文清華大學(xué)附屬中學(xué) 劉宇棟 李允同 劉清揚(yáng)

當(dāng)今社會(huì)老齡化形勢日益嚴(yán)峻，許多老人及行動(dòng)不便群體備受社會(huì)關(guān)注，他們因力量不足、需長期臥床等問題造成日常生活的諸多不便，所以有必要為他們?cè)O(shè)計(jì)一款輕松便捷的操作平臺(tái)。

手勢控制作為一種蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代控制方式，具有操作簡單、靈活性高等特點(diǎn)。通過移動(dòng)端捕捉手勢的變化來執(zhí)行命令，人們利用簡單的手套就可以完成他們想要執(zhí)行的動(dòng)作。

通過查閱相關(guān)資料，我們?cè)O(shè)計(jì)了解決行動(dòng)受限問題的手勢控制移動(dòng)平臺(tái)。該平臺(tái)由智能手套和搭載了機(jī)械手的無人車組成。

一、智能手套

1.硬件設(shè)計(jì)

智能手套的主體模塊由開源硬件單片機(jī)、彎曲度傳感器、六軸陀螺儀（MPU6050）和無線射頻模塊（XBee）組成。通過彎曲度傳感器感知五根手指的動(dòng)作，由六軸陀螺儀捕捉手部的空間位置及移動(dòng)情況，以無線射頻作為通信工具，并將這些功能用單片機(jī)結(jié)合，達(dá)到遠(yuǎn)程手勢控制的目的。

智能手套選取彎曲度傳感器識(shí)別手指姿態(tài)。彎曲度傳感器可隨著其彎曲連續(xù)地改變阻值，能與手指彎曲度保持一致。阻值由單片機(jī)的模擬串口接收，同時(shí)將其轉(zhuǎn)化為1024個(gè)高、低電平信號(hào)。與單片機(jī)連接的電腦可檢測出其中的高、低電平信號(hào)數(shù)量（以下簡稱“pwm”值），并將其轉(zhuǎn)化為預(yù)設(shè)變量的值。

由傳感器輸出的pwm高、低電平值轉(zhuǎn)化成的串口數(shù)據(jù)經(jīng)過算法放大和除顫后轉(zhuǎn)化為角度發(fā)送給單片機(jī)，進(jìn)一步處理后再發(fā)送至無線通信串口。

智能手套采用空間運(yùn)動(dòng)傳感器芯片-六軸陀螺儀(MPU6050)獲取器件當(dāng)前的三個(gè)加速度分量和三個(gè)旋轉(zhuǎn)角速度，從而確定手部空間姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

XBee模塊是采用ZigBee技術(shù)的無線模塊，通過串口與單片機(jī)等進(jìn)行通信，能快速將設(shè)備接入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，具有信號(hào)傳輸距離遠(yuǎn)、速度快的特點(diǎn)。

將XBee連入開發(fā)底板后接入電腦，配套X-CTU程序?qū)Bee模塊進(jìn)行設(shè)置。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信中，設(shè)置其中一個(gè)a模塊為協(xié)調(diào)器，另一個(gè)b模塊為路由器，進(jìn)行相應(yīng)操作后，b模塊加入a模塊的網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信號(hào)傳輸。

2.軟件設(shè)計(jì)

智能手套軟件使用四元數(shù)法通過六軸陀螺儀進(jìn)行姿態(tài)解算得出手部位置及運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確狀態(tài)，然后結(jié)合彎曲傳感器數(shù)據(jù)得到整個(gè)手部的姿態(tài)及移動(dòng)狀態(tài)，最后將數(shù)據(jù)打包，通過無線模塊發(fā)送給與手套進(jìn)行無線連接的移動(dòng)平臺(tái)。智能手套軟件流程圖如圖1所示。

圖1 智能手套軟件流程圖

二、手勢控制設(shè)計(jì)

1.手勢控制盒子與手勢控制機(jī)械手

模型是一個(gè)基于壓力傳感器的手勢控制盒子，由五指附有壓力傳感器及單片機(jī)的手套和用舵機(jī)控制開合的盒子組成。佩戴者以一定力度按壓特定的、分別固定在五個(gè)指尖的壓力傳感電阻，使單片機(jī)芯片接收到pwm值模擬信號(hào)，再由單片機(jī)進(jìn)行判斷。

