一种基于手势识别并应用于教学示范的六轴机械手

劳振鹏 东莞理工学院 机械工程学院 黄市生 黎梓恒 曾志彬 吴国洪 东莞市横沥模具科技产业发展有限公司 陈学忠 广东石东实业（集团）公司

前言：当前国内外的六轴机械手控制技术发展得越来越成熟，无论是从控制精度，还是从应用效果看，其发展都能得到充分的肯定。然而，随着智能制造的热潮，在研究过程中发现，六轴机械手的传统控制方式离不开键盘、鼠标或者示教盒，其操作过程复杂，而且其操作人员需要一定的专业技术，不适合广泛应用于教学示范过程。此外，通过键盘或者示教盒控制该类机械手，用于人机交互的控制面板发生故障时，需要等待专业的维护人员检查维修，极大影响机械手的工作效率。

针对以上现象，本文提出一种基于手势识别并应用于教学示范的六轴机械手的开发方案，以解决传统的机械手控制方式不适合广泛应用于教学示范过程的不足，改善人机交互方式，提高工作效率。

1 硬件平台设计

六轴机械手是多关节、多自由度的机器人，动作多，变化灵活，是一种柔性技术较高的工业机器人，它的控制方式很大程度上影响着它的工作效率。为实现利用kinect传感器手势控制六轴机械手，本文的硬件结构设计如图1所示，图中左侧为铝柜，右侧为六轴机械手。铝柜由铝型材组装而成，具有第一层平台和第二层平台，由下往上为第一层平台、第二层平台。本文将机械手控制器设置在铝柜的第一层平台，控制器里含有三个运动控制卡，运动控制卡一用来控制关节Ⅰ、关节Ⅱ、关节Ⅲ；运动控制卡二用来控制关节Ⅳ、关节V、关节Ⅵ，运动控制卡三用来控制加装在六轴机械手末端的伺服电机。其中运动控制卡一控制的关节是空间位置关节，运动控制卡二控制的关节是姿态关节，其包括I／O模块、驱动器、伺服电机等。铝架的第二层平台放置计算机，该计算机用于采集图像和深度数据，并进行数据融合处理，向运动控制卡发送下一步的指令等。进一步的，同样在第二层平台，并且是在计算机的上方设置了kinect视觉体感器，用于采集手势姿态信息，作为控制六轴机械手的直接指令。该六轴机械手通过底座的四个螺栓孔可固定在车间地面，它具有一个夹具和五个关节，关节Ⅰ、关节Ⅱ、关节Ⅲ、关节Ⅳ、关节V、关节Ⅵ，夹具与每个关节都是由伺服电机驱动。

本文所设计的硬件平台的电性连接部分具体为，计算机通过USB数据线与kinect视觉体感器连接、通过PCI总线与机械手控制器连接。继而，机械手控制器通过连接三块转接板进而连接七个驱动器、七个伺服电机。计算机作为图像和深度数据的采集中心与数据转换中心，它及时有效地将从kinect视觉体感器获取的手势指令转换成机械手控制器可识别的模拟量指令。

图1 硬件平台示意图

2 软件系统搭建

通过Kinect for Windows SDK 开发，使用有深度摄像机的kinect设备进行动静态手势识别，计算机获取特定的手势动作指令，然后进一步发送相对应的命令给机械手控制器，进而驱动各个关节的电机，完成六轴机械手抓取物体、行走和放下物体的全过程。通过计算机软件编程和运动控制卡来控制机械手，能够达到手势控制机械手运动与搬运的目的，实现自然的人机交互。其中，在以手指为主的手势识别过程中，需要进行的步骤为，首先，检测镜头到手掌心的距离L；然后以手掌心为圆心，尺度为1mm绘制多个同心圆；接着在同一圆弧上按照顺时针方向检测所有的像素点，并且对比从上一像素点到该像素点是否发生了数值变化，黑色像素点记为0，白色像素点记为1；最后统计黑色像素点与白色像素点在每个同心圆的对数，结合全部同心圆，最大的对数即为该手势对应的手指的数量。

启动该六轴机械手控制系统，在kinect视觉体感器的正前方执行张开右手掌的动作，计算机获取了五指张开的手势指令，进而计算机发送相对应的命令给机械手控制器，运动控制卡三工作，驱动伺服电机带动螺栓反向转动，弹簧伸长，夹具张开。相对应的，面向kinect视觉体感器执行右手握拳的动作，夹具夹紧。类似的，执行右手抬起与右手自然下垂的动作，系统将驱动关节Ⅱ的伺服电机发生正转（顺时针旋转）与反转（逆时针旋转）。控制其它关节的运动将通过识别其它特定的手势动作来完成。

3 结束语

本文所做的工作总结如下：第一，设计了一种基于手势识别并应用于教学示范的六轴机械手的硬件结构；第二，搭建了相关的手势识别系统以及控制系统并做了较具体的分析。