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ＬｅａｐＭｏｔｉｏｎ體感控制器的智能移動機械臂控制系統

2017-3-17 來源：北京理工大學珠海學院作者：羅回彬，劉春麗，董思奇，陳錫柯，楊哲宇

摘要：設計一種新型的移動機械臂控制系統，可以利用Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ體感控制器替代傳統的人機交互方式，進行手部數據采集，將其識別到的手勢動作經過計算機分析處理后，通過ＷｉＦｉ傳輸給開發板，進而控制機械臂模仿人手的動作，同時由于機械臂的載體是一個加載攝像頭的移動小車，可以很好地結合機械臂執行各種遠程遙控任務。實驗結果表明，該移動機械臂便捷靈活、操作簡單，能很好地應用在各種領域。

關鍵詞：ｌｅａｐ　ｍｏｔｉｏｎ；手勢識別；移動機械臂

0.引言

機器人是一種能夠進行編程并在自動化控制下執行某些操作和移動作業任務的機械裝置，在工業、醫學、農業、建筑業甚至軍事等領域中均有重要用途［１－２］。目前機器人很少是通過體感操控的［３－４］，人機交互通常都是依靠鼠標、鍵盤、觸摸屏。因此，人與機器人交互方式不夠直接和簡單。基于這點提出了一種新的機器人控制方式———體感控制，即操作者可以通過手勢對機器人進行控制，讓人直接用自己的手來指揮機器人進行動作，完成需要人機協作才能完成的任務。本項目研究的智能移動機械臂可通過Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ控制，實現機械臂模仿人類所做的手勢動作的功能，同時小車搭載攝像頭模塊更方便地實現機械臂的可操作性，實現機器人控制方式上的創新和更加自然的人機交互。

１.總體結構與原理

本項目主要利用Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ的小巧而且識別度精準的特性，通過其對手勢的動作進行分析轉化，并在機械臂及小車自帶搭載的ＷｉＦｉ環境下，進行對機械臂的控制，如圖１所示。

圖１　整體效果示意圖

本系統主要由上位機系統和下位機系統組成，上位機系統由ＰＣ機、Ｌｅａｐ通過ＷｉＦｉ把控制指令傳送給Ａｒｄｕｉｎｏ開發板；而Ａｒｄｕｉｎｏ開發根據不同的指令控制機械臂各關節的旋轉角度和小車的運動，從而完成預期的動作。同時，ＰＣ端和手機端也可以通過按鍵方式進行相應的命令操作，控制機械臂和小車完成預期的動作。

圖２　系統結構框圖

２.主要硬件模塊選型與設計

２．１ＬｅａｐＭｏｔｉｏｎ體感控制器

Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ是當下流行的以手部運動捕獲為主的體感設備，利用紅外成像的原理獲取手的運動圖像，檢測并跟蹤手、手指和類似手指的工具，可以實時獲取它們的位置、手勢和動作，并將這些靜態與動態信息提供給操作者。利用ＬｅａｐＭｏｔｉｏｎ根據每幀和前幀檢測到的數據所生成的運動數據，捕獲不同手勢和手勢的運動變化信息［５］。Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ采用了笛卡爾坐標系（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ　ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ），坐標的原點是設備的中心，坐標的Ｘ軸平行于設備，Ｙ軸指向上方，Ｚ軸指向背離屏幕的方向，單位為真實世界的ｍｍ［６－８］，如圖３所示。

圖３　Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ的笛卡爾坐標系

Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ檢測到手掌或者手指等目標對象的時候，其軟件系統還會自動為這個對象分配一個獨一無二的標識符，在設備的視野范圍內如果持續檢測到目標對象存在，這個標識符就保持不變。如果目標超出有效視野范圍，整個追蹤過程出現丟失或者失而復得的情況，ＬｅａｐＭｏｔｉｏｎ便會重新為目標對象分配一個新的標識符，同時使舊的標識符失效。

２．２機械臂模塊

如圖４所示，機械臂主要由大臂、小臂、舵機和機械臂爪組成。當手勢信息或按鍵命令傳給Ａｒｄｕｉｎｏ控制器后，它就先解析出動作指令再操控機械臂的舵機，讓機械臂做出相應的動作，具體功能描述如表１所列。

圖４　機械臂結構圖

表１　機械臂功能描述

２．３Ａｒｄｕｉｎｏ開發板

Ａｒｄｕｉｎｏ開發板具有開源，模塊化組裝，簡單實用等特性［９－１１］，本項目就是利用它的這些特性控制機械臂的舵機和小車的馬達，從而實現對小車和機械臂的控制，大大地縮短了開發的周期。

