基于彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統方案設計

張顯雨 內蒙古工業大學

基于彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統方案設計

張顯雨 內蒙古工業大學

本文以彩色圖像傳感器為基礎，設計了一種新型的手臂控制系統。首先，對系統硬件的組成進行了優化，使之可以承擔更精細的任務；其次，對系統軟件設計方法進行了論述，簡要介紹了其工作原理與工作程序。隨后，對彩色圖像傳感器的機械手臂進行了模擬運算。運算結果發現：本系統設計能夠增強用戶開發和使用體驗，對環境有著良好的適應性，有著較為廣泛的應用前景。

彩色圖像 傳感器 機械手臂 控制系統 方案設計

1 理論概述

仿真機械手臂是機器人應用領域的重要研究方向。伴隨信息技術的不斷升級，傳統大型仿真機械手臂使用的傳感器已滯后于新技術的發展。這就導致仿真機械手臂使用程序繁瑣，難以通過指定的指令或操縱桿對機械手臂進行控制。為此，許多學者對基于彩色圖像傳感器的機械手臂控制進行了研究。張良國等（2002）在其學術中提到，使用彩色圖像特征的傳感器，對機械手臂控制系統具有極強的優勢，在實際工程機械應用中有著極為長遠的發展前景。林海波（2013）在文獻中提到了一種新方法。即在色彩圖像傳感器的基礎上，設計了機械手臂運動路徑規劃方案。通過這種方案，能充分應用到實際機械工程，并可以取得良好的效果。通過對上述文獻的整理發現，學者對彩色圖像傳感器機械手臂的控制系統方案設計，雖能提升實際機械工作中的應用效果，但尚未充分將彼此之間的關系理清。本文通過改進并優化了一些技術方案，設計出一套基于圖像傳感器的軟硬件結合的機械手臂控制思路，并實時控制機械手和機械臂的運動。

2 系統硬件設計

本文所設計的系統，是建立于Windows Embedded的Atom平臺工控主板，以及無線通信模塊基礎上，由Kinect傳感器所操控。同時借助單片機的舵機控制器，以及4關節6自由度機械臂和五指仿真機械手組成。在組裝好系統之后，詳細工作流程如下所示：當Kinect傳感器的彩色攝像頭捕捉操作者手臂和手指的動作時，將采集到的數據傳輸到平臺上位機并進行處理；隨后，平臺依據該數據，進一步建模、計算出每個關節舵機的角度。這一系列過程，是通過無線模塊與舵機控制器實時通訊，使得舵機控制器上的單片機和控制電路根據命令輸出不同占空比，以實現角度調整對人體動作進行模擬。

3 系統軟件設計與運行

在系統軟件設計部分，是由嵌入式平臺中的上位機軟件、通訊模塊程序，以及舵機控制板上的下位機軟件構成。流程從數據采集到分析過程共包含3個環節，具體如下。

3.1 圖像源數據的采集

對圖像像素的聚類，應首先考據物體與傳感器之間的像素距離。學者們認為，最近的一類距離就是平均所取得的距離。而在聚類中心附近取得所需要的閾值，可在該閾值截取出固定手臂的準確像素，以此運用所得數據將像素與物像深度結合。同時，可利用截取的彩色像素作為遮蓋物，從彩色像素中截取所需要的手臂部分像素。

3.2 以掃描算法與角點檢測為根據，確定指尖和指蹼

在一個包含平面上，所有點最小凸多邊形叫做凸包，以此為模型形成概念上的指蹼。其中，我們可將手部凸包作為手臂圖像中的端點。例如，可將手臂與指尖外緣點的連線，構成一個多邊形。同時，利用Graham掃描算法，算出手部凸包找到手型外部的凸包距離，以此為根據確定指尖與指蹼的距離算法。

3.3 基于閾值分割和SVM的手勢檢測

在上一環節的基礎上，文章進一步利用閾值分割與手勢檢測方案，對機械手臂控制方案進行檢驗。從中發現，本方案已初步實現針對單個手指位置檢測，能夠根據人體手部的狀態完成各類動作。以鮮明案例作為參考，如食指自然伸直，其他手指呈彎曲形狀，據此可以認為操作者想做出“一”的手勢，而且判斷準確。但是，由于手腕運動不足等問題，識別精準度會下降。因此，需要利用更先進的技術，對此進行改進升級，進而優化系統運行。

4 系統實現效果

運行上述系統之后，對機械手臂進行人體動作進行追蹤與模仿。捕捉人手指和手臂動作，以此分析機械手實時模擬人體手指動作、手勢控制機械臂運動和抓物等功能。據此，形成了一系列的重要模式，在不限制光照情況下，距傳感器距離50cm的自由空間內實現對五指、手臂的捕捉和建模。因此，機械臂能夠在60cm見方空間內，實現全自由度運動，這種運動依然比較穩定、精準。

5 結論與展望

本文基于Kinect彩色傳感器提出了優化機械手臂控制系統，使得操作者能夠更好的實現工作。同時，本系統需要進行手臂追蹤模擬，這樣在實際操作中具有實用性。

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