遠(yuǎn)程人機(jī)交互機(jī)械手

胡 晨，彭元修

(南昌航空大學(xué) 信息工程學(xué)院，江西 南昌 330063)

1 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和進(jìn)步,工業(yè)機(jī)器人早已經(jīng)被廣泛地用于代替工人完成一些簡(jiǎn)單和重復(fù)性的勞動(dòng)[1]。由于仿人機(jī)械手具有極強(qiáng)的功能和通用性，可以代替人手在很多場(chǎng)合下完成各類復(fù)雜和靈巧的操作，因此仿人機(jī)械手成為現(xiàn)在機(jī)器人研究領(lǐng)域的焦點(diǎn)問(wèn)題[1]。通過(guò)樹莓派圖像識(shí)別，實(shí)時(shí)識(shí)別出人手掌的姿態(tài)，再使用無(wú)線傳輸手掌姿態(tài)和各種命令數(shù)據(jù)，進(jìn)而進(jìn)行遠(yuǎn)程操作機(jī)械手，擺脫了數(shù)據(jù)手套，并且能夠讓機(jī)械手代替人在各種惡劣的環(huán)境進(jìn)行較精密的操作，大大降低了人們對(duì)工作環(huán)境的限制和危險(xiǎn)。仿人機(jī)械手特別在日常生活、人工智能、搶險(xiǎn)救災(zāi)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中能有較好的應(yīng)用[2]。

目前大多數(shù)仿人機(jī)械手的遠(yuǎn)程控制都是搭配各式各樣的數(shù)據(jù)手套，不夠靈活和便攜。本文采用圖像識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)讓操縱者不再依賴數(shù)據(jù)手套，只需使用樹莓派和攝像頭，便可以很方便地對(duì)機(jī)械手進(jìn)行精確的遠(yuǎn)程控制，并且經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，證實(shí)其可以在現(xiàn)實(shí)生活中靈活的完成各種任務(wù)。

2 仿人機(jī)械手的工作原理

仿人機(jī)械手由5個(gè)手指頭和手腕組成，它們可以使用STM32直接在觸摸屏上進(jìn)行控制；同時(shí)也可以使用樹莓派對(duì)真人的手掌進(jìn)行識(shí)別，通過(guò)真人的手掌的姿態(tài)進(jìn)而遠(yuǎn)程控制仿人機(jī)械手，以便可以讓仿人機(jī)械手在各種環(huán)境下進(jìn)行復(fù)雜的任務(wù)。

仿人機(jī)械手的整體結(jié)構(gòu)如圖 1所示，它由觸摸屏、微控制器、驅(qū)動(dòng)單元、無(wú)線傳輸單元、圖像采集單元、樹莓派等六部分組成。

圖1 仿人機(jī)械手的構(gòu)成

仿人機(jī)械手有兩種控制的方式：①操作者通過(guò)機(jī)械手的主控電路板上面的TFT觸摸屏直接控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，這種控制方式由于主控板和機(jī)械手上面的驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)信號(hào)線相連，所以操作者不能距離機(jī)械手太遠(yuǎn)，而且需要操作者對(duì)于主控電路的系統(tǒng)需要一定的熟練度和了解；②攝像頭通過(guò)采集操作者的手的姿態(tài)，傳遞給樹莓派進(jìn)行處理，最后通過(guò)無(wú)線傳輸單元將手的姿態(tài)的數(shù)據(jù)和其他命令數(shù)據(jù)傳輸給微控制器，微控制器控制機(jī)械手進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。這種控制方式操作者可以距離機(jī)械手較遠(yuǎn)距離控制機(jī)械手，而且操作簡(jiǎn)單，對(duì)不同的工作環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。

3 仿人機(jī)械手的設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1.1 傳動(dòng)方式

機(jī)械手采用不同的傳動(dòng)方式，其靈活性、可操作性、體積等性能指標(biāo)都會(huì)有較大的差距。目前機(jī)械手采用較多的傳動(dòng)方式為腱傳動(dòng)和連桿傳動(dòng)[2]。

本文采用的傳動(dòng)方式為腱傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)單元和手指通過(guò)漁線進(jìn)行連接。驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)拉伸漁線使得手指彎曲，并且通過(guò)拉簧和壓簧使得手指回復(fù)原狀，進(jìn)而完成抓、握等各種動(dòng)作[3]。

