基于紅外和彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)

吳方亮

【摘 要】這篇文章基于紅外與彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，并通過三維仿真對(duì)其設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】紅外；彩色圖像傳感器；機(jī)械手臂；控制系統(tǒng)

當(dāng)前，仿真機(jī)械手臂是是機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題，伴隨著信息技術(shù)的不斷升級(jí)，大型的仿真機(jī)械手臂及其系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中，所采用的傳感器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且成本太高，而小型機(jī)械手臂仿真研究中，其控制系統(tǒng)通過設(shè)定指令或者是攝像頭等方式進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)，但是會(huì)存在局限性。下面將結(jié)合現(xiàn)在的研究成果提出一種基于紅外技術(shù)與彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)，并通過三維仿真對(duì)其系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。

一、基于紅外與彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)分析

基于紅外與彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中運(yùn)用了Kinect傳感器套件的紅外攝像以及彩色攝像等技術(shù)原理，以進(jìn)行人體手部與上肢的數(shù)據(jù)采集，同時(shí)采用OpenNI軟件來實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分析處理，以對(duì)機(jī)械手臂的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)。

（一）硬件設(shè)計(jì)

基于紅外與彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由建立于Windows Embedded的Atom平臺(tái)工控主板以及Kinect傳感器、通過借助單片機(jī)的舵機(jī)控制器、無線通信模塊、五指仿真機(jī)械手和4關(guān)節(jié)6自由度機(jī)械臂等構(gòu)成。其中，機(jī)械手指關(guān)節(jié)舵機(jī)的指尖由拉線固定在舵機(jī)盤上，通過對(duì)舵機(jī)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)控制來完成手指屈伸動(dòng)作。

根據(jù)上述基于紅外與彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)情況，在系統(tǒng)工作運(yùn)行中，通過Kinect傳感器中的紅外與彩色攝像功能進(jìn)行人體手臂與手指動(dòng)作捕捉，并將采集數(shù)據(jù)傳送至嵌入式上位機(jī)進(jìn)行處理，在建模計(jì)算后，根據(jù)每個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)的角度由無線模塊和舵機(jī)控制器的實(shí)時(shí)通訊支持，由舵機(jī)控制器中的單片機(jī)以及控制電路根據(jù)控制命令進(jìn)行不同占空比的PWM方波輸出，進(jìn)行調(diào)整角度，完成對(duì)人體動(dòng)作的模式，達(dá)到相應(yīng)的機(jī)械手臂控制效果。

（二）軟件設(shè)計(jì)

基于紅外和彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，主要包含嵌入式平臺(tái)中的上位機(jī)軟件以及通訊模塊的結(jié)構(gòu)程序、舵機(jī)控制板中的下位機(jī)軟件三個(gè)部分。首先，實(shí)現(xiàn)人體手臂動(dòng)作圖像源數(shù)據(jù)的采集，上述基于紅外與彩色圖像傳感器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中采用了OpenNI接口以實(shí)現(xiàn)彩色圖像以及紅外圖像數(shù)據(jù)的采集，需注意，在通過上述通訊接口進(jìn)行彩色圖像與紅外圖像數(shù)據(jù)采集中，對(duì)接口采集數(shù)據(jù)信息需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將以像素為單位的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以實(shí)際距離為單位的數(shù)據(jù)信息，來滿足系統(tǒng)相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)采集與通信要求。

其次，在對(duì)采集與傳輸圖像數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵點(diǎn)提取和手勢(shì)識(shí)別中，需要通過基于閾值分割和聚類計(jì)算等不同方法實(shí)現(xiàn)圖像獲取，對(duì)紅外深度圖像的像素?cái)?shù)據(jù)根據(jù)物體距離傳感器像素距離數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類計(jì)算分析后，提取手部關(guān)鍵點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作圖像獲取。對(duì)手指指尖圖像則需要采用基于Graham掃描算法與角點(diǎn)檢測(cè)計(jì)算進(jìn)行獲取，在通過Graham掃描算法對(duì)手部凸包進(jìn)行確定并獲取手型外部凸包后，采用圖像處理中的角點(diǎn)檢測(cè)方法進(jìn)行指蹼位置確定。采用基于閾值分割與SVM的手勢(shì)檢測(cè)方法對(duì)人體手勢(shì)動(dòng)作及其圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)分析，以在基于紅外與彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)軟件中設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，對(duì)其圖像獲取與分析處理提供支持。

最后，對(duì)系統(tǒng)的圖形界面與通信模塊設(shè)計(jì)中，采用C#GUI語言進(jìn)行上位機(jī)圖形用戶界面，展示了實(shí)時(shí)二維抽象手臂模型必要參數(shù)，通過Java3D三維圖形庫實(shí)現(xiàn)了與實(shí)際參數(shù)相同的三維仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)，以進(jìn)行測(cè)試模型數(shù)據(jù)測(cè)試分析應(yīng)用；對(duì)系統(tǒng)通訊模塊設(shè)計(jì)，采用基于C#的串口通訊模塊設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)的上位機(jī)與下位機(jī)之間通過字符串轉(zhuǎn)字節(jié)流形式對(duì)每個(gè)舵機(jī)的編號(hào)及轉(zhuǎn)動(dòng)角度、移動(dòng)速率等參數(shù)進(jìn)行傳輸，并根據(jù)預(yù)定協(xié)議將有關(guān)參數(shù)編碼形成字符串，通過基于RS232的串口通訊協(xié)議開發(fā)設(shè)計(jì)的通信程序進(jìn)行傳輸實(shí)現(xiàn)，最后舵機(jī)控制器及其控制板外圍電路傳輸下完成相應(yīng)的實(shí)時(shí)控制命令。

二、基于紅外與彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)仿真效果

根據(jù)上述所設(shè)計(jì)提出的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)方案，經(jīng)仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)分析后顯示，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)三種不同模式下的人體手臂動(dòng)作追蹤與實(shí)時(shí)模仿，即對(duì)人體手指與手臂動(dòng)作進(jìn)行捕捉并通過機(jī)械手臂動(dòng)作控制實(shí)現(xiàn)實(shí)施模仿、由機(jī)械手臂跟隨人體手臂運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)、通過手勢(shì)動(dòng)作對(duì)機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)及抓物功能進(jìn)行控制實(shí)現(xiàn)。該仿真試驗(yàn)中，所設(shè)計(jì)提出的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)能夠滿足任何光照條件下對(duì)傳感器50cm以內(nèi)的立體空間內(nèi)手指與手掌、手臂動(dòng)作等進(jìn)行捕捉與建模分析，且其對(duì)手臂動(dòng)作的識(shí)別精度能夠達(dá)到1cm，在實(shí)現(xiàn)手臂動(dòng)作實(shí)施跟蹤與模仿中的移動(dòng)時(shí)間延遲能夠達(dá)到0.5s以內(nèi)，同時(shí)機(jī)械手臂能夠在60cm以內(nèi)的立體空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由度運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作敏捷且穩(wěn)定。

三、結(jié)束語

總之，對(duì)基于紅外和彩色圖像傳感器的機(jī)械手臂控制系統(tǒng)研究，使得操作者能夠在工作中更為方便，當(dāng)然我們需要對(duì)這個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使得彌補(bǔ)一些不足之處，更加有利于應(yīng)用，且其效果也會(huì)達(dá)到大大的提升。

【參考文獻(xiàn)】

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