特殊環境遠程操作機器人設計

邱楠

在一些人不能進入的特殊環境中，如有毒氣體或核污染的環境，需要一種特殊的機器人能夠為人類進行某些操作。筆者通過研究手勢控制相關資料[1-6]，設計了一種特殊環境遠程操作機器人。該機器人由智能感應手套和搭載機械手、機械臂的智能小車組成，能夠使人體通過簡單的手套進行簡單的手勢操作，完成某些人類不能進入的特殊環境中的操作。

1特殊環境遠程操作機器人介紹

特殊環境遠程操作機器人主要由智能感應手套和機器人智能小車組成。其中機器人智能小車包括了手勢控制車、機械旋轉臂和機械手。在一次行為指令完成過程中，智能感應手套通過傳感器對人手指運動情況進行感應（如手指彎曲檢測傳感器對應彎曲角度指令），將感應到的數據信息通過單片機和無線射頻模塊進行處理傳遞給手勢控制車、機械旋轉臂和機械手，使有需要者可以通過手勢準確遠程控制搭載了仿人機械手及機械臂的移動平臺，從而輔助完成受限行動。相比于曰前較為廣泛的運用圖像識別技術實現手勢控制的方法，該算法無需借助手機、電腦、攝像頭等其他電子設備，最直觀的控制仿人機械手的運動，有效提高了仿人機械手操作性能和作業水平。

2各部分組成及工作原理

2.1智能感應手套組成及工作原理

特殊環境遠程操作機器人智能感應手套的主體模塊由開源硬件單片機（Arduino）、彎曲度傳感器、六軸陀螺儀和無線射頻模塊（XBee）組成，實物圖如圖1所示。通過彎曲度傳感器感知五根手指的手勢及手腕的彎曲，由六軸陀螺儀捕捉手部的空間位置及移動，以無線射頻作為通訊工具，并將這些功能用單片機結合，實現遠程手勢控制目的。

感應遙控控制手套的陀螺儀在工作過程中主要通過橫滾角（roll）、俯仰角（pitch）及航向角（yaw）的變化來完成機器人的運動過程。

彎曲度傳感器可隨其彎曲連續的改變阻值，其與手指彎曲度保持一致。阻值由arduinoIDE中預設的程序由單片機的模擬串口接收，同時將其轉化為1024個高低電平信號。與單片機連接的電腦可檢測出其中的高或低電頻信號數量（以下簡稱“pwm”值），將其轉化為預設變量的值。

與智能感應手套相連接的為傳送端XBee模塊與傳送端單片機，當智能感應手套上傳感器對手勢進行感應后，將感應到的信息傳遞給傳送端XBee模塊與傳送端單片機進行處理。

2.2智能車組成及其工作原理

為了實現特殊環境遠程操作機器人遠距離的操作和自由運動.筆者研制了通過手勢控制的智能車模型，（如圖2所示）。該模型主體由接收端XBee模塊與接收端單片機、JY61空間運動傳感器（簡稱“陀螺儀”）、自主設計搭建的智能車組成。該接收端單片機和XBee模塊與上述傳送端XBee模塊與傳送端單片機進行點對點的連接，最終實現信息的傳送。

2.2.1智能車運動機理

智能車的運動主要通過陀螺儀角度的變化控制。其運動機理主要表現為以下兩個方面。

①利用智能感應手套上的陀螺儀橫滾角變化控制小車前進與后退

該部分的制作與研究中，調試了JY61空問運動傳感器，成功將其數據轉變為可計算的角度數據，完成對手部運動姿態的捕捉。將角度值通過一定算法轉化小車兩馬達的pwm值，控制兩馬達的電壓值，進而控制馬達的轉速，以實現將手部的超過一定范圍的運動姿態轉化為小車運動狀態的目標。同時，通過XBee完成了智能感應手套與小車的無線通訊，從而實現了手套對執行端進行遠程控制。

為了通過手勢變化來控制小車前后的運動，筆者選擇調用陀螺儀讀數中的俯仰角（pitch）的值，并基于arduino中脈沖寬度調制方法（pwm），來控制智能車電機的電壓值，而電機電壓值就可以用來反映電機相對的轉速。

②利用智能感應手套上的陀螺儀橫滾角變化控制小車左右滑移

在智能車上使用了麥克納姆輪。這種輪胎的特點是在保持朝向不變的情況下，能夠實現平面內的滑移。尤其針對室內障礙較多的復雜環境，該輪胎更體現了全方位無死角的運動優勢，能夠為特殊環境工作人員的相關操作提供更好的幫助。

在發送端程序中，將陀螺儀輸出的橫滾角（roll）通過算法轉化成了四個電機不同的pwm值，以實現對電機輸入電壓的控制，進而完成智能車的左右滑移。

2.2.2機械臂結構設計

手勢控制機械臂具有四個自由度，可以實現靈活度較高的操作指令，其本身移動范圍也可以滿足普通任務的需求，達到手勢控制的日的。手勢控制機械臂實物圖如圖3所示。

在該部分中，將陀螺儀和彎曲度傳感器在智能感應手套上結合，通過陀螺儀感知手部的空問位置及運動狀態，通過腕部的彎曲度傳感器捕捉手腕抬落變化，再經過數據處理完成了對機械臂上各個舵機的控制，從而達到機械臂實時模擬小臂動作的效果。最終實現機械臂和仿人機械手結合。

3結論與展望

結合上述特殊環境遠程操作機器人設計及其工作原理的闡述，得出以下結論：

（1）本文提出了一種特殊環境遠程操作機器人，能夠成功地解決特殊環境工作人員行動受限的難題。

（2）本文研究了特殊環境遠程操作機器人各個組成部分的工作機理并對其性能進行了測試，結果表明設計的遠程操作機器人性能穩定，能夠幫助工作人員在特殊領域完成相應的工作任務。

（3）特殊環境遠程操作機器人無需借助手機、電腦、攝像頭等其他電子設備，可直觀控制仿人機械手的運動，有效提高了仿人機械手操作性能和作業水平，可適應多種不同環境的應用需求，易于推廣與應用。