一種基于Leap Motion 與Android 手機(jī)控制的地震救援機(jī)器人應(yīng)用設(shè)計(jì)

彭登靖

（云南省地震局，云南 昭通 657000）

近年來(lái)，中國(guó)大陸范圍內(nèi)地震頻發(fā)，特別是云南省地區(qū)，2021-05-21 相繼發(fā)生了大理漾濞6.4 級(jí)、青海瑪多7.4 級(jí)地震。地震發(fā)生后，土建木質(zhì)式建筑頃刻間倒塌，人們根本沒(méi)有時(shí)間逃跑，被埋于廢墟之下，受傷后如不能及時(shí)被搶救就會(huì)導(dǎo)致傷口感染、流血過(guò)多而死亡，身處震中開(kāi)展救援的救援隊(duì)員也面臨著余震隨時(shí)來(lái)臨的巨大威脅[1]。所以，研發(fā)地震救援機(jī)器人很有必要，有很大的應(yīng)用前景。

針對(duì)目前全球地震救援機(jī)器人的研究現(xiàn)狀[2]，本文結(jié)合地震災(zāi)區(qū)救援特點(diǎn)，利用現(xiàn)有資源條件，設(shè)計(jì)了一款外觀新穎、操控性強(qiáng)、系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)的地震救援機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)器人行走方式多樣且運(yùn)行平穩(wěn)，體驗(yàn)感好，操作多樣。

1 Leap Motion 設(shè)備

2013年Leap Motion 公司發(fā)布了一款用于檢測(cè)人體肢體動(dòng)作的小型體感傳感器，如圖1所示，它的尺寸規(guī)格為長(zhǎng)8 cm、寬3 cm、高6 cm，其內(nèi)部設(shè)計(jì)有2個(gè)信號(hào)攝像頭、3個(gè)紅外LED 燈，外觀設(shè)計(jì)優(yōu)美，體積小，功能強(qiáng)大，攜帶方便。

圖1 Leap Motion 設(shè)備

2個(gè)攝像頭和3個(gè)LED 紅外燈在空間中產(chǎn)生一個(gè)三維的信號(hào)立體空間區(qū)，如圖2所示，若以傳感器中心為原點(diǎn)建立一個(gè)空間直角坐標(biāo)系，其產(chǎn)生的有限空間信號(hào)區(qū)形狀類似于倒四棱錐[3]。

圖2 Leap Motion 發(fā)射的有效空間區(qū)域

2 Leap Motion 手勢(shì)識(shí)別

為更好跟蹤Leap Motion 手勢(shì)識(shí)別效果[4]，減少機(jī)器臂誤抓率，本文在PC 端安裝手勢(shì)虛擬機(jī)，該虛擬機(jī)可以將手勢(shì)的各個(gè)骨骼特征很好地在空間坐標(biāo)系中顯示出來(lái)，提高操作體驗(yàn)感。

虛擬手勢(shì)原理：進(jìn)入虛擬環(huán)境后，Leap Motion 以每秒20 幀的速度獲取手勢(shì)數(shù)據(jù)，并對(duì)手勢(shì)關(guān)節(jié)編號(hào)，而后對(duì)應(yīng)捕捉手勢(shì)各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，并在虛擬環(huán)境中虛擬出手勢(shì)模型。若目標(biāo)手勢(shì)離開(kāi)檢測(cè)范圍后，編碼會(huì)自動(dòng)取消，之前數(shù)據(jù)被清除，Leap Motion 再一次進(jìn)入待捕獲模式[5]。PC 端虛擬機(jī)還原手勢(shì)如圖3所示。

圖3 PC 端虛擬機(jī)還原手勢(shì)圖

3 救援機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示，Leap Motion采集手勢(shì)關(guān)節(jié)信息傳送至PC 端，PC 端通過(guò)Leap Motion 將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)連接串口的NRF24L01P無(wú)線通信器傳送至Arduino，機(jī)器臂接收到Arduino 指令后執(zhí)行相應(yīng)的手勢(shì)命令，攝像頭實(shí)時(shí)將前方路況情況反饋至PC 端，操作員根據(jù)視頻情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作[6]。

圖4 機(jī)器人系統(tǒng)具體流程圖

3.1 硬件選擇

3.1.1 機(jī)器人芯片

因Arduino 擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，此次試驗(yàn)選用2 塊Arduino 多功能板，1 塊用于控制機(jī)器人行走，1 塊用于控制機(jī)器臂。Arduino 的處理型號(hào)為ATmega2560[7]，芯片有75個(gè)串口，配備有無(wú)線Wi-Fi通信模塊，可在Windows、Macintosh OS X、Linux 上運(yùn)行。

3.1.2 電機(jī)

本次實(shí)驗(yàn)選擇GW4058-31ZY 大功率直流電機(jī)，電機(jī)配備齒輪變速箱，扭矩大、轉(zhuǎn)速快、過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定，適用于搬運(yùn)質(zhì)量較大的物體。

3.1.3 舵機(jī)

機(jī)器人行走使用的是數(shù)字型舵機(jī)LD-3015MG，其具有較強(qiáng)的負(fù)載能力，270°旋轉(zhuǎn)，控制精度高、線性度好、響應(yīng)速度快，對(duì)比選擇后，認(rèn)為此款舵機(jī)適合于本次實(shí)驗(yàn)中的機(jī)器人。

