基于彩色图像传感器的机械手臂控制系统方案设计

张显雨 内蒙古工业大学

基于彩色图像传感器的机械手臂控制系统方案设计

张显雨 内蒙古工业大学

本文以彩色图像传感器为基础，设计了一种新型的手臂控制系统。首先，对系统硬件的组成进行了优化，使之可以承担更精细的任务；其次，对系统软件设计方法进行了论述，简要介绍了其工作原理与工作程序。随后，对彩色图像传感器的机械手臂进行了模拟运算。运算结果发现：本系统设计能够增强用户开发和使用体验，对环境有着良好的适应性，有着较为广泛的应用前景。

彩色图像 传感器 机械手臂 控制系统 方案设计

1 理论概述

仿真机械手臂是机器人应用领域的重要研究方向。伴随信息技术的不断升级，传统大型仿真机械手臂使用的传感器已滞后于新技术的发展。这就导致仿真机械手臂使用程序繁琐，难以通过指定的指令或操纵杆对机械手臂进行控制。为此，许多学者对基于彩色图像传感器的机械手臂控制进行了研究。张良国等（2002）在其学术中提到，使用彩色图像特征的传感器，对机械手臂控制系统具有极强的优势，在实际工程机械应用中有着极为长远的发展前景。林海波（2013）在文献中提到了一种新方法。即在色彩图像传感器的基础上，设计了机械手臂运动路径规划方案。通过这种方案，能充分应用到实际机械工程，并可以取得良好的效果。通过对上述文献的整理发现，学者对彩色图像传感器机械手臂的控制系统方案设计，虽能提升实际机械工作中的应用效果，但尚未充分将彼此之间的关系理清。本文通过改进并优化了一些技术方案，设计出一套基于图像传感器的软硬件结合的机械手臂控制思路，并实时控制机械手和机械臂的运动。

2 系统硬件设计

本文所设计的系统，是建立于Windows Embedded的Atom平台工控主板，以及无线通信模块基础上，由Kinect传感器所操控。同时借助单片机的舵机控制器，以及4关节6自由度机械臂和五指仿真机械手组成。在组装好系统之后，详细工作流程如下所示：当Kinect传感器的彩色摄像头捕捉操作者手臂和手指的动作时，将采集到的数据传输到平台上位机并进行处理；随后，平台依据该数据，进一步建模、计算出每个关节舵机的角度。这一系列过程，是通过无线模块与舵机控制器实时通讯，使得舵机控制器上的单片机和控制电路根据命令输出不同占空比，以实现角度调整对人体动作进行模拟。

3 系统软件设计与运行

在系统软件设计部分，是由嵌入式平台中的上位机软件、通讯模块程序，以及舵机控制板上的下位机软件构成。流程从数据采集到分析过程共包含3个环节，具体如下。

3.1 图像源数据的采集

对图像像素的聚类，应首先考据物体与传感器之间的像素距离。学者们认为，最近的一类距离就是平均所取得的距离。而在聚类中心附近取得所需要的阈值，可在该阈值截取出固定手臂的准确像素，以此运用所得数据将像素与物像深度结合。同时，可利用截取的彩色像素作为遮盖物，从彩色像素中截取所需要的手臂部分像素。

3.2 以扫描算法与角点检测为根据，确定指尖和指蹼

在一个包含平面上，所有点最小凸多边形叫做凸包，以此为模型形成概念上的指蹼。其中，我们可将手部凸包作为手臂图像中的端点。例如，可将手臂与指尖外缘点的连线，构成一个多边形。同时，利用Graham扫描算法，算出手部凸包找到手型外部的凸包距离，以此为根据确定指尖与指蹼的距离算法。

3.3 基于阈值分割和SVM的手势检测

在上一环节的基础上，文章进一步利用阈值分割与手势检测方案，对机械手臂控制方案进行检验。从中发现，本方案已初步实现针对单个手指位置检测，能够根据人体手部的状态完成各类动作。以鲜明案例作为参考，如食指自然伸直，其他手指呈弯曲形状，据此可以认为操作者想做出“一”的手势，而且判断准确。但是，由于手腕运动不足等问题，识别精准度会下降。因此，需要利用更先进的技术，对此进行改进升级，进而优化系统运行。

4 系统实现效果

运行上述系统之后，对机械手臂进行人体动作进行追踪与模仿。捕捉人手指和手臂动作，以此分析机械手实时模拟人体手指动作、手势控制机械臂运动和抓物等功能。据此，形成了一系列的重要模式，在不限制光照情况下，距传感器距离50cm的自由空间内实现对五指、手臂的捕捉和建模。因此，机械臂能够在60cm见方空间内，实现全自由度运动，这种运动依然比较稳定、精准。

5 结论与展望

本文基于Kinect彩色传感器提出了优化机械手臂控制系统，使得操作者能够更好的实现工作。同时，本系统需要进行手臂追踪模拟，这样在实际操作中具有实用性。

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