引言

仿生機械臂交互控制系統(tǒng)是指以體感手勢信息作為控制輸入的機械臂控制系統(tǒng),可實現人手對機械手臂的遠程操控、同步協(xié)調。在一些特殊場合,開發(fā)一個能進行規(guī)定動作的仿生機械臂交互控制系統(tǒng)具有極大的應用價值。

1研究現狀

仿生機器手交互控制系統(tǒng)的研究,最早源自20世紀50年代。至20世紀90年代,互聯網技術推動了機械臂交互控制技術的發(fā)展?；ヂ摼W高速、穩(wěn)定等特點,非常符合遠程操作機械手臂的通信要求,逐漸成為該領域主要的通信媒介。

人類手勢信息豐富,可以表達人的操作意圖。進入21世紀,隨著圖像處理領域技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展,基于視覺的手勢識別技術開始進入人們的生活。

2技術原理

人類手掌有29塊骨頭、29個關節(jié)、123根韌帶、48條神經和30條動脈,從某種程度上可以說是一種精密、復雜的令人驚嘆的生物機器。隨著近幾年來手勢體感控制器的發(fā)展,手勢體感控制器技術的發(fā)展已進入成熟階段,可將人類的手勢數據完整地數字化記錄保存下來,并以超過每秒200幀的速度追蹤手部移動,使手勢控制成為切實可行的方案。

其中,用LeapMotion體感控制器采集的體感信息會以幀的形式保存,這種參數保存方式有利于相關研究及開發(fā)人員對信息數據進行調用與處理。

3系統(tǒng)結構

本文設計了一種新型的仿生機械臂交互控制系統(tǒng),控制人員的手勢位于LeapMotion體感控制器上方,體感控制器獲取人類手勢信息后,將數據傳入主機PC,并生成手掌關節(jié)模型,系統(tǒng)結構如圖1所示。

當控制人員手勢發(fā)生變化時,主機PC會依據被控制機械手掌的構造,將接收到的體感位置及目前機械手掌的坐標,換算出所需要的控制信號,利用無線模塊及手掌微控制器,輸出控制信號,驅動機器手掌對應關節(jié)馬達,完成機器人手掌動作能夠完全跟隨人類手掌動作的功能效果。

圖1系統(tǒng)結構

4軟件結構

4.1手勢檢測部分

體感控制器通過綁定視野范圍內的手,手指或者工具檢測采集實時數據,在信號轉換模塊設計時,根據被控制系統(tǒng)參數,設計出一個能實現自由度可調的換算模式,以降低后期升級更高自由度控制手掌所產生的升級難度以及軟硬件更新的工作量。

PC主機的內控軟件以模塊化的方法設計,主要分成3個模塊,如圖2所示。

(1）體感控制器接收模塊:負責接收體感控制器信號,進行數據轉換并進行合理化分析及校正。

(2）信號轉換模塊:此模塊依據被控制機械手掌的構造,將接收的體感位置及目前機械手掌坐標,換算出所需要的控制信號。

(3）控制信號發(fā)送模塊:將換算出的控制信號傳送到相應的機器手控制部分,以完成機械手掌的動作。

4.2機器手控制部分

初步將常用的八位微處理器作為機械手控制器,依據被控制機械手掌的電機驅動結構,微控制器利用特定函數結構,將控制信號轉換成電機驅動信號,最終實現機器手跟隨人手動作的功能效果。

5結語

基于LeapMotion體感控制器,本文設計了一種新型的仿生機械臂交互控制系統(tǒng),能將控制人員的手勢信息采集到主機中,并通過無線模塊控制機器人手掌,實現機器手跟隨人手動作的功能效果。

針對本交互控制系統(tǒng),仍有以下幾個方面需要進一步探索:

(1）可移動性。機械臂可以結合移動載體,如小車、無人機等,在人類不便行動或者有危險的場合執(zhí)行各種遠程遙控任務。

(2）準確性。目前機械臂僅能跟隨人的手掌運動,其中大拇指與小拇指的運動控制并不是很靈活,需要加入手掌模型關節(jié)算法進行改進。

(3）穩(wěn)定性。手勢檢測模塊與機械臂控制模塊間采用無線模塊通信,關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)化值得進一步研究