复不断的注视微操作显微视觉界面，不断进行反复移动定位，往往效率和操作精度都非常低下，造成人眼和人手很快进入疲劳状态[5]。为了提高微操作系统的自动化程度，增强微操作系统对操作者的智能辅助，提高效率和操作精度，论文设计了基于视线定位技术的人眼辅助定位与补偿系统和基于机器学习预测技术的人手辅助定位与补偿系统，基于操作者的人眼和人手易疲劳、难以持久高效的高精度定位等特性，通过对人眼和人手定位精度的辅助和补偿，辅助操作者更高效的完成微操作作业。1.2微操作系统的国内外研究现状MEMS技术在近20年得到迅猛发展，市场上也有成产品的MEMS产品，例如微麦克风、红外探测器、喷墨打印头、微罗盘、压力传感器、微陀螺仪、加速度计、流量传感器等，MEMS产品已经广泛应用于军事国防、航空航天、汽车电子、工业应用、生物医学等多个领域但这些产品在严格意义上说不属于完整成熟的MEMS产品，该领域在未来还有很大的发展和应用潜力[6]。南京航空航天大学微操作系统和清华大学微操作系统如图1-3所示。图1-3南京航空航天大学微操作系统和清华大学微操作系统在遥微操作系统中，操作者通过微操作系统进行间接操作，完成操作对象微孝操作复杂的微操作任务[7][8]。在高精度微操作下，操作者人眼容易疲劳，导致操作精度下降，操作效率低下，进而导致微操作失败；同时操作者在微操
4是近几年最流行的视线跟踪技术[16][17]，视线跟踪设备与交互游戏中的视线跟踪如图1-4所示。图1-4视线跟踪设备与交互游戏中的视线跟踪目前国内外视线跟踪的研究热点是通过对眼睛的视频序列进行分析进而判断视线方向和注视点，即通过摄像机将眼球运动图像记录下来，再通过对瞳孔运动特点的分析判断视线落点，这种方法对操作者的干扰小，测量精度高[18]。眼动测量方法主要分为瞳孔-角膜反射向量法、眼电图法（EOG）、虹膜-巩膜边缘法、角膜反射法等[16]。（1）瞳孔-角膜反射向量法。瞳孔-角膜反射向量法的原理是当红外光源照射人眼时，由于角膜反射率的不同使得角膜上出现红外反射斑，即普尔钦光斑，利用角膜反射光斑中心与瞳孔中心在眼球运动过程中不断变化的矢量关系作为视线参数，再通过求解出的映射模型实时计算人眼在屏幕中的注视点坐标。瞳孔-角膜反射向量法流程图如图1-5所示。采集的操作者图像提取人眼图像并分割提取出瞳孔平面视线方向参数获取视线方向计算屏幕注视点坐标计算数学映射模型提取视线特征参数建立视线定位估计模型图1-5瞳孔-角膜反射向量法流程图（2）眼电图法。由于代谢速度的不同，在人眼底部的视网膜和顶端的角膜之间存在电势差，当人眼注视不同方向时，电势差也会不断变化，通过电势差的变化，可以确定人眼的注视方向[19]。（3）角膜反射法是根据角膜在人眼注视不同方向时，光照射到角膜上面的角度不同，反射回来的光线方向也不同，根据反射光线的变化规律可以确定人眼的注视方向。（4）虹膜-巩膜边缘法。使虹膜-巩膜边缘法需要使用红外光照射人眼，再
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器学习方法在股指期货预测中的应用研究——基于BP神经网络、SVM和XGBoost的比较分析[J]. 黄卿,谢合亮. 数学的实践与认识. 2018(08)
[2]用SVM预测稀硫酸对透水混凝土的腐蚀[J]. 战越,宋志刚,王海莹. 价值工程. 2017(01)
[3]一种改进的基于对称性的Hough变换圆检测算法[J]. 王红茹,丁文. 微电子学与计算机. 2014(06)
[4]基于图像特征的快速瞳孔提取算法[J]. 陈健,郑绍华,潘林,余轮. 电子测量与仪器学报. 2014(02)
[5]微装配机器人系统研究与实现[J]. 黄心汉. 华中科技大学学报(自然科学版). 2011(S2)
[6]灰度分布特征的虹膜定位算法研究[J]. 陈山,朱晓芹,李正明,潘天红. 计算机工程与应用. 2011(15)
