基于LeapMotion的仿生機(jī)械臂交互控制系統(tǒng)

引言

仿生機(jī)械臂交互控制系統(tǒng)是指以體感手勢(shì)信息作為控制輸入的機(jī)械臂控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)人手對(duì)機(jī)械手臂的遠(yuǎn)程操控、同步協(xié)調(diào)。在一些特殊場(chǎng)合,開發(fā)一個(gè)能進(jìn)行規(guī)定動(dòng)作的仿生機(jī)械臂交互控制系統(tǒng)具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

1研究現(xiàn)狀

仿生機(jī)器手交互控制系統(tǒng)的研究,最早源自20世紀(jì)50年代。至20世紀(jì)90年代,互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)了機(jī)械臂交互控制技術(shù)的發(fā)展?；ヂ?lián)網(wǎng)高速、穩(wěn)定等特點(diǎn),非常符合遠(yuǎn)程操作機(jī)械手臂的通信要求,逐漸成為該領(lǐng)域主要的通信媒介。

人類手勢(shì)信息豐富,可以表達(dá)人的操作意圖。進(jìn)入21世紀(jì),隨著圖像處理領(lǐng)域技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展,基于視覺的手勢(shì)識(shí)別技術(shù)開始進(jìn)入人們的生活。

2技術(shù)原理

人類手掌有29塊骨頭、29個(gè)關(guān)節(jié)、123根韌帶、48條神經(jīng)和30條動(dòng)脈,從某種程度上可以說是一種精密、復(fù)雜的令人驚嘆的生物機(jī)器。隨著近幾年來手勢(shì)體感控制器的發(fā)展,手勢(shì)體感控制器技術(shù)的發(fā)展已進(jìn)入成熟階段,可將人類的手勢(shì)數(shù)據(jù)完整地?cái)?shù)字化記錄保存下來,并以超過每秒200幀的速度追蹤手部移動(dòng),使手勢(shì)控制成為切實(shí)可行的方案。

其中,用LeapMotion體感控制器采集的體感信息會(huì)以幀的形式保存,這種參數(shù)保存方式有利于相關(guān)研究及開發(fā)人員對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用與處理。

3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)了一種新型的仿生機(jī)械臂交互控制系統(tǒng),控制人員的手勢(shì)位于LeapMotion體感控制器上方,體感控制器獲取人類手勢(shì)信息后,將數(shù)據(jù)傳入主機(jī)PC,并生成手掌關(guān)節(jié)模型,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

當(dāng)控制人員手勢(shì)發(fā)生變化時(shí),主機(jī)PC會(huì)依據(jù)被控制機(jī)械手掌的構(gòu)造,將接收到的體感位置及目前機(jī)械手掌的坐標(biāo),換算出所需要的控制信號(hào),利用無線模塊及手掌微控制器,輸出控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)機(jī)器手掌對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)馬達(dá),完成機(jī)器人手掌動(dòng)作能夠完全跟隨人類手掌動(dòng)作的功能效果。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4軟件結(jié)構(gòu)

4.1手勢(shì)檢測(cè)部分

體感控制器通過綁定視野范圍內(nèi)的手,手指或者工具檢測(cè)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),在信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)時(shí),根據(jù)被控制系統(tǒng)參數(shù),設(shè)計(jì)出一個(gè)能實(shí)現(xiàn)自由度可調(diào)的換算模式,以降低后期升級(jí)更高自由度控制手掌所產(chǎn)生的升級(jí)難度以及軟硬件更新的工作量。

PC主機(jī)的內(nèi)控軟件以模塊化的方法設(shè)計(jì),主要分成3個(gè)模塊,如圖2所示。

(1）體感控制器接收模塊:負(fù)責(zé)接收體感控制器信號(hào),進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并進(jìn)行合理化分析及校正。

(2）信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊:此模塊依據(jù)被控制機(jī)械手掌的構(gòu)造,將接收的體感位置及目前機(jī)械手掌坐標(biāo),換算出所需要的控制信號(hào)。

(3）控制信號(hào)發(fā)送模塊:將換算出的控制信號(hào)傳送到相應(yīng)的機(jī)器手控制部分,以完成機(jī)械手掌的動(dòng)作。

4.2機(jī)器手控制部分

初步將常用的八位微處理器作為機(jī)械手控制器,依據(jù)被控制機(jī)械手掌的電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),微控制器利用特定函數(shù)結(jié)構(gòu),將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào),最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器手跟隨人手動(dòng)作的功能效果。

5結(jié)語

基于LeapMotion體感控制器,本文設(shè)計(jì)了一種新型的仿生機(jī)械臂交互控制系統(tǒng),能將控制人員的手勢(shì)信息采集到主機(jī)中,并通過無線模塊控制機(jī)器人手掌,實(shí)現(xiàn)機(jī)器手跟隨人手動(dòng)作的功能效果。

針對(duì)本交互控制系統(tǒng),仍有以下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步探索:

(1）可移動(dòng)性。機(jī)械臂可以結(jié)合移動(dòng)載體,如小車、無人機(jī)等,在人類不便行動(dòng)或者有危險(xiǎn)的場(chǎng)合執(zhí)行各種遠(yuǎn)程遙控任務(wù)。

(2）準(zhǔn)確性。目前機(jī)械臂僅能跟隨人的手掌運(yùn)動(dòng),其中大拇指與小拇指的運(yùn)動(dòng)控制并不是很靈活,需要加入手掌模型關(guān)節(jié)算法進(jìn)行改進(jìn)。

(3）穩(wěn)定性。手勢(shì)檢測(cè)模塊與機(jī)械臂控制模塊間采用無線模塊通信,關(guān)于通信過程采用何種通信協(xié)議以及通信流程的性能優(yōu)化值得進(jìn)一步研究