基于手势控制算法的助老服务机器人

刘宇栋 邱楠

摘 要：我国老龄化问题日趋严峻，其特点为行动不便，本文提出了一种基于手势控制算法的助老服务机器人。助老服务机器人由智能感应手套、装有麦克那姆轮的智能移动车、机械控制臂和机械手组成。该机器人通过多传感器信息融合技术来控制机器人的运动，有效提高仿人机械手的操作性能和适应性，能够完成室内全方位的手势检测和执行任务，可以帮助老人实现在居家生活中一些物体抓取功能，具有较强的实际应用价值。

关键词：手势控制算法；助老服务；智能感应手套；麦克那姆轮

中图分类号：TP391.41；TP11 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）20-0063-02

当今我国老龄化趋势日益严峻（如图1所示近年60岁以上老人数量统计及未来预计分布图），许多老人及行动不便群体备受社会关注。他们会因身体条件衰弱，无法适应现代数字生活模式，面临力量不足，卧床等问题，有必要为他们设计一款轻松便捷和人自然行为趋同的操作平台。

当下手势控制作为一种正在蓬勃发展的现代控制方式[1-4]，具有操作简单、灵活性高等特点。笔者运用移动端捕捉手势的变化来执行命令，使老年人通过简单的手套自然行为操控，如手指弯曲、手臂摇动，就可以完成他们想要的简单动作，大大提高了易掌握性。最终提出了基于手势控制算法的助老服务机器人。该机器人由智能感应手套和搭载了机械手、机械臂的智能小车组成。

1 基于手势控制算法的助老服务机器人介绍

基于手势控制算法的助老服务机器人主要由智能感应手套和机器人智能小车组成，其中机器人智能小车包括了智能车、机械旋转臂和机械手。

在一次行为指令完成过程中，智能感应手套通过传感器对人手指运动情况进行感应（如手指弯曲检测传感器对应弯曲角度指令），将感应到的数据信息通过单片机和无线射频模块进行处理传递给手势控制车、机械旋转臂和机械手，使有需要者可以通过手势准确远程控制搭载了仿人机械手及机械臂的移动平台，从而辅助完成受限行动。

同时，在智能感应手套上安装一键切换控制模式的按钮，切换前是控制机械臂模式，按下切换按钮后，程序将保持机械臂最后状态静止不动，并进入控制智能车模式，完成智能车控制后，可再按按钮，实现两者之间的来回切换。

2 各部分组成及工作原理

2.1 智能感应手套组成

基于手势控制算法的助老服务机器人智能感应手套的主体模块由开源硬件单片机（Arduino）、弯曲度传感器（flex 4.5版本）、六轴陀螺仪（JY61）和无线射频模块（XBee）组成。通过弯曲度传感器感知五根手指的手势以及手腕的弯曲，由六轴陀螺仪捕捉手部的空间位置及移动，以无线射频作为通讯工具，并将这些功能用单片机结合，以实现远程手势控制的目的。

2.2 智能车组成

为了实现助老服务机器人远距离的操作和自由运动，笔者研制了通过手势控制的智能车模型。该模型主体由接收端XBee模块与接收端单片机、JY61空间运动传感器（简称“陀螺仪”）、自主设计搭建的智能车组成。该接收端单片机和XBee模块与上述传送端XBee模块与传送端单片机进行点对点的连接，最终实现信息的传送。

2.3 机械臂和机械手

手勢控制机械臂可以实现灵活度较高的操作指令，其本身移动范围也可以满足普通任务的需求，达到手势控制的目的。手势控制机械臂实物图如图2所示。

在该部分中，将陀螺仪和弯曲度传感器在智能感应手套上结合，通过陀螺仪感知手部的空间位置及运动状态，通过腕部的弯曲度传感器捕捉手腕抬落变化，再经过数据处理完成了对机械臂上各个舵机的控制，从而达到机械臂实时模拟小臂动作的效果，并具有一定的精确度。最终实现机械臂和仿人机械手结合。

为用手势执行较复杂的连续指令，该创新制作了手势控制机械手模型（如图3）。手部屈肌可以通过接受的神经信号伸长或缩短，从而实现手指的屈伸。因此，基于仿生的思路，为实现机械手的弯曲灵活性，用绳子来代替手部屈肌，伺服舵机代替其伸长或缩短机制，以实现机械手手指的屈伸。

3 机器人应用实践案例

笔者邀请了一名行动不便的老者对发明的手势移动平台进行了尝试，完成了取杯子的一系列过程，包括出发取杯子、手势车到达目的地、机械手拿起杯子、返回出发地、完成任务等过程，具体如图4-7所示。

上述基于手势控制算法的助老服务机器人帮助老人完成一次完整的取物过程，该体验得到了老人的好评。认为该创新可以成功解决行动不便老人的困难，具有很好的社会应用前景，可以进行推广。

结合上述解决行动受限问题的助老服务机器人阐述，该创新可以应用于以下几个方面：

（1）辅助行动不便的人。他们可以通过该移动平台上的机械手实现需要的操作，直接采用手势控制也使得操作更加直接而灵活。

（2）代替人在人不能够进入的特殊环境下进行远程操作，如有毒气体或核污染的环境。也可在生化实验等可能发生危险的场所作为人工操作的代替。

（3）对于运动姿态的记录。如可以对医生手术时的手部移动进行记录，以提供可以分析和学习经验的数据。

4 结论与展望

结合上述基于手势控制算法的助老服务机器人阐述，得出以下结论：

（1）本创新提出了一种解决行动受限问题的助老机器人，能够成功地解决现实生活中行动受限的难题。

（2）与传统的视频检测手势的方式相比，基于手势控制算法的助老服务机器人采用惯性测量器件检测手势，可以有效的降低系统软硬件成本和算法难度。

（3）基于手势控制算法的助老服务机器人无需借助手机、电脑、摄像头等其他电子设备，可以直观的控制仿人机械手的运动，有效提高了仿人机械手操作性能和作业水平，可适应多种不同环境的应用需求，易于推广与应用。

参考文献

[1]刘梁，滕鹏，周诗华，展文豪.一种手势控制小车运动系统的设计与实现[J].数字技术与应用，2017，（2）：26-27.

[2]海尔推出首款手势控制一体电脑[J].消费电子，2011，（12）：86-86.

[3]徐彬.手势控制技术在汽车上的应用[J].汽车维护与修理，2016，（04）：77-82.

[4]新华.手势控制技术新成果看电视不用遥控器[N].中国质量报.2008-10-16（009）.