[7]微装配机器人系统[J]. 陈国良,黄心汉,周祖德. 机械工程学报. 2009(02)
[8]微操作机器人的发展现状[J]. 孙立宁,孙绍云,荣伟彬,蔡鹤皋. 机器人. 2002(02)
博士论文
[1]基于机器学习方法的药物毒性的理论预测研究[D]. 雷太龙.浙江大学 2017
[2]基于机器学习方法的药物不良反应预测及分析[D]. 杨帆.山东大学 2017
硕士论文
[1]基于深度学习的位置预测算法研究与应用[D]. 郭磊.兰州大学 2018
[2]基于机器学习和非线性理论的环境与生命信息分析研究[D]. 邓晓雨.浙江大学 2018
[3]基于自适应视觉伺服的细胞微操作自动化系统研究[D]. 曾凤.厦门大学 2017
[4]基于机器学习抽取文本中的药物不良反应[D]. 倪朝曦.东南大学 2017
[5]基于机器学习的毕业生收入预测与分析研究[D]. 朱自强.吉林大学 2017
[6]基于眼动追踪技术的智能手机人机界面人因适合性测试方法研究[D]. 郭庆钦.南华大学 2016
[7]基于图像处理技术的视线跟踪算法设计与实现[D]. 陈程.内蒙古大学 2016
[8]基于操作者的视觉定位的自动化微操作方法研究[D]. 马辉.武汉理工大学 2016
[9]基于视觉跟踪技术的眼控鼠标研究[D]. 祝宝龙.哈尔滨工业大学 2015
[10]基于瞳孔角膜反射视线追踪技术的研究[D]. 兰善伟.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3622583
【文章来源】：武汉理工大学湖北省211工程院校教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
FEMTO-ST学院的微操作系统和法国d’AutomatiquedeBesancon实验室微
2在微操作中人始终是主导者，微操作系统需要人机交互才能实现高精度的任务[4]。近年来，关于人的各种辅助系统开始在遥微操作的研究中受到重视。遥微操作是大部分微操作的工作方式，但在遥微操作系统中，无法判断操作者的意图也无法辅助与补偿操作者的微操作过程，需要操作者反复操作才能完成任务[4]，操作者需要反复不断的注视微操作显微视觉界面，不断进行反复移动定位，往往效率和操作精度都非常低下，造成人眼和人手很快进入疲劳状态[5]。为了提高微操作系统的自动化程度，增强微操作系统对操作者的智能辅助，提高效率和操作精度，论文设计了基于视线定位技术的人眼辅助定位与补偿系统和基于机器学习预测技术的人手辅助定位与补偿系统，基于操作者的人眼和人手易疲劳、难以持久高效的高精度定位等特性，通过对人眼和人手定位精度的辅助和补偿，辅助操作者更高效的完成微操作作业。1.2微操作系统的国内外研究现状MEMS技术在近20年得到迅猛发展，市场上也有成产品的MEMS产品，例如微麦克风、红外探测器、喷墨打印头、微罗盘、压力传感器、微陀螺仪、加速度计、流量传感器等，MEMS产品已经广泛应用于军事国防、航空航天、汽车电子、工业应用、生物医学等多个领域但这些产品在严格意义上说不属于完整成熟的MEMS产品，该领域在未来还有很大的发展和应用潜力[6]。南京航空航天大学微操作系统和清华大学微操作系统如图1-3所示。图1-3南京航空航天大学微操作系统和清华大学微操作系统在遥微操作系统中，操作者通过微操作系统进行间接操作，完成操作对象微孝操作复杂的微操作任务[7][8]。在高精度微操作下，操作者人眼容易疲劳，导致操作精度下降，操作效率低下，进而导致微操作失败；同时操作者在微操
