基于紅外和彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)

吳方亮

【摘 要】這篇文章基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)的設(shè)計進行研究，并通過三維仿真對其設(shè)計實現(xiàn)及應(yīng)用效果進行驗證。

【關(guān)鍵詞】紅外；彩色圖像傳感器；機械手臂；控制系統(tǒng)

當(dāng)前，仿真機械手臂是是機器人應(yīng)用領(lǐng)域的熱點問題，伴隨著信息技術(shù)的不斷升級，大型的仿真機械手臂及其系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計中，所采用的傳感器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且成本太高，而小型機械手臂仿真研究中，其控制系統(tǒng)通過設(shè)定指令或者是攝像頭等方式進行控制實現(xiàn)，但是會存在局限性。下面將結(jié)合現(xiàn)在的研究成果提出一種基于紅外技術(shù)與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)，并通過三維仿真對其系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)進行研究。

一、基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)及其設(shè)計分析

基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)設(shè)計方案中運用了Kinect傳感器套件的紅外攝像以及彩色攝像等技術(shù)原理，以進行人體手部與上肢的數(shù)據(jù)采集，同時采用OpenNI軟件來實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的分析處理，以對機械手臂的實時運動進行控制實現(xiàn)。

（一）硬件設(shè)計

基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由建立于Windows Embedded的Atom平臺工控主板以及Kinect傳感器、通過借助單片機的舵機控制器、無線通信模塊、五指仿真機械手和4關(guān)節(jié)6自由度機械臂等構(gòu)成。其中，機械手指關(guān)節(jié)舵機的指尖由拉線固定在舵機盤上，通過對舵機盤的轉(zhuǎn)動控制來完成手指屈伸動作。

根據(jù)上述基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)硬件設(shè)計情況，在系統(tǒng)工作運行中，通過Kinect傳感器中的紅外與彩色攝像功能進行人體手臂與手指動作捕捉，并將采集數(shù)據(jù)傳送至嵌入式上位機進行處理，在建模計算后，根據(jù)每個關(guān)節(jié)舵機的角度由無線模塊和舵機控制器的實時通訊支持，由舵機控制器中的單片機以及控制電路根據(jù)控制命令進行不同占空比的PWM方波輸出，進行調(diào)整角度，完成對人體動作的模式，達到相應(yīng)的機械手臂控制效果。

（二）軟件設(shè)計

基于紅外和彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中，主要包含嵌入式平臺中的上位機軟件以及通訊模塊的結(jié)構(gòu)程序、舵機控制板中的下位機軟件三個部分。首先，實現(xiàn)人體手臂動作圖像源數(shù)據(jù)的采集，上述基于紅外與彩色圖像傳感器的控制系統(tǒng)設(shè)計方案中采用了OpenNI接口以實現(xiàn)彩色圖像以及紅外圖像數(shù)據(jù)的采集，需注意，在通過上述通訊接口進行彩色圖像與紅外圖像數(shù)據(jù)采集中，對接口采集數(shù)據(jù)信息需要進行轉(zhuǎn)換，將以像素為單位的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為以實際距離為單位的數(shù)據(jù)信息，來滿足系統(tǒng)相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)采集與通信要求。

其次，在對采集與傳輸圖像數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵點提取和手勢識別中，需要通過基于閾值分割和聚類計算等不同方法實現(xiàn)圖像獲取，對紅外深度圖像的像素數(shù)據(jù)根據(jù)物體距離傳感器像素距離數(shù)據(jù)進行聚類計算分析后，提取手部關(guān)鍵點，并實現(xiàn)相應(yīng)的動作圖像獲取。對手指指尖圖像則需要采用基于Graham掃描算法與角點檢測計算進行獲取，在通過Graham掃描算法對手部凸包進行確定并獲取手型外部凸包后，采用圖像處理中的角點檢測方法進行指蹼位置確定。采用基于閾值分割與SVM的手勢檢測方法對人體手勢動作及其圖像數(shù)據(jù)進行檢測分析，以在基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)軟件中設(shè)計實現(xiàn)，對其圖像獲取與分析處理提供支持。

最后，對系統(tǒng)的圖形界面與通信模塊設(shè)計中，采用C#GUI語言進行上位機圖形用戶界面，展示了實時二維抽象手臂模型必要參數(shù)，通過Java3D三維圖形庫實現(xiàn)了與實際參數(shù)相同的三維仿真平臺設(shè)計，以進行測試模型數(shù)據(jù)測試分析應(yīng)用；對系統(tǒng)通訊模塊設(shè)計，采用基于C#的串口通訊模塊設(shè)計，在系統(tǒng)的上位機與下位機之間通過字符串轉(zhuǎn)字節(jié)流形式對每個舵機的編號及轉(zhuǎn)動角度、移動速率等參數(shù)進行傳輸，并根據(jù)預(yù)定協(xié)議將有關(guān)參數(shù)編碼形成字符串，通過基于RS232的串口通訊協(xié)議開發(fā)設(shè)計的通信程序進行傳輸實現(xiàn)，最后舵機控制器及其控制板外圍電路傳輸下完成相應(yīng)的實時控制命令。

二、基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)仿真效果

根據(jù)上述所設(shè)計提出的機械手臂控制系統(tǒng)方案，經(jīng)仿真設(shè)計與實驗分析后顯示，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對三種不同模式下的人體手臂動作追蹤與實時模仿，即對人體手指與手臂動作進行捕捉并通過機械手臂動作控制實現(xiàn)實施模仿、由機械手臂跟隨人體手臂運動實時運動實現(xiàn)、通過手勢動作對機械手臂運動及抓物功能進行控制實現(xiàn)。該仿真試驗中，所設(shè)計提出的機械手臂控制系統(tǒng)能夠滿足任何光照條件下對傳感器50cm以內(nèi)的立體空間內(nèi)手指與手掌、手臂動作等進行捕捉與建模分析，且其對手臂動作的識別精度能夠達到1cm，在實現(xiàn)手臂動作實施跟蹤與模仿中的移動時間延遲能夠達到0.5s以內(nèi)，同時機械手臂能夠在60cm以內(nèi)的立體空間內(nèi)實現(xiàn)自由度運動，動作敏捷且穩(wěn)定。

三、結(jié)束語

總之，對基于紅外和彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統(tǒng)研究，使得操作者能夠在工作中更為方便，當(dāng)然我們需要對這個控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，使得彌補一些不足之處，更加有利于應(yīng)用，且其效果也會達到大大的提升。

【參考文獻】

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