劉宇棟 李允同 劉清揚

當(dāng)今社會老齡化形勢日益嚴(yán)峻，許多老人及行動不便群體備受社會關(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，所以有必要為他們設(shè)計一款輕松便捷的操作平臺。

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。通過移動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)行的動作。

通過查閱相關(guān)資料，我們設(shè)計了解決行動受限問題的手勢控制移動平臺。該平臺由智能手套和搭載了機械手的無人車組成。

一、智能手套

1.硬件設(shè)計

智能手套的主體模塊由開源硬件單片機、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作，由六軸陀螺儀捕捉手部的空間位置及移動情況，以無線射頻作為通信工具，并將這些功能用單片機結(jié)合，達到遠程手勢控制的目的。

智能手套選取彎曲度傳感器識別手指姿態(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。阻值由單片機的模擬串口接收，同時將其轉(zhuǎn)化為1024個高、低電平信號。與單片機連接的電腦可檢測出其中的高、低電平信號數(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，進一步處理后再發(fā)送至無線通信串口。

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

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

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

2.軟件設(shè)計

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

二、手勢控制設(shè)計

1.手勢控制盒子與手勢控制機械手

模型是一個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的手套和用舵機控制開合的盒子組成。佩戴者以一定力度按壓特定的、分別固定在五個指尖的壓力傳感電阻，使單片機芯片接收到pwm值模擬信號，再由單片機進行判斷。

如果檢測到特定組合的幾個傳感器的pwm值，則盒子開啟或關(guān)閉。

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械手模型。機械手可實時模擬操作者的手部動作，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，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。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）。

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

伺服舵機是一種可以驅(qū)動轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動器，舵機的旋轉(zhuǎn)角度為0°到180°，由整形變量的0到180轉(zhuǎn)化而來，運用了舵機驅(qū)動語句，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導(dǎo)致val值細(xì)微的波動。這種波動在通過上述算法轉(zhuǎn)化為Pos值時放大了3.6倍，可使舵機發(fā)生可見的顫動。

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，我們成功實現(xiàn)了通過智能手套控制機械手。未來該模型可運用到在危險環(huán)境內(nèi)工作的機器人中。

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。

該模型主體由Arduino單片機、MPU6050空間運動傳感器（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，控制端Arduino單片機處理后通過通信串口實時傳輸至執(zhí)行端的Arduino單片機。

項目通過2個Arduino單片機將所有模塊進行編程并集成為一體，讓模塊之間可以互相通信，實現(xiàn)全部設(shè)計的功能。模型主要運行流程見圖5。實際模型如圖6所示。

三、應(yīng)用

1.行動不便的人可通過該移動平臺上的機械手進行需要的操作，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、生化實驗等可能發(fā)生危險的場所作為人工操作的代替。

3.記錄運動姿態(tài)。如可以記錄醫(yī)生手術(shù)時的手部移動狀態(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）