基于Kinect的機(jī)械臂車系統(tǒng)的目標(biāo)抓取

張博瑋

【摘 要】設(shè)計(jì)和制造一個(gè)模塊化的機(jī)械手臂，模仿人的手臂動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)由控制、軟件、通信和手動(dòng)/工具子系統(tǒng)組成。機(jī)械臂系統(tǒng)利用Kinect技術(shù)將手臂運(yùn)動(dòng)采樣信號(hào)發(fā)送到機(jī)械手臂。一個(gè)開發(fā)的圖形用戶界面（GUI）使用c++快速工具包（FLTK）庫(kù)輸出用戶的主要骨骼跟蹤數(shù)據(jù)。在采樣階段，Kinect捕捉到的人體關(guān)節(jié)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將顯示在窗口上。該數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，定義了脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)，用于在機(jī)械臂上驅(qū)動(dòng)多個(gè)伺服電機(jī)。這些伺服電機(jī)中有五個(gè)集成在機(jī)械臂上。運(yùn)動(dòng)是由這些伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向決定的。機(jī)器人手臂的模塊化是通過整合Myo手勢(shì)控制器實(shí)現(xiàn)的，這樣用戶就可以控制機(jī)械手臂，根據(jù)不同的場(chǎng)景來選擇和替換工具。當(dāng)一個(gè)特定的手勢(shì)被執(zhí)行時(shí)，機(jī)器人手臂將執(zhí)行自動(dòng)的動(dòng)作，包括分離當(dāng)前的工具并獲取下一個(gè)工具。此外，所有的數(shù)據(jù)和指令都通過wi - fi無線傳輸。這個(gè)概念機(jī)器人的證明為那些在危險(xiǎn)情況下工作的人創(chuàng)造了一個(gè)更好的用戶界面，同時(shí)還能捕捉人類的視角和互動(dòng)。

【關(guān)鍵詞】Kinect；機(jī)械臂；MYO

0 引言

機(jī)器人臂車是一個(gè)概念系統(tǒng)的證明，它被設(shè)計(jì)和構(gòu)造，以創(chuàng)造一個(gè)更好的用戶界面，通過無線模仿一個(gè)用戶來控制機(jī)器人。它不只是在機(jī)械臂的末端有一只手，而是由一個(gè)夾子組成，可以在各種應(yīng)用中使用不同的物體。這個(gè)項(xiàng)目的主要焦點(diǎn)是一輛炸彈巡邏車，因?yàn)樗菬o線和移動(dòng)的特征。這個(gè)機(jī)器人的目的是為緊急情況創(chuàng)造一個(gè)更好的用戶界面，在這種情況下，人類的感覺和控制是至關(guān)重要的，而沒有一個(gè)人在場(chǎng)。這種機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人之間的不同之處在于，它可以通過模擬的方式進(jìn)行無線控制，僅僅基于用戶的動(dòng)作，同時(shí)還可以使用多種工具的可用性。這將用戶的自然運(yùn)動(dòng)與機(jī)器的能力結(jié)合起來，這樣問題就可以通過一個(gè)人的直接的視角來解決。最后，從接口處理的所有數(shù)據(jù)將通過wi-fi發(fā)送，以建立一個(gè)大型的移動(dòng)范圍的操作。這個(gè)概念結(jié)合了ARM的機(jī)動(dòng)性和機(jī)器的可用性。

1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)的主要組件包括微軟Kinect、MYO臂帶控制器、Raspberry Pi2、Lynxmotion機(jī)械臂、兩個(gè)外部電源，以及3D打印手。這個(gè)項(xiàng)目的主要目的之一是使機(jī)器人手臂控制無線從Kinect數(shù)據(jù)和用戶界面。用戶的動(dòng)作和手勢(shì)被Kinect和MYO捕獲，并被發(fā)送到筆記本電腦。這些數(shù)據(jù)被處理并發(fā)送到樹莓Pi2中，而樹莓Pi2則驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生控制移動(dòng)的馬達(dá)來復(fù)制用戶的手臂。

1.1 系統(tǒng)規(guī)范

接下來的子系統(tǒng)集成需要每個(gè)子系統(tǒng)的以下規(guī)范。

a.控制規(guī)范

為了正確地將用戶運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，臂控系統(tǒng)的位置必須具有特定的位置邊界。這是為了使每一個(gè)動(dòng)作看起來與用戶同步時(shí)看起來比較相似。當(dāng)手臂被設(shè)置為一個(gè)特定的位置，顯示的輸出數(shù)據(jù)必須小于±10°角輸入精度。輸出數(shù)據(jù)也應(yīng)小于±3英寸為每個(gè)位置的徑向。與此相結(jié)合的是，主要外部供應(yīng)的總功耗小于55瓦超過2.5小時(shí)。

b.軟件規(guī)范

為了正確解釋用戶運(yùn)動(dòng)，軟件系統(tǒng)必須能夠解釋每個(gè)位置精度小于±10°角輸入。輸出數(shù)據(jù)也應(yīng)小于±3英寸為每個(gè)位置的徑向。此外，在軟件設(shè)計(jì)中包含的圖形用戶界面，在整個(gè)采樣和模擬階段，必須對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)簡(jiǎn)單的控制。

c.通信規(guī)范

系統(tǒng)各部件之間的通信必須快速而安全。從樹莓Pi到計(jì)算機(jī)（最大的數(shù)據(jù)包發(fā)送）的總最大比特傳輸速率估計(jì)為13.06mb，最大時(shí)間估計(jì)為0.045s，假設(shè)在設(shè)備之間傳輸是即時(shí)的，而不考慮中斷。對(duì)于范圍來說，機(jī)器人擴(kuò)展和筆記本電腦之間的通信必須被高度考慮。這個(gè)范圍取決于路由器的無線范圍。然而，對(duì)于這個(gè)應(yīng)用，范圍估計(jì)至少有10米范圍。

