劉宇棟 邱楠

摘 要：我國(guó)老齡化問題日趨嚴(yán)峻，其特點(diǎn)為行動(dòng)不便，本文提出了一種基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人。助老服務(wù)機(jī)器人由智能感應(yīng)手套、裝有麥克那姆輪的智能移動(dòng)車、機(jī)械控制臂和機(jī)械手組成。該機(jī)器人通過多傳感器信息融合技術(shù)來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，有效提高仿人機(jī)械手的操作性能和適應(yīng)性，能夠完成室內(nèi)全方位的手勢(shì)檢測(cè)和執(zhí)行任務(wù)，可以幫助老人實(shí)現(xiàn)在居家生活中一些物體抓取功能，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：手勢(shì)控制算法；助老服務(wù)；智能感應(yīng)手套；麥克那姆輪

中圖分類號(hào)：TP391.41；TP11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）20-0063-02

當(dāng)今我國(guó)老齡化趨勢(shì)日益嚴(yán)峻（如圖1所示近年60歲以上老人數(shù)量統(tǒng)計(jì)及未來預(yù)計(jì)分布圖），許多老人及行動(dòng)不便群體備受社會(huì)關(guān)注。他們會(huì)因身體條件衰弱，無法適應(yīng)現(xiàn)代數(shù)字生活模式，面臨力量不足，臥床等問題，有必要為他們?cè)O(shè)計(jì)一款輕松便捷和人自然行為趨同的操作平臺(tái)。

當(dāng)下手勢(shì)控制作為一種正在蓬勃發(fā)展的現(xiàn)代控制方式[1-4]，具有操作簡(jiǎn)單、靈活性高等特點(diǎn)。筆者運(yùn)用移動(dòng)端捕捉手勢(shì)的變化來執(zhí)行命令，使老年人通過簡(jiǎn)單的手套自然行為操控，如手指彎曲、手臂搖動(dòng)，就可以完成他們想要的簡(jiǎn)單動(dòng)作，大大提高了易掌握性。最終提出了基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人。該機(jī)器人由智能感應(yīng)手套和搭載了機(jī)械手、機(jī)械臂的智能小車組成。

1 基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人介紹

基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人主要由智能感應(yīng)手套和機(jī)器人智能小車組成，其中機(jī)器人智能小車包括了智能車、機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂和機(jī)械手。

在一次行為指令完成過程中，智能感應(yīng)手套通過傳感器對(duì)人手指運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行感應(yīng)（如手指彎曲檢測(cè)傳感器對(duì)應(yīng)彎曲角度指令），將感應(yīng)到的數(shù)據(jù)信息通過單片機(jī)和無線射頻模塊進(jìn)行處理傳遞給手勢(shì)控制車、機(jī)械旋轉(zhuǎn)臂和機(jī)械手，使有需要者可以通過手勢(shì)準(zhǔn)確遠(yuǎn)程控制搭載了仿人機(jī)械手及機(jī)械臂的移動(dòng)平臺(tái)，從而輔助完成受限行動(dòng)。

同時(shí)，在智能感應(yīng)手套上安裝一鍵切換控制模式的按鈕，切換前是控制機(jī)械臂模式，按下切換按鈕后，程序?qū)⒈３謾C(jī)械臂最后狀態(tài)靜止不動(dòng)，并進(jìn)入控制智能車模式，完成智能車控制后，可再按按鈕，實(shí)現(xiàn)兩者之間的來回切換。

2 各部分組成及工作原理

2.1 智能感應(yīng)手套組成

基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人智能感應(yīng)手套的主體模塊由開源硬件單片機(jī)（Arduino）、彎曲度傳感器（flex 4.5版本）、六軸陀螺儀（JY61）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手勢(shì)以及手腕的彎曲，由六軸陀螺儀捕捉手部的空間位置及移動(dòng)，以無線射頻作為通訊工具，并將這些功能用單片機(jī)結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程手勢(shì)控制的目的。