3.1.2 驅(qū)動(dòng)方式

目前，用于機(jī)械手驅(qū)動(dòng)的電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)等。考慮到機(jī)械手的體積，所需力矩等因素，所以決定采用直流模擬舵機(jī)。它具有高精度、反應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、力矩大、體積小巧等特點(diǎn)。在舵機(jī)動(dòng)力輸出末端，加上了凸輪，使得手指可以完全屈伸。

3.2 軟件部分設(shè)計(jì)

3.2.1 圖像識(shí)別算法設(shè)計(jì)

圖像識(shí)別是機(jī)械手反應(yīng)速度和準(zhǔn)確度的核心之一，一個(gè)穩(wěn)定、快速的圖像識(shí)別算法，可以讓整個(gè)項(xiàng)目的實(shí)用性和穩(wěn)定性大大提高。這里涉及的需要處理的圖像是人的手掌。因?yàn)閳D像較為復(fù)雜，本項(xiàng)目采用計(jì)算機(jī)視覺來(lái)進(jìn)行處理，考慮到項(xiàng)目的整體大小、便攜性、處理速度等因素，本項(xiàng)目使用樹莓派3b+作為圖像處理的平臺(tái)。

隨著計(jì)算視覺技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的人機(jī)交互技術(shù)(如鍵盤、鼠標(biāo)等)逐漸無(wú)法滿足人們?nèi)粘；顒?dòng)中的應(yīng)用。許多研究工作致力于開發(fā)新的人機(jī)交互技術(shù)，包括手勢(shì)識(shí)別、人臉識(shí)別、人體姿態(tài)識(shí)別等。其中，手勢(shì)識(shí)別是人機(jī)交互中一種十分重要的交互方式，它主要由計(jì)算機(jī)通過(guò)視頻輸入設(shè)備(攝像頭等)對(duì)用戶手勢(shì)進(jìn)行檢測(cè)、跟蹤與識(shí)別，從而理解人的意圖[4]。

手勢(shì)識(shí)別已經(jīng)發(fā)展出很多算法，其中很多算法的一般處理步驟是手勢(shì)的分割、跟蹤、特征提取、分類識(shí)別以及深度學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行較為精準(zhǔn)識(shí)別。但是程序代碼量大，調(diào)試時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)入手難。本項(xiàng)目手勢(shì)識(shí)別采用入手簡(jiǎn)單的百度API接口技術(shù)。API相當(dāng)于連接前端和后端的一個(gè)接口[5]，非常適合程序員進(jìn)行軟件的開發(fā)。百度API只需要向API服務(wù)地址使用POST發(fā)送請(qǐng)求，然后將你需要處理的圖像編碼成相應(yīng)的識(shí)別格式[6]，就可以運(yùn)用百度云端的資源幫你處理圖像。最后，將返回的數(shù)據(jù)運(yùn)用在圖像上，重新繪制圖像，得到自己理想的圖像。

4 實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試仿人機(jī)械手整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，將進(jìn)行綜合性的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以猜拳游戲來(lái)進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)樹莓派來(lái)識(shí)別真人的手勢(shì)，機(jī)械手做出對(duì)應(yīng)手型來(lái)贏得猜拳游戲，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)和結(jié)果如圖2 所示。

圖2 猜拳游戲現(xiàn)場(chǎng)演示

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，手勢(shì)識(shí)別在日常的生活環(huán)境中，正確率高達(dá)90%以上。無(wú)線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)目前沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)掉數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象。并且仿人機(jī)械手完全可以勝任石頭、剪刀、布等多種手勢(shì)形狀。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從機(jī)械設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)來(lái)較詳細(xì)的描述仿人機(jī)械手整個(gè)項(xiàng)目的構(gòu)思、制作，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示展示了仿人機(jī)械手的可操作性。仿人機(jī)械手既可以通過(guò)主控電路上面的觸摸屏控制，又可以通過(guò)樹莓派3b+進(jìn)行遠(yuǎn)程操控和演示，本項(xiàng)目完全擺脫了目前市面上常用的數(shù)據(jù)手套，具有一定的先進(jìn)性和實(shí)用性。本文使用遠(yuǎn)程圖像識(shí)別技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套完全擺脫數(shù)據(jù)手套的遠(yuǎn)程仿人機(jī)械手，并且使用3D打印和三維建模，使機(jī)械手外觀仿人手化，模塊化，靈活性強(qiáng)，抓力強(qiáng)。本項(xiàng)目可以很好地實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的操作便捷性，通用性，以及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境良好的適應(yīng)性。為遠(yuǎn)程操作機(jī)械手提供了參考方案。