基于Leap Motion的單指令式追蹤機械筆

江連會，龐嘉鴻，馬方粲，胡雨杭

（武漢理工大學 機電工學院，武漢 430070）

殘疾人克服寫字的困難需要長時間的改變和適應，握筆書寫的字體潦草，甚至可能無法正常寫字。此外，年邁的老人由于缺乏鍛煉等原因握筆寫字能力下降，不利于遺囑等需要親筆簽字的現(xiàn)實生活問題的解決。市面上缺少輔助殘疾人群寫字的器具，雖然電子板能夠一定程度上實現(xiàn)寫字功能，但無法識別并顯示潦草字體。因此，急需一款特殊群體輔助寫字器具。針對以上問題，建立了機械—電—手勢的系統(tǒng)體系：基于Leap Motion的單指令式追蹤機械筆，可以很好地解決手部殘疾人群和握筆困難的老年人群體的寫字問題，使上述人群獨立完成寫字任務。

1 整體工作思路

基于Leap Motion的單指令式追蹤機械筆由上位機（處理Leap Motion數(shù)據的電腦）和下位機（機械結構和電路）組成。

用戶在 Leap Motion滑動手指，傳感器得到數(shù)據后，經USB協(xié)議將處理后的數(shù)據傳到上位機，上位機通過藍牙模塊發(fā)送處理后的數(shù)據。在相應的藍牙端口，微型處理機MPU獲取藍牙模塊的數(shù)據并轉換，以PWN信號輸送給驅動模塊，進而驅動3個步進電機進行工作，達到機械筆運作的目的。

2 Leap Motion軟件算法設計

控制系統(tǒng)軟件設計分為上位機控制系統(tǒng)的軟件設計和下位機控制系統(tǒng)的軟件設計。上位機控制系統(tǒng)主要由PC機完成手指信息的采集、數(shù)據處理及發(fā)送的功能；下位機控制系統(tǒng)主要由MPU完成數(shù)據接受處理、指令轉換以及舵機和步進電機控制的功能。

2.1 上位機軟件算法設計

采集途徑：在C++的編譯環(huán)境下加載Leap Motion的SDK，調用其相關的函數(shù)或API，程序運行后可獲取手部各類信息內容。

左右手識別：C++配置的頭文件中聲明HandList類，調用該方法實現(xiàn)左、右手的識別。確定左、右手后，鎖定識別的手部id，避免左、右手同時運動帶來信號干擾。

手指識別：程序識別確定寫字的手指骨后，Leap Motion傳感器鎖定追蹤其運動軌跡，實現(xiàn)單指令追蹤功能。系統(tǒng)的信息來源為單一目標源，數(shù)據輸入更加穩(wěn)定、準確。

構造自定義平面：Leap Motion采用自定的坐標系統(tǒng)建立坐標，手指軌跡需通過算法轉換才能捕獲真實值，設計構建自定義平面以減少計算機換算的負擔。在手指識別后，Leap Motion傳感器采樣3個點，完成自定義平面的構建。

采樣：本項目采用C++進行開發(fā)，獲取數(shù)據的速度快、數(shù)據的靈敏度高。C++編寫的程序開發(fā)Leap Motion有30～40幀的函數(shù)調用頻率，在此采樣基礎上，軟件編程和數(shù)據處理更便利。

濾波：Leap Motion硬件采用兩個分辨率為640×240的高幀率攝像頭，采樣頻率高達kHz級別，使手指移動的信息完整地保留。為了解決噪聲問題，需引入動態(tài)滑動平均濾波器，實現(xiàn)低通濾波功能，提高系統(tǒng)的抗干擾性。

擬合回歸直線：經過滑動平均濾波器的采樣點并不能嚴格滿足線性關系，加之抖動等因素，使得字體的直線與點的線性關系變成非線性，因此，需要引入回歸方程，將經滑動平均濾波器處理后的采樣點擬合成線性直線。

2.2 下位機軟件算法設計

下位機的軟件算法通過加入增益系數(shù)K，調整步進電機的PWN（方波），達到字體大小放縮的效果。

2.3 操作界面軟件算法設計

操作界面部分主要執(zhí)行下位機不同工作模型轉換的指令發(fā)送工作，用于發(fā)送高度調整、筆芯切換、開始或者結束寫字等信號。

3 下位機機構設計

下位機機械機構由高度調節(jié)機構、橫向進給機構、縱向進給機構以及筆芯切換機構構成。高度調節(jié)機構使筆芯遠離或接近夾紙板；縱向進給機構、橫向進給機構分別實現(xiàn)縱向與橫向的平移；筆芯切換機構實現(xiàn)筆芯的轉換和定位。

4 控制電路設計

為了實現(xiàn)筆芯高度調節(jié)、橫向及縱向移動的功能，考慮到步進電機的安裝空間、筆芯的低速運動等因素，采用3個42型步進電機作為3個獨立驅動源?？刂菩盘栆?6細分工作，提高筆芯寫字的準確性和穩(wěn)定性。本方案設計串口轉藍牙模塊作為傳輸方式，實現(xiàn)上位機與下位機之間的無線通訊。為了實現(xiàn)筆芯切換機構的筆芯切換功能，經受力分析，綜合舵機安裝位置、筆芯切換角度等因素，選取SD-5舵機作為獨立的驅動源。

5 結束語

本作品針對手殘疾人群和握筆寫字困難的老年人群體，通過Leap Motion單手手勢的識別追蹤，經過無線模塊、驅動裝置完成寫字任務，滿足特殊群體的寫字要求。與其他殘疾人輔助器具相比，本作品需求結構少而簡單。

本作品在調研中受到好評，可以填補寫字輔助產品市場空白，未來可改進推廣甚至完全替代現(xiàn)有寫字板等接觸式輔助寫字裝置，應用前景廣闊。

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