2.2 智能車組成

為了實(shí)現(xiàn)助老服務(wù)機(jī)器人遠(yuǎn)距離的操作和自由運(yùn)動(dòng)，筆者研制了通過手勢(shì)控制的智能車模型。該模型主體由接收端XBee模塊與接收端單片機(jī)、JY61空間運(yùn)動(dòng)傳感器（簡(jiǎn)稱“陀螺儀”）、自主設(shè)計(jì)搭建的智能車組成。該接收端單片機(jī)和XBee模塊與上述傳送端XBee模塊與傳送端單片機(jī)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，最終實(shí)現(xiàn)信息的傳送。

2.3 機(jī)械臂和機(jī)械手

手勢(shì)控制機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)靈活度較高的操作指令，其本身移動(dòng)范圍也可以滿足普通任務(wù)的需求，達(dá)到手勢(shì)控制的目的。手勢(shì)控制機(jī)械臂實(shí)物圖如圖2所示。

在該部分中，將陀螺儀和彎曲度傳感器在智能感應(yīng)手套上結(jié)合，通過陀螺儀感知手部的空間位置及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過腕部的彎曲度傳感器捕捉手腕抬落變化，再經(jīng)過數(shù)據(jù)處理完成了對(duì)機(jī)械臂上各個(gè)舵機(jī)的控制，從而達(dá)到機(jī)械臂實(shí)時(shí)模擬小臂動(dòng)作的效果，并具有一定的精確度。最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和仿人機(jī)械手結(jié)合。

為用手勢(shì)執(zhí)行較復(fù)雜的連續(xù)指令，該創(chuàng)新制作了手勢(shì)控制機(jī)械手模型（如圖3）。手部屈肌可以通過接受的神經(jīng)信號(hào)伸長(zhǎng)或縮短，從而實(shí)現(xiàn)手指的屈伸。因此，基于仿生的思路，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的彎曲靈活性，用繩子來代替手部屈肌，伺服舵機(jī)代替其伸長(zhǎng)或縮短機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手手指的屈伸。

3 機(jī)器人應(yīng)用實(shí)踐案例

筆者邀請(qǐng)了一名行動(dòng)不便的老者對(duì)發(fā)明的手勢(shì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了嘗試，完成了取杯子的一系列過程，包括出發(fā)取杯子、手勢(shì)車到達(dá)目的地、機(jī)械手拿起杯子、返回出發(fā)地、完成任務(wù)等過程，具體如圖4-7所示。

上述基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人幫助老人完成一次完整的取物過程，該體驗(yàn)得到了老人的好評(píng)。認(rèn)為該創(chuàng)新可以成功解決行動(dòng)不便老人的困難，具有很好的社會(huì)應(yīng)用前景，可以進(jìn)行推廣。

結(jié)合上述解決行動(dòng)受限問題的助老服務(wù)機(jī)器人闡述，該創(chuàng)新可以應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

（1）輔助行動(dòng)不便的人。他們可以通過該移動(dòng)平臺(tái)上的機(jī)械手實(shí)現(xiàn)需要的操作，直接采用手勢(shì)控制也使得操作更加直接而靈活。

（2）代替人在人不能夠進(jìn)入的特殊環(huán)境下進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，如有毒氣體或核污染的環(huán)境。也可在生化實(shí)驗(yàn)等可能發(fā)生危險(xiǎn)的場(chǎng)所作為人工操作的代替。

（3）對(duì)于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的記錄。如可以對(duì)醫(yī)生手術(shù)時(shí)的手部移動(dòng)進(jìn)行記錄，以提供可以分析和學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)論與展望

結(jié)合上述基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人闡述，得出以下結(jié)論：

（1）本創(chuàng)新提出了一種解決行動(dòng)受限問題的助老機(jī)器人，能夠成功地解決現(xiàn)實(shí)生活中行動(dòng)受限的難題。

（2）與傳統(tǒng)的視頻檢測(cè)手勢(shì)的方式相比，基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人采用慣性測(cè)量器件檢測(cè)手勢(shì)，可以有效的降低系統(tǒng)軟硬件成本和算法難度。

（3）基于手勢(shì)控制算法的助老服務(wù)機(jī)器人無需借助手機(jī)、電腦、攝像頭等其他電子設(shè)備，可以直觀的控制仿人機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，有效提高了仿人機(jī)械手操作性能和作業(yè)水平，可適應(yīng)多種不同環(huán)境的應(yīng)用需求，易于推廣與應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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