基于红外和彩色图像传感器的机械手臂控制系统

吴方亮

【摘 要】这篇文章基于红外与彩色图像传感器的机械手臂控制系统的设计进行研究，并通过三维仿真对其设计实现及应用效果进行验证。

【关键词】红外；彩色图像传感器；机械手臂；控制系统

当前，仿真机械手臂是是机器人应用领域的热点问题，伴随着信息技术的不断升级，大型的仿真机械手臂及其系统开发设计中，所采用的传感器结构较为复杂，而且成本太高，而小型机械手臂仿真研究中，其控制系统通过设定指令或者是摄像头等方式进行控制实现，但是会存在局限性。下面将结合现在的研究成果提出一种基于红外技术与彩色图像传感器的机械手臂控制系统，并通过三维仿真对其系统的设计实现进行研究。

一、基于红外与彩色图像传感器的机械手臂控制系统及其设计分析

基于红外与彩色图像传感器的机械手臂控制系统设计方案中运用了Kinect传感器套件的红外摄像以及彩色摄像等技术原理，以进行人体手部与上肢的数据采集，同时采用OpenNI软件来实现采集数据的分析处理，以对机械手臂的实时运动进行控制实现。

（一）硬件设计

基于红外与彩色图像传感器的机械手臂控制系统的硬件系统主要由建立于Windows Embedded的Atom平台工控主板以及Kinect传感器、通过借助单片机的舵机控制器、无线通信模块、五指仿真机械手和4关节6自由度机械臂等构成。其中，机械手指关节舵机的指尖由拉线固定在舵机盘上，通过对舵机盘的转动控制来完成手指屈伸动作。

根据上述基于红外与彩色图像传感器的机械手臂控制系统硬件设计情况，在系统工作运行中，通过Kinect传感器中的红外与彩色摄像功能进行人体手臂与手指动作捕捉，并将采集数据传送至嵌入式上位机进行处理，在建模计算后，根据每个关节舵机的角度由无线模块和舵机控制器的实时通讯支持，由舵机控制器中的单片机以及控制电路根据控制命令进行不同占空比的PWM方波输出，进行调整角度，完成对人体动作的模式，达到相应的机械手臂控制效果。

（二）软件设计

基于红外和彩色图像传感器的机械手臂控制系统软件设计中，主要包含嵌入式平台中的上位机软件以及通讯模块的结构程序、舵机控制板中的下位机软件三个部分。首先，实现人体手臂动作图像源数据的采集，上述基于红外与彩色图像传感器的控制系统设计方案中采用了OpenNI接口以实现彩色图像以及红外图像数据的采集，需注意，在通過上述通讯接口进行彩色图像与红外图像数据采集中，对接口采集数据信息需要进行转换，将以像素为单位的图像数据转换为以实际距离为单位的数据信息，来满足系统相应的图像数据采集与通信要求。

其次，在对采集与传输图像数据中的关键点提取和手势识别中，需要通过基于阈值分割和聚类计算等不同方法实现图像获取，对红外深度图像的像素数据根据物体距离传感器像素距离数据进行聚类计算分析后，提取手部关键点，并实现相应的动作图像获取。对手指指尖图像则需要采用基于Graham扫描算法与角点检测计算进行获取，在通过Graham扫描算法对手部凸包进行确定并获取手型外部凸包后，采用图像处理中的角点检测方法进行指蹼位置确定。采用基于阈值分割与SVM的手势检测方法对人体手势动作及其图像数据进行检测分析，以在基于红外与彩色图像传感器的机械手臂控制系统软件中设计实现，对其图像获取与分析处理提供支持。

最后，对系统的图形界面与通信模块设计中，采用C#GUI语言进行上位机图形用户界面，展示了实时二维抽象手臂模型必要参数，通过Java3D三维图形库实现了与实际参数相同的三维仿真平台设计，以进行测试模型数据测试分析应用；对系统通讯模块设计，采用基于C#的串口通讯模块设计，在系统的上位机与下位机之间通过字符串转字节流形式对每个舵机的编号及转动角度、移动速率等参数进行传输，并根据预定协议将有关参数编码形成字符串，通过基于RS232的串口通讯协议开发设计的通信程序进行传输实现，最后舵机控制器及其控制板外围电路传输下完成相应的实时控制命令。

二、基于红外与彩色图像传感器的机械手臂控制系统仿真效果

根据上述所设计提出的机械手臂控制系统方案，经仿真设计与实验分析后显示，该系统能够实现对三种不同模式下的人体手臂动作追踪与实时模仿，即对人体手指与手臂动作进行捕捉并通过机械手臂动作控制实现实施模仿、由机械手臂跟随人体手臂运动实时运动实现、通过手势动作对机械手臂运动及抓物功能进行控制实现。该仿真试验中，所设计提出的机械手臂控制系统能够满足任何光照条件下对传感器50cm以内的立体空间内手指与手掌、手臂动作等进行捕捉与建模分析，且其对手臂动作的识别精度能够达到1cm，在实现手臂动作实施跟踪与模仿中的移动时间延迟能够达到0.5s以内，同时机械手臂能够在60cm以内的立体空间内实现自由度运动，动作敏捷且稳定。

三、结束语

总之，对基于红外和彩色图像传感器的机械手臂控制系统研究，使得操作者能够在工作中更为方便，当然我们需要对这个控制系统进行优化，使得弥补一些不足之处，更加有利于应用，且其效果也会达到大大的提升。

【参考文献】

[1]王伟.基于单片机的机械手臂控制系统设计[J].机械管理开发，2018，33（01）：86-87.

[2]王贞玉.PLC和触摸屏在机械手臂控制系统中的应用研究[J].山东工业技术，2017（22）：139.