機械式手臂動作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)的設計

郭繼東，白翔宇，陳德凰，溫承超，李 盛

（北京理工大學珠海學院，廣東 珠海 519088）

1.引言

為方便給超市倉儲、采礦、建筑生產、搶險救災等情景進行外骨骼機器人手部動作的姿態(tài)控制，需要對動作捕捉控制提供實時的操作系統(tǒng)，使得機器人在活動中精準高效，同時降低活動帶來的風險危害，本文對此進行了設計探討。

動作捕捉的本質是能夠測量、跟蹤并記錄物體在三維立體空間中的運動路線軌跡。比較典型的動作捕捉設備通常由三部分組成，分別是傳感器、信號捕捉設備及數據傳輸設備。

機械式動作捕捉擁有成本低、實時測量的優(yōu)勢。系統(tǒng)中包含連桿和關節(jié)兩個部分，在關節(jié)處安置角度測量設備，用于測量關節(jié)的轉動角度。當被測物體運動時，由于連桿的作用，角度測量設備會測出相應的角度值，進而得出被測物體的姿態(tài)與運動信息,但是靈活性極差。隨著傳感器的快速發(fā)展其缺點也將逐漸減小，體積小，易攜帶，實時測量的優(yōu)點也逐漸體現。將機械動作捕捉與機械手結合使用時，將會為超市倉儲、采礦、房地產建筑一線、搶險救災一線等情景活動中更加精準高效的提高效率，同時降低活動帶來的風險危害，可以增強工人的工作能力。與傳統(tǒng)的遙控方式相比，這種系統(tǒng)可以實現更為直觀、細致、復雜、靈活而快速的動作控制，大大提高機器人應付復雜情況的能力。可以改善在手遙控過程中存在的動作不精準的缺陷。隨著軟硬技術迅速發(fā)展，基于STM32的低價，低功耗，具有強大的算力和豐富的拓展接口，可以很好的同時處理手部傳感器和陀螺儀并傳輸手部動作和位置信息。

2.手部動作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)方案

2.1 工作流程

圖1 工作流程圖

2.2 手指動作捕捉

機械式手部動作姿態(tài)捕捉，常見的是采用連桿和關節(jié)兩個部分，在關節(jié)處安置角度測量設備，對關節(jié)的轉動角度進行測量，手指關節(jié)較多，每一個傳感器都需要連桿機構，造成測量裝置測量不靈活。于是選擇角度彎曲傳感器檢測手指的彎曲程度，flex柔性傳感器基本上是一個對彎曲起反應的可變電阻器。當彎曲180°時，它的測量值約為22KΩ，至40KΩ。彎曲只能在一個方向上檢測到，并且讀數會不穩(wěn)定，所以獲得檢測到至少10°以上才能獲得最佳的結果，實物模型見圖2。

這種傳感器在測試手指的彎曲程度中，其優(yōu)勢為，占用接口數量少，體積小；但是使用中也有部分問題。

（1）傳感器并不能完全貼合手指，并不能準確的測量手指的彎曲程度。

（2）彎曲程度有限，不能達到90°。

（3）經過一段時間使用后會有形變且無法恢復，對測量值有影響。

（4）只能測量手指彎曲程度，兩手指間角度無法測量，還需另加傳感器。

圖2 Flex柔性傳感器

圖3 手部捕捉模型

2.3 手部姿態(tài)捕捉

手在空間的運動及位置用機械式捕捉難以實現，于是選用了mpu6050模塊捕捉手部的姿態(tài)。MPU-60X0是全球首例9軸運動處理傳感器。它集成了3軸MEMS陀螺儀，3軸MEMS加速度計，以及一個可擴展的數字運動處理器DMP。將其放置于測量裝置中，就可以通過陀螺儀傳感器得到待測得手部的x,y,z軸的傾角，從而獲得手部所處姿態(tài),獲取數據后通過無線傳輸模塊對數據進行傳輸，見圖3。

2.4 無線模塊技術要求及選擇

動作被相應傳感器捕捉到后需要向上機位或下機位傳輸數據，所以需要一種傳輸穩(wěn)定，易于開發(fā)，價格低廉的傳輸模塊。

HC05藍牙模塊具有兩種通訊模式：而在自動連接工作模式下，可以充當三種角色，分別是從角色、主角色和回環(huán)角色，將會通過設定好的方式連接進行數據傳輸。作為一款主從一體的藍牙轉串口的設備，可以忽略藍牙連接協(xié)議只需了解串口編程，進行連接的建立。系統(tǒng)模型見圖4。

圖4 機械手控制系統(tǒng)模型

3.機械手捕捉系統(tǒng)在汽車行業(yè)的應用

本設計的操控系統(tǒng)可適用于對機械制造行業(yè)特別是汽車、重型裝備等在高溫、高熱、強輻射等復雜環(huán)境下的應用。在汽車安裝總線上，車身的搬運、焊接、裝配、包裝及檢測等都需要應用機械手，機械手已成為汽車生產線上非常重要的一個組成部分。在安裝作業(yè)中機械手的應用更是隨處可見，如車燈、車門、座椅、輪胎等的安裝。以輪胎裝配機械手來舉例，作為裝配輪胎時工人使用的輔助裝置，能準確地實現某些特定工位輪胎的搬運安裝作業(yè)，結構剛性好，工作平穩(wěn)可靠，可以實現機械自鎖，大幅度地降低了勞動成本，提高了安全性和工作效率，已經被廣泛地應用相關生產。對于焊接作業(yè)、板材沖壓、噴漆作業(yè)等，要發(fā)展有能實時感受的機械手，不僅要有成熟的位置、速度等傳感器，還需應用機器視覺和觸覺等技術發(fā)展高精度傳感器。機械手能夠反饋外界環(huán)境的變化，并作出相應的反應。

本系統(tǒng)通過傳感器對操作者手臂的姿態(tài)角度進行測量，對其手掌的抓握動作進行檢測，然后將測量結果數據傳送到機械臂驅動部分，再通過舵機最終實現機械臂對操作者手臂動作的模仿。通過此系統(tǒng)可以對機械產品的試制生產或裝配車間進行工藝操作模擬實驗，以提高機械手臂動作模擬的準確性和可靠性。

4.結語

本系統(tǒng)采用了STM32+flex柔性傳感器+mpu6050+hc05無線藍牙模塊組成了手部動作姿態(tài)傳感器。它基于STM32高性能，低成本，低功耗的嵌入式系統(tǒng)平臺；使用flex柔性傳感器來捕捉手指的動作；mpu6050傳感器來捕捉手部的姿態(tài)；最終通過hc05藍牙模塊對上機位進行數據反饋，方便操作者對于數據的讀取，達到了預期的效果。下一步可選擇高精度傳感器，使其能更加準確地測量手指關節(jié)的角度。機械式動作捕捉位置精準但是無法反映出操作者的力度，在操作者小臂等部位增加肌肉電傳感器，當操作者用力時肌肉電會被傳感器捕捉到，數據進行采集發(fā)送給控制器，進而實現對操作者的手部信息精準且全面的采集及反饋。機械式手臂動作捕捉技術有著對環(huán)境的高適應性，它的技術特點和使用便捷的優(yōu)勢，使得它在各行業(yè)如機械制造生產、工業(yè)測量和設計、醫(yī)療康復、體育訓練、真人模擬演練、影視動畫、虛擬演播室等領域，有著廣泛的應用推廣前景。