基于彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

張顯雨 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

基于彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

張顯雨 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)

本文以彩色圖像傳感器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種新型的手臂控制系統(tǒng)。首先，對(duì)系統(tǒng)硬件的組成進(jìn)行了優(yōu)化，使之可以承擔(dān)更精細(xì)的任務(wù)；其次，對(duì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了論述，簡(jiǎn)要介紹了其工作原理與工作程序。隨后，對(duì)彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂進(jìn)行了模擬運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：本系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠增強(qiáng)用戶開發(fā)和使用體驗(yàn)，對(duì)環(huán)境有著良好的適應(yīng)性，有著較為廣泛的應(yīng)用前景。

彩色圖像 傳感器 機(jī)械手臂 控制系統(tǒng) 方案設(shè)計(jì)

1 理論概述

仿真機(jī)械手臂是機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的重要研究方向。伴隨信息技術(shù)的不斷升級(jí)，傳統(tǒng)大型仿真機(jī)械手臂使用的傳感器已滯后于新技術(shù)的發(fā)展。這就導(dǎo)致仿真機(jī)械手臂使用程序繁瑣，難以通過指定的指令或操縱桿對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行控制。為此，許多學(xué)者對(duì)基于彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制進(jìn)行了研究。張良國(guó)等（2002）在其學(xué)術(shù)中提到，使用彩色圖像特征的傳感器，對(duì)機(jī)械手臂控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際工程機(jī)械應(yīng)用中有著極為長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展前景。林海波（2013）在文獻(xiàn)中提到了一種新方法。即在色彩圖像傳感器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃方案。通過這種方案，能充分應(yīng)用到實(shí)際機(jī)械工程，并可以取得良好的效果。通過對(duì)上述文獻(xiàn)的整理發(fā)現(xiàn)，學(xué)者對(duì)彩色圖像傳感器機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，雖能提升實(shí)際機(jī)械工作中的應(yīng)用效果，但尚未充分將彼此之間的關(guān)系理清。本文通過改進(jìn)并優(yōu)化了一些技術(shù)方案，設(shè)計(jì)出一套基于圖像傳感器的軟硬件結(jié)合的機(jī)械手臂控制思路，并實(shí)時(shí)控制機(jī)械手和機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，是建立于Windows Embedded的Atom平臺(tái)工控主板，以及無線通信模塊基礎(chǔ)上，由Kinect傳感器所操控。同時(shí)借助單片機(jī)的舵機(jī)控制器，以及4關(guān)節(jié)6自由度機(jī)械臂和五指仿真機(jī)械手組成。在組裝好系統(tǒng)之后，詳細(xì)工作流程如下所示：當(dāng)Kinect傳感器的彩色攝像頭捕捉操作者手臂和手指的動(dòng)作時(shí)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)上位機(jī)并進(jìn)行處理；隨后，平臺(tái)依據(jù)該數(shù)據(jù)，進(jìn)一步建模、計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)的角度。這一系列過程，是通過無線模塊與舵機(jī)控制器實(shí)時(shí)通訊，使得舵機(jī)控制器上的單片機(jī)和控制電路根據(jù)命令輸出不同占空比，以實(shí)現(xiàn)角度調(diào)整對(duì)人體動(dòng)作進(jìn)行模擬。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與運(yùn)行

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分，是由嵌入式平臺(tái)中的上位機(jī)軟件、通訊模塊程序，以及舵機(jī)控制板上的下位機(jī)軟件構(gòu)成。流程從數(shù)據(jù)采集到分析過程共包含3個(gè)環(huán)節(jié)，具體如下。

3.1 圖像源數(shù)據(jù)的采集

對(duì)圖像像素的聚類，應(yīng)首先考據(jù)物體與傳感器之間的像素距離。學(xué)者們認(rèn)為，最近的一類距離就是平均所取得的距離。而在聚類中心附近取得所需要的閾值，可在該閾值截取出固定手臂的準(zhǔn)確像素，以此運(yùn)用所得數(shù)據(jù)將像素與物像深度結(jié)合。同時(shí)，可利用截取的彩色像素作為遮蓋物，從彩色像素中截取所需要的手臂部分像素。

3.2 以掃描算法與角點(diǎn)檢測(cè)為根據(jù)，確定指尖和指蹼

在一個(gè)包含平面上，所有點(diǎn)最小凸多邊形叫做凸包，以此為模型形成概念上的指蹼。其中，我們可將手部凸包作為手臂圖像中的端點(diǎn)。例如，可將手臂與指尖外緣點(diǎn)的連線，構(gòu)成一個(gè)多邊形。同時(shí)，利用Graham掃描算法，算出手部凸包找到手型外部的凸包距離，以此為根據(jù)確定指尖與指蹼的距離算法。

3.3 基于閾值分割和SVM的手勢(shì)檢測(cè)

在上一環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上，文章進(jìn)一步利用閾值分割與手勢(shì)檢測(cè)方案，對(duì)機(jī)械手臂控制方案進(jìn)行檢驗(yàn)。從中發(fā)現(xiàn)，本方案已初步實(shí)現(xiàn)針對(duì)單個(gè)手指位置檢測(cè)，能夠根據(jù)人體手部的狀態(tài)完成各類動(dòng)作。以鮮明案例作為參考，如食指自然伸直，其他手指呈彎曲形狀，據(jù)此可以認(rèn)為操作者想做出“一”的手勢(shì)，而且判斷準(zhǔn)確。但是，由于手腕運(yùn)動(dòng)不足等問題，識(shí)別精準(zhǔn)度會(huì)下降。因此，需要利用更先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，進(jìn)而優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

運(yùn)行上述系統(tǒng)之后，對(duì)機(jī)械手臂進(jìn)行人體動(dòng)作進(jìn)行追蹤與模仿。捕捉人手指和手臂動(dòng)作，以此分析機(jī)械手實(shí)時(shí)模擬人體手指動(dòng)作、手勢(shì)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)和抓物等功能。據(jù)此，形成了一系列的重要模式，在不限制光照情況下，距傳感器距離50cm的自由空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)五指、手臂的捕捉和建模。因此，機(jī)械臂能夠在60cm見方空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)全自由度運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)依然比較穩(wěn)定、精準(zhǔn)。

5 結(jié)論與展望

本文基于Kinect彩色傳感器提出了優(yōu)化機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，使得操作者能夠更好的實(shí)現(xiàn)工作。同時(shí)，本系統(tǒng)需要進(jìn)行手臂追蹤模擬，這樣在實(shí)際操作中具有實(shí)用性。

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