基于紅外和彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統

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的設計進行研究，并通過三維仿真對其設計實現及應用效果進行驗證。

【關鍵詞】紅外；彩色圖像傳感器；機械手臂；控制系統

當前，仿真機械手臂是是機器人應用領域的熱點問題，伴隨著信息技術的不斷升級，大型的仿真機械手臂及其系統開發設計中，所采用的傳感器結構較為復雜，而且成本太高，而小型機械手臂仿真研究中，其控制系統通過設定指令或者是攝像頭等方式進行控制實現，但是會存在局限性。下面將結合現在的研究成果提出一種基于紅外技術與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統，并通過三維仿真對其系統的設計實現進行研究。

一、基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統及其設計分析

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

（一）硬件設計

基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統的硬件系統主要由建立于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關節6自由度機械臂等構成。其中，機械手指關節舵機的指尖由拉線固定在舵機盤上，通過對舵機盤的轉動控制來完成手指屈伸動作。

根據上述基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統硬件設計情況，在系統工作運行中，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，并將采集數據傳送至嵌入式上位機進行處理，在建模計算后，根據每個關節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控制命令進行不同占空比的PWM方波輸出，進行調整角度，完成對人體動作的模式，達到相應的機械手臂控制效果。

（二）軟件設計

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

其次，在對采集與傳輸圖像數據中的關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圖像獲取，對紅外深度圖像的像素數據根據物體距離傳感器像素距離數據進行聚類計算分析后，提取手部關鍵點，并實現相應的動作圖像獲取。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據進行檢測分析，以在基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統軟件中設計實現，對其圖像獲取與分析處理提供支持。

最后，對系統的圖形界面與通信模塊設計中，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，通過Java3D三維圖形庫實現了與實際參數相同的三維仿真平臺設計，以進行測試模型數據測試分析應用；對系統通訊模塊設計，采用基于C#的串口通訊模塊設計，在系統的上位機與下位機之間通過字符串轉字節流形式對每個舵機的編號及轉動角度、移動速率等參數進行傳輸，并根據預定協議將有關參數編碼形成字符串，通過基于RS232的串口通訊協議開發設計的通信程序進行傳輸實現，最后舵機控制器及其控制板外圍電路傳輸下完成相應的實時控制命令。

二、基于紅外與彩色圖像傳感器的機械手臂控制系統仿真效果

根據上述所設計提出的機械手臂控制系統方案，經仿真設計與實驗分析后顯示，該系統能夠實現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實施模仿、由機械手臂跟隨人體手臂運動實時運動實現、通過手勢動作對機械手臂運動及抓物功能進行控制實現。該仿真試驗中，所設計提出的機械手臂控制系統能夠滿足任何光照條件下對傳感器50cm以內的立體空間內手指與手掌、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，同時機械手臂能夠在60cm以內的立體空間內實現自由度運動，動作敏捷且穩定。

三、結束語

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

【參考文獻】

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