如果檢測到特定組合的幾個(gè)傳感器的pwm值，則盒子開啟或關(guān)閉。

圖2 手勢控制盒子

為通過捕捉手勢的變化來執(zhí)行較復(fù)雜的連續(xù)指令，我們制作了手勢控制機(jī)械手模型。機(jī)械手可實(shí)時(shí)模擬操作者的手部動(dòng)作，這要求手部傳感器必須輸出連續(xù)并且較穩(wěn)定的pwm值。

由于FSR壓力傳感器屬于半導(dǎo)體電阻式傳感器，金屬絲受外力作用時(shí)，長度和橫截面積發(fā)生變化，其電阻值即發(fā)生改變，輸出的電阻值再轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。其輸出的值雖然具有連續(xù)性，但變化過快，無法滿足需求，因此我們選用可隨彎曲而連續(xù)改變阻值的彎曲度傳感器（見圖3）。

圖3 壓力傳感器原理圖及彎曲度傳感器

通過對(duì)手部肌肉的研究制作作為執(zhí)行端的機(jī)械手，手部屈肌可通過接收的神經(jīng)信號(hào)伸縮實(shí)現(xiàn)手指的屈伸。因此，基于仿生的思路，設(shè)計(jì)用繩子代替手部屈肌，伺服舵機(jī)代替其伸長或縮短機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手指的屈伸。

伺服舵機(jī)是一種可以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)器，舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度為0°到180°，由整形變量的0到180轉(zhuǎn)化而來，運(yùn)用了舵機(jī)驅(qū)動(dòng)語句，數(shù)據(jù)來源于串口收到的數(shù)據(jù)。然而由于傳感器本身的性質(zhì)，串口數(shù)據(jù)并非處在0到180的區(qū)間內(nèi)，變化區(qū)間卻比180小得多，例如flex4.5的串口數(shù)據(jù)val通常在450到550之間。這時(shí)就需要簡單算法將val適當(dāng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)角度Pos：

Pos=(val-400)*3.6

從而得到在正確區(qū)間范圍內(nèi)的Pos值。

Flex4.5傳感器電阻變化雖然穩(wěn)定，但肉眼看不見的彎曲度變化仍會(huì)導(dǎo)致val值細(xì)微的波動(dòng)。這種波動(dòng)在通過上述算法轉(zhuǎn)化為Pos值時(shí)放大了3.6倍，可使舵機(jī)發(fā)生可見的顫動(dòng)。

利用分段函數(shù)除顫和方差除顫兩種方法通過相關(guān)代碼消除顫動(dòng)，我們成功實(shí)現(xiàn)了通過智能手套控制機(jī)械手。未來該模型可運(yùn)用到在危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)工作的機(jī)器人中。

在該部分的制作與研究中，我們測試了FSR402壓力傳感器、flex2.2彎曲度傳感器、flex4.5彎曲度傳感器三種不同的半導(dǎo)體電阻傳感器，并最終選用flex4.5彎曲度傳感器作為智能手套上感知手勢的傳感器之一。

2.手勢控制車

為使智能手套對(duì)手勢變化的捕捉更完整，并測試手套與執(zhí)行端間的無線通信，我們制作了手勢控制智能車模型。

圖4 手勢控制智能車模型

該模型主體由Arduino單片機(jī)、MPU6050空間運(yùn)動(dòng)傳感器（簡稱“陀螺儀”）、MBot智能車及Xbee無線射頻模塊組成。手勢的姿態(tài)判斷由陀螺儀實(shí)現(xiàn)，陀螺儀模塊將感知的姿態(tài)信息傳輸至控制端Arduino單片機(jī)，控制端Arduino單片機(jī)處理后通過通信串口實(shí)時(shí)傳輸至執(zhí)行端的Arduino單片機(jī)。

項(xiàng)目通過2個(gè)Arduino單片機(jī)將所有模塊進(jìn)行編程并集成為一體，讓模塊之間可以互相通信，實(shí)現(xiàn)全部設(shè)計(jì)的功能。模型主要運(yùn)行流程見圖5。實(shí)際模型如圖6所示。

三、應(yīng)用

1.行動(dòng)不便的人可通過該移動(dòng)平臺(tái)上的機(jī)械手進(jìn)行需要的操作，采用手勢控制也使操作更加直接而靈活。

2.在特殊環(huán)境下如有毒氣體或核污染的環(huán)境、生化實(shí)驗(yàn)等可能發(fā)生危險(xiǎn)的場所作為人工操作的代替。

3.記錄運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。如可以記錄醫(yī)生手術(shù)時(shí)的手部移動(dòng)狀態(tài)，提供可以分析和學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)。（指導(dǎo)老師：譚洪政）

圖5 模型主要運(yùn)行流程

圖6 實(shí)際模型圖