3.2 軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 APP 軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人行走上位機(jī)軟件是在Eclipse 編譯環(huán)境中編寫(xiě)的1個(gè)APP 軟件，如圖5所示，畫(huà)面中的命令按鈕對(duì)應(yīng)機(jī)器人的行走模式，按下按鈕會(huì)向Wi-Fi 模塊發(fā)送1個(gè)字符，1個(gè)字符代表一種行走模式。

圖5 機(jī)器人行走控制軟件

3.2.2 Processing 程序設(shè)計(jì)

手掌5個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)Leap Motion 的5 種識(shí)別方式，PC 端上位機(jī)軟件獲取相應(yīng)的識(shí)別數(shù)據(jù)，通過(guò)SDK 開(kāi)發(fā)包調(diào)用基本庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn)。本次使用的是JAVA 語(yǔ)言，在Processing 軟件中建立手勢(shì)坐標(biāo)，設(shè)置參數(shù)界面和數(shù)據(jù)傳輸串口參數(shù)，建立新的手勢(shì)模型，然后通過(guò)Processing 采集數(shù)據(jù)傳輸至PC 上位機(jī)端，在上位機(jī)端可看到手勢(shì)模型參數(shù)。其部分代碼如圖6所示。

圖6 手勢(shì)識(shí)別部分代碼

3.3 機(jī)器人的通信系統(tǒng)

機(jī)器人的行走通信是利用AR9331無(wú)線Wi-Fi模塊實(shí)現(xiàn)的，此模塊采用UART 串口傳輸數(shù)據(jù)，與Arduino有線連接，操作時(shí)，通過(guò)下位機(jī)APP 軟件連接其Wi-Fi信號(hào)即可。

機(jī)器臂的控制通信是利用NRF24L01P 射頻通信模塊實(shí)現(xiàn)的，將其引腳設(shè)置為發(fā)送或者接受模式，發(fā)送模塊連接PC 端；接受模塊連接Arduino 板，即可實(shí)現(xiàn)雙端通信。

攝像頭利用5G 無(wú)線路由器橋接進(jìn)行通信，本實(shí)驗(yàn)橋接3個(gè)無(wú)線路由器，通信距離在幾千米范圍。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

限于經(jīng)費(fèi)有限，機(jī)器人設(shè)計(jì)體積較小，功能有限，所以此次實(shí)驗(yàn)只能最大限度模擬地震災(zāi)區(qū)救援環(huán)境，操控機(jī)器人完成較小物塊搬運(yùn)、物資運(yùn)送等任務(wù)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)后將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總分析如下。

機(jī)器人行走測(cè)試。Android 手機(jī)連接上Wi-Fi 信號(hào)后，按照對(duì)應(yīng)的字符表進(jìn)行按鍵操作，如表1所示，機(jī)器人可按照字符對(duì)應(yīng)的行走方式行走。

表1 機(jī)器人行走對(duì)應(yīng)字符表

機(jī)器臂執(zhí)行和動(dòng)作識(shí)別測(cè)試。打開(kāi)虛擬軟件，進(jìn)入虛擬界面，任意做幾組手勢(shì)動(dòng)作，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。結(jié)果表明，手勢(shì)關(guān)節(jié)明顯，動(dòng)作清晰，可識(shí)別水平狀態(tài)、向右移動(dòng)、向上移動(dòng)、向下移動(dòng)、手掌旋轉(zhuǎn)、手掌張合等動(dòng)作。當(dāng)手移動(dòng)較快時(shí)，虛擬機(jī)無(wú)法識(shí)別或識(shí)別不準(zhǔn)。

圖7 虛擬機(jī)手勢(shì)識(shí)別

進(jìn)行100 次實(shí)驗(yàn)后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，手勢(shì)識(shí)別時(shí)間差異不大，受傳感器、虛擬機(jī)識(shí)別、機(jī)器人硬件、軟件等設(shè)計(jì)影響，出現(xiàn)虛擬機(jī)識(shí)別次數(shù)變化大、機(jī)器臂執(zhí)行率較低、執(zhí)行動(dòng)作不準(zhǔn)確等現(xiàn)象。

表2 機(jī)器臂執(zhí)行和虛擬機(jī)識(shí)別情況統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)論

用外接傳感器連接Wi-Fi 無(wú)線控制機(jī)器人開(kāi)展地震救援是本文的創(chuàng)新之處，機(jī)器人操控簡(jiǎn)單，可執(zhí)行危險(xiǎn)區(qū)域、救援人員無(wú)法達(dá)到地方的救援任務(wù)。另外，此機(jī)器人系統(tǒng)在軍事偵查、機(jī)器人示教、醫(yī)療應(yīng)用等領(lǐng)域也有較好的應(yīng)用場(chǎng)景。但缺點(diǎn)與不足也有很多，比如通信距離有限，限于目前無(wú)線通信技術(shù)限制，機(jī)器人通信距離僅為20 m 左右，在實(shí)際地震救援中此通信距離較短。控制精度不高，限于Leap Motion 傳感器設(shè)計(jì)，手勢(shì)動(dòng)作存在識(shí)別不準(zhǔn)確或者不識(shí)別（卡盾）的情況，緊急救援時(shí)存在很大危險(xiǎn)隱患。