３.軟件設計及實現

３．１整體軟件設計及實現

本項目在軟件設計與實現中，ＰＣ端采用Ｗｉｎｄｏｗｓ系統、Ｃ＃語言，手機端采用Ａｎｄｒｏｉｄ系統、Ｊａｖａ語言。如圖５所示，主程序啟動后，進行Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ操作和按鍵操作的選擇界面，當操作者執行一個手勢或者一個按鍵操作后，ＰＣ端或手機端會有相應的函數對操作進行解析，再通過ＷｉＦｉ通信發送給Ａｒｄｕｉｎｏ開發板，然后Ａｒｄｕｉｎｏ開發板就會控制機械臂的舵機或者小車的馬達，從而讓它們運動。

３．２手勢識別

手勢動作具有以下三個特點：

① 時間可變性：完成同一個手勢所用的時間不一致。

② 空間可變性：完成同一個手勢的空間差異性。

③ 完整可變性：缺少信息或出現重復信息。

這些特點決定了動態手勢的識別難度，開發人員無法抽樣或將其作為一個整體來識別。因此，本項目主要通過對一只手手指的運動來進行捕獲，再轉換為指定的字母，化繁為簡，來控制機械臂和小車。

圖５　總體流程圖

在手勢轉換過程中，函數ＯｎＦｒａｍｅ（）為最核心的函數。在這個函數中，主要利用Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ　ＳＤＫ開發包的函數Ｅｘｔｅｎｄｅｄ（）對獲得數據進行處理，提取手部的運動特征。本系統可識別兩類手勢：一種是手指在空間運動，獲得手指數量；另一種是手指在平面內畫圈，包括順時針畫圈和逆時針畫圈。隨后，通過一個Ｓｗｉｔｃｈ（）語句對手指數量的判斷來轉換為相應的字母命令，每一個字母都有自己的指示動作，然后通過ＳｅｎｄＤａｔａ（）函數將字母傳送到Ａｒｄｕｉｎｏ開發板，具體流程如圖６所示。

圖６　手勢轉換過程流程圖

３．３小車與機械臂控制

進行手勢識別和轉換后，ＰＣ端將數據通過ＷｉＦｉ傳送至Ａｒｄｕｉｎｏ，Ａｒｄｕｉｎｏ開發板會通過調用Ｓｅｒｉａｌ．ｒｅａｄ（）函數和ｗｉｔｃｈ（）語句進一步判斷和指定機械臂或小車做出相應的動作，具體流程如圖７所示。

圖７　Ａｒｄｕｉｎｏ控制機械臂或小車操作的流程圖

３．４ＷｉＦｉ通信

在Ｉｎｔｅｒｎｅｔ中，ＴＣＰ／ＩＰ使用一個網絡地址和一個服務端口號來唯一標識設備。其中，網絡ＩＰ地址用于標識網絡上的特定設備；端口號用于標識要連接到的該設備上的特定服務。根據上述原理，本項目的服務器可以理解為ＰＣ端和手機端，而客戶端則是Ａｒｄｕｉｎｏ開發板。利用Ａｒ－ｄｕｉｎｏ開發板自帶的串口ＷｉＦｉ模塊構建ＷｉＦｉ局域網，將電腦或手機連接到已經搭建的ＷｉＦｉ環境中，實現Ｓｏｃｋｅｔ連接及通信。

在本項目中，用指定的地址和端口號初始化ＩＰＥｎｄ－Ｐｏｉｎｔ類的新實例，然后通過Ｓｏｃｋｅｔ編程就可以實現連接并通信。其中，設置的ＩＰ為１９２．１６８．８．１，端口號為２００１，協議是ＴＣＰ／ＩＰ，ＩＰＥｎｄＰｏｉｎｔ類主要有服務器的ＩＰ地址和端口信息，實現客戶端到服務器端的連接。Ｓｏｃｋｅｔ編程的基本過程如下：

① 創建一個Ｓｏｃｋｅｔ實例對象。

② 運用Ｃｏｎｎｅｃｔ（）方法將Ｓｏｃｋｅｔ實例對象連接到ＩＰＥｎｄＰｏｉｎｔ。

③ 接收并發送信息。

④ 最后用Ｃｌｏｓｅ（）方法來關閉Ｓｏｃｋｅｔ。

４.實驗結果

本項目在Ｗｉｎｄｏｗｓ７系統和Ａｎｄｒｏｉｄ智能手機進行實驗，實驗演示過程具體如下：

① Ｌｅａｐ　Ｍｏｔｉｏｎ體感控制器將手部信息發給ＰＣ端，ＰＣ端經過數據處理識別出手勢和手掌的運動軌跡，并將處理后的結果傳輸給Ａｒｄｕｉｎｏ，小車接收命令和數據，然后做出相應的動作，如圖８所示。

② 手機端通過按鍵操作命令，將相應的命令數據傳輸給Ａｒｄｕｉｎｏ，機械臂和小車根據接收的命令和數據做出相應的動作，如圖９所示。