d.手/工具規(guī)范

Myo臂章應(yīng)該能夠讀取用戶的手勢(shì)和滾動(dòng)的方向數(shù)據(jù)。為了關(guān)閉和打開手指，步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該能夠以正確的方向和角度旋轉(zhuǎn)，作為用戶的輸入。電機(jī)每步旋轉(zhuǎn)1.8度。指尖上的力傳感器應(yīng)該能夠探測(cè)和顯示施加了多少力。步進(jìn)電機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)，直到力的值達(dá)到設(shè)計(jì)值。而手腕上的伺服電機(jī)應(yīng)該能夠以正確的方向和角度連續(xù)旋轉(zhuǎn)，作為用戶的滾動(dòng)數(shù)據(jù)。

2 Kinect抽樣算法

Kinect采樣算法負(fù)責(zé)將Kinect的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為pwm數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以用來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手臂上的伺服馬達(dá)。該算法在結(jié)構(gòu)上嵌入到用戶界面的編碼中。該算法的最新版本設(shè)計(jì)為面向任務(wù)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)。采用該算法生成的角度表示，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的伺服電機(jī)。由于該算法是以任務(wù)為導(dǎo)向的，伺服電機(jī)的角度表示并不一定等于或接近于人臂下肢與下肢之間的真實(shí)角度。這表明，在計(jì)算中，只有末端執(zhí)行器的位置，而不是人類手臂的實(shí)際配置。

伺服電機(jī)1改變旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂的方向向量x-y平面，并在x-y平面方向向量的定義范圍是0°～180°。二維矢量由腕點(diǎn)x-y坐標(biāo)和肘點(diǎn)x-y坐標(biāo)的差來定義。在方向矢量定義后，可以用下面所示的數(shù)學(xué)公式找到角度：

Angle=57.2arctan（YX）

如果超過90°角，使用公式如下所示：

Angle=180-57.2arctan（YX）

在測(cè)試中，算法生成的末端執(zhí)行器位置將與人類手臂的末端執(zhí)行器位置進(jìn)行比較，以確定算法是否達(dá)到了理想的精度。為了驗(yàn)證準(zhǔn)確性，必須設(shè)計(jì)一種定量的測(cè)試方法。此外，由于Kinect傳感器的精度有限，從Kinect中提取的坐標(biāo)數(shù)據(jù)也會(huì)不斷變化。如果對(duì)機(jī)器人手臂提供的不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)值引起的神經(jīng)過敏，將開發(fā)一個(gè)濾波器功能來過濾掉小的數(shù)據(jù)變化，這樣就可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)Kinect的后數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最優(yōu)濾波器的功能特征。此外，從Kinect產(chǎn)生的坐標(biāo)數(shù)據(jù)也在公制單位中，因此，用矢量分析可以實(shí)現(xiàn)映射到另一個(gè)的過程。最后的結(jié)果是，兩個(gè)幀中的端點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行比較，因?yàn)樗鼈儽晦D(zhuǎn)換成相同的度量單位。

3 手/工具系統(tǒng)

手/工具系統(tǒng)連接到手臂的其余部分，設(shè)計(jì)用來模擬用戶手勢(shì)和手腕動(dòng)作的動(dòng)作。該系統(tǒng)由Myo臂帶、步進(jìn)電機(jī)、力傳感器和伺服電機(jī)四個(gè)主要組成部分組成。Myo臂帶讀取和發(fā)送手勢(shì)數(shù)據(jù)到筆記本電腦和筆記本電腦將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓pi，然后樹莓pi通過一個(gè)步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器將這些手勢(shì)數(shù)據(jù)發(fā)送到步進(jìn)電機(jī)。力傳感器讀取在指尖上施加的力，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到樹莓pi中，通過模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換器。Myo臂章也讀取滾動(dòng)的方向數(shù)據(jù)，并以同樣的方式發(fā)送方向數(shù)據(jù)伺服電機(jī)。

第一部分是手動(dòng)控制。手由步進(jìn)電機(jī)控制，步進(jìn)電機(jī)由Myo臂帶讀取的手勢(shì)數(shù)據(jù)控制?，F(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)控制完成，它可以旋轉(zhuǎn)，在預(yù)期的方向和角度。第二部分是力傳感器。力傳感器安裝在指尖上，它能夠探測(cè)到應(yīng)用于指尖的力量的價(jià)值。這些值可以在Rapsberry pi上讀取和顯示。手系統(tǒng)尚未完成的部分是實(shí)現(xiàn)力傳感器與步進(jìn)電機(jī)之間的中斷。力傳感器讀取的值應(yīng)該用來決定手能舉起工具的范圍。步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該一直旋轉(zhuǎn)，直到力傳感器探測(cè)到設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的力為止。第三部分是手腕控制?，F(xiàn)在這個(gè)系統(tǒng)能夠模擬滾動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)。手腕上有兩個(gè)伺服馬達(dá)：一個(gè)是用來模擬滾動(dòng)的，另一個(gè)是用來模擬音高的。伺服電機(jī)可以從Myo臂帶讀出定向數(shù)據(jù)，并在預(yù)期的方向和角度旋轉(zhuǎn)。未完成的部分是由myo的EMG數(shù)據(jù)控制另一個(gè)伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)俯仰運(yùn)動(dòng)。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)本系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明基于Kinect的機(jī)器臂車系統(tǒng)可以較理想地完成自主抓取任務(wù)。endprint