基于手勢控制算法的助老服務機器人

劉宇棟 邱楠

摘 要：我國老齡化問題日趨嚴峻，其特點為行動不便，本文提出了一種基于手勢控制算法的助老服務機器人。助老服務機器人由智能感應手套、裝有麥克那姆輪的智能移動車、機械控制臂和機械手組成。該機器人通過多傳感器信息融合技術來控制機器人的運動，有效提高仿人機械手的操作性能和適應性，能夠完成室內全方位的手勢檢測和執行任務，可以幫助老人實現在居家生活中一些物體抓取功能，具有較強的實際應用價值。

關鍵詞：手勢控制算法；助老服務；智能感應手套；麥克那姆輪

中圖分類號：TP391.41；TP11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）20-0063-02

當今我國老齡化趨勢日益嚴峻（如圖1所示近年60歲以上老人數量統計及未來預計分布圖），許多老人及行動不便群體備受社會關注。他們會因身體條件衰弱，無法適應現代數字生活模式，面臨力量不足，臥床等問題，有必要為他們設計一款輕松便捷和人自然行為趨同的操作平臺。

當下手勢控制作為一種正在蓬勃發展的現代控制方式[1-4]，具有操作簡單、靈活性高等特點。筆者運用移動端捕捉手勢的變化來執行命令，使老年人通過簡單的手套自然行為操控，如手指彎曲、手臂搖動，就可以完成他們想要的簡單動作，大大提高了易掌握性。最終提出了基于手勢控制算法的助老服務機器人。該機器人由智能感應手套和搭載了機械手、機械臂的智能小車組成。

1 基于手勢控制算法的助老服務機器人介紹

基于手勢控制算法的助老服務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智能車、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。

同時，在智能感應手套上安裝一鍵切換控制模式的按鈕，切換前是控制機械臂模式，按下切換按鈕后，程序將保持機械臂最后狀態靜止不動，并進入控制智能車模式，完成智能車控制后，可再按按鈕，實現兩者之間的來回切換。

2 各部分組成及工作原理

2.1 智能感應手套組成

基于手勢控制算法的助老服務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（flex 4.5版本）、六軸陀螺儀（JY61）和無線射頻模塊（XBee）組成。通過彎曲度傳感器感知五根手指的手勢以及手腕的彎曲，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，以實現遠程手勢控制的目的。

2.2 智能車組成

為了實現助老服務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。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。

2.3 機械臂和機械手

手勢控制機械臂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，達到手勢控制的目的。手勢控制機械臂實物圖如圖2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間位置及運動狀態，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，并具有一定的精確度。最終實現機械臂和仿人機械手結合。

為用手勢執行較復雜的連續指令，該創新制作了手勢控制機械手模型（如圖3）。手部屈肌可以通過接受的神經信號伸長或縮短，從而實現手指的屈伸。因此，基于仿生的思路，為實現機械手的彎曲靈活性，用繩子來代替手部屈肌，伺服舵機代替其伸長或縮短機制，以實現機械手手指的屈伸。

3 機器人應用實踐案例

筆者邀請了一名行動不便的老者對發明的手勢移動平臺進行了嘗試，完成了取杯子的一系列過程，包括出發取杯子、手勢車到達目的地、機械手拿起杯子、返回出發地、完成任務等過程，具體如圖4-7所示。

上述基于手勢控制算法的助老服務機器人幫助老人完成一次完整的取物過程，該體驗得到了老人的好評。認為該創新可以成功解決行動不便老人的困難，具有很好的社會應用前景，可以進行推廣。

結合上述解決行動受限問題的助老服務機器人闡述，該創新可以應用于以下幾個方面：

（1）輔助行動不便的人。他們可以通過該移動平臺上的機械手實現需要的操作，直接采用手勢控制也使得操作更加直接而靈活。

（2）代替人在人不能夠進入的特殊環境下進行遠程操作，如有毒氣體或核污染的環境。也可在生化實驗等可能發生危險的場所作為人工操作的代替。

（3）對于運動姿態的記錄。如可以對醫生手術時的手部移動進行記錄，以提供可以分析和學習經驗的數據。

4 結論與展望

結合上述基于手勢控制算法的助老服務機器人闡述，得出以下結論：

（1）本創新提出了一種解決行動受限問題的助老機器人，能夠成功地解決現實生活中行動受限的難題。

（2）與傳統的視頻檢測手勢的方式相比，基于手勢控制算法的助老服務機器人采用慣性測量器件檢測手勢，可以有效的降低系統軟硬件成本和算法難度。

（3）基于手勢控制算法的助老服務機器人無需借助手機、電腦、攝像頭等其他電子設備，可以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，可適應多種不同環境的應用需求，易于推廣與應用。

參考文獻

[1]劉梁，滕鵬，周詩華，展文豪.一種手勢控制小車運動系統的設計與實現[J].數字技術與應用，2017，（2）：26-27.

[2]海爾推出首款手勢控制一體電腦[J].消費電子，2011，（12）：86-86.

[3]徐彬.手勢控制技術在汽車上的應用[J].汽車維護與修理，2016，（04）：77-82.

[4]新華.手勢控制技術新成果看電視不用遙控器[N].中國質量報.2008-10-16（009）.