4是近几年最流行的视线跟踪技术[16][17]，视线跟踪设备与交互游戏中的视线跟踪如图1-4所示。图1-4视线跟踪设备与交互游戏中的视线跟踪目前国内外视线跟踪的研究热点是通过对眼睛的视频序列进行分析进而判断视线方向和注视点，即通过摄像机将眼球运动图像记录下来，再通过对瞳孔运动特点的分析判断视线落点，这种方法对操作者的干扰小，测量精度高[18]。眼动测量方法主要分为瞳孔-角膜反射向量法、眼电图法（EOG）、虹膜-巩膜边缘法、角膜反射法等[16]。（1）瞳孔-角膜反射向量法。瞳孔-角膜反射向量法的原理是当红外光源照射人眼时，由于角膜反射率的不同使得角膜上出现红外反射斑，即普尔钦光斑，利用角膜反射光斑中心与瞳孔中心在眼球运动过程中不断变化的矢量关系作为视线参数，再通过求解出的映射模型实时计算人眼在屏幕中的注视点坐标。瞳孔-角膜反射向量法流程图如图1-5所示。采集的操作者图像提取人眼图像并分割提取出瞳孔平面视线方向参数获取视线方向计算屏幕注视点坐标计算数学映射模型提取视线特征参数建立视线定位估计模型图1-5瞳孔-角膜反射向量法流程图（2）眼电图法。由于代谢速度的不同，在人眼底部的视网膜和顶端的角膜之间存在电势差，当人眼注视不同方向时，电势差也会不断变化，通过电势差的变化，可以确定人眼的注视方向[19]。（3）角膜反射法是根据角膜在人眼注视不同方向时，光照射到角膜上面的角度不同，反射回来的光线方向也不同，根据反射光线的变化规律可以确定人眼的注视方向。（4）虹膜-巩膜边缘法。使虹膜-巩膜边缘法需要使用红外光照射人眼，再
【参考文献】：
期刊论文
[1]机器学习方法在股指期货预测中的应用研究——基于BP神经网络、SVM和XGBoost的比较分析[J]. 黄卿,谢合亮. 数学的实践与认识. 2018(08)
[2]用SVM预测稀硫酸对透水混凝土的腐蚀[J]. 战越,宋志刚,王海莹. 价值工程. 2017(01)
[3]一种改进的基于对称性的Hough变换圆检测算法[J]. 王红茹,丁文. 微电子学与计算机. 2014(06)
[4]基于图像特征的快速瞳孔提取算法[J]. 陈健,郑绍华,潘林,余轮. 电子测量与仪器学报. 2014(02)
[5]微装配机器人系统研究与实现[J]. 黄心汉. 华中科技大学学报(自然科学版). 2011(S2)
[6]灰度分布特征的虹膜定位算法研究[J]. 陈山,朱晓芹,李正明,潘天红. 计算机工程与应用. 2011(15)
[7]微装配机器人系统[J]. 陈国良,黄心汉,周祖德. 机械工程学报. 2009(02)
[8]微操作机器人的发展现状[J]. 孙立宁,孙绍云,荣伟彬,蔡鹤皋. 机器人. 2002(02)
博士论文
[1]基于机器学习方法的药物毒性的理论预测研究[D]. 雷太龙.浙江大学 2017
[2]基于机器学习方法的药物不良反应预测及分析[D]. 杨帆.山东大学 2017
硕士论文
[1]基于深度学习的位置预测算法研究与应用[D]. 郭磊.兰州大学 2018
[2]基于机器学习和非线性理论的环境与生命信息分析研究[D]. 邓晓雨.浙江大学 2018
[3]基于自适应视觉伺服的细胞微操作自动化系统研究[D]. 曾凤.厦门大学 2017
[4]基于机器学习抽取文本中的药物不良反应[D]. 倪朝曦.东南大学 2017
[5]基于机器学习的毕业生收入预测与分析研究[D]. 朱自强.吉林大学 2017
[6]基于眼动追踪技术的智能手机人机界面人因适合性测试方法研究[D]. 郭庆钦.南华大学 2016
[7]基于图像处理技术的视线跟踪算法设计与实现[D]. 陈程.内蒙古大学 2016
[8]基于操作者的视觉定位的自动化微操作方法研究[D]. 马辉.武汉理工大学 2016
[9]基于视觉跟踪技术的眼控鼠标研究[D]. 祝宝龙.哈尔滨工业大学 2015
[10]基于瞳孔角膜反射视线追踪技术的研究[D]. 兰善伟.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3622583
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