西北民族大学 电气工程学院 甘肃 兰州 730124
摘要：此系统采用的有别于传统控制方式的手势控制，通过不同的手势状态可以对小车的运动及机械臂的动作进行控制。实时视频传输功能可以方便人们对小车现场的观察及操作。手机作为现在生活中的必需品，故采用手机作为视频的接收端，可以在手机上直观的观看视频画面。整个系统采用网络传输的方式，适应了现在的物联网趋势。该系统具有控制方便灵活的特点。通过实物的制作，该系统可以进行远距离的工作要求，并且在网络好的情况下可以实现实时操作，在手机上也可以对视频进行方便的观看具有实用价值和商用价值。
关键字：手势控制 机械臂
1 前言
随着社会和经济的发展，人们的生活变得越来越便捷与高效，人们在日常生活中也越来越依赖于机器带来的便捷。因此，人机交互已在人们日常生活中扮演者的重要的角色。传统的人机交互一般有键盘，鼠标等，现在流行的人机交互方式有触摸屏，语音，眼球识别等。每种交互方式都有自己独特的用处。
本项目采用了手势识别的方式来控制小车，通过手指的弯曲及手臂倾斜来控制小车上机械臂的动作以及小车的运动。控制方便灵活，可以克服传统遥控方式的一些缺陷。视频传输功能的主要作用是方便小车去一些危险的人不方便去的地方进行一些操作，进行实时观看，方便操作员的控制。为了顺应现在物联网的趋势，此系统也采用的联网控制的方式进行。
2 系统的设计
本系统采用了树莓派来控制机械臂小车的运动与机械臂的动作，同时在小车上还搭载了一个摄像头对环境画面实时监控，通过wifi连接路由器发送到手机，手机app可以接收来自小车摄像头采集到的画面数据。手势控制的手套采用了arduino来作为主控。弯曲传感器以及六轴陀螺仪共同组成手势控制器，这是本系统的核心。其中，数据的传输都采用路由器进行中转。整个系统可以实现网络的控制。
在手势控制方面，不同的手势对应了不同的功能。系统启动出为小车控制模式。手掌全部张开启动小车；手掌半弯曲小车后退；手掌握成拳头是停车；手掌向右倾斜小车右转，向左倾斜小车左转。当只有食指伸直，其他手指弯曲时表示切换至机械臂控制模式。在此模式下，手的弯曲与伸直对应了机械夹的动作；手腕的弯曲对应的机械臂的动作；为手掌的倾斜则对应了机械臂的左右转动。
整体系统框架图如下图1所示。
图1 基于手势识别的机械臂小车流程示意图
3 系统硬件选型及电路设计
3.1 树莓派
树莓派基于ARM的微型电脑主板，以SD/MicroSD卡为内存硬盘，卡片主板周围有1/2/4个USB接口和一个10/100 以太网接口(A型没有网口)，具备所有PC的基本功能。具有40个输入输出引脚。树莓派作为小车整体的控制器，主要承担视频回传，机械臂的动作控制，小车的运动控制等。
3.2 arduino单片机
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。其具有跨平台，简单清晰，开放性和发展迅速等特点。此系统中采用了Arduino Uno来进行制作。其具有控制简单方便，功能强大，体积小的特点。此核心主要用作手势端的主控，方便穿戴在手上。
3.3 RFP弯曲传感器
RFP薄膜式弯曲传感器可对任何接触面的压力进行静态和动态测量，弯曲传感器将施加在传感器感应区域的压力转换成电阻信号，然后根据力~电阻的标定关系曲线获得外界所施压力的变化信息，压力越大，传感器输出的电阻越小。此传感器用作手指的弯曲度的感知然后通过A/D转换，将获取的弯曲度的模拟量转换成数字量方便arduino单片机操作。
3.4 MPU6050陀螺仪
MPU-6050（6050）的角速度全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec (dps)，可准确追踪快速与慢速动作，并且，用户可程式控制的加速器全格感测范围为±2g、±4g±8g与±16g。MPU-6000的包装尺寸4x4x0.9mm(QFN)，在业界是革命性的尺寸。其他的特征包含内建的温度感测器、包含在运作环境中仅有±1%变动的振荡器。MPU6050陀螺仪可以检测手的倾斜度等，在此系统中有着十分重要的作用，采用此芯片的主要原因是体积小、方便、精度高等。
3.5 ESP8266
ESP8266是一个完整且自成体系的Wi-Fi网络解决方案，能够搭载软件应用，或通过另一个应用处理器卸载所有Wi-Fi 网络功能。ESP8266在搭载应用并作为设备中唯一的应用处理器时能够直接从外接闪存中启动。内置的高速缓冲存储器有利于提高系统性能并减少内存需求。网络部分采用的ESP8266模块，可以实现网络的连接控制，ESP8266是一个开源Wifi模块，操作方便简单，易上手。arduino通过ESP8266来向路由器发送控制信号，再由路由器发送到树莓派，由树莓派来对小车与机械臂进行控制。
3.6 其他
视频采集采用的通用USB接口的摄像头，这种摄像头具有清晰，可靠，采集快速的特点，控制方式简单，连线少，可靠性高，适合对图像数据的实时观测。
机械臂用TBS2701舵机来制作，此舵机具有强度大，承重大的特点，可以承受较大的重量。
手机视频接收app的制作通过java语言就行编写，用来接收回传的视频信号。其原理是对网络的图像信号进行解析，使之能在手机上正常显示。
4 控制软件程序设计
在软件设计上，利用树莓派上的外部扩展I/O口输出PWM对舵机的动作进行控制，用同样的方法输出PWM对电机驱动进行控制进而控制小车的运行,其控制方式为手势端传输的数据。通过USB连接摄像头进行视频的采集，然后利用树莓派上带有的wifi回传给用户手机上。在手势端，通过ad转换模块转换RFP弯曲传感器擦混来的手指弯曲度值，然后将数字量传回给arduino，同样，利用IIC总线协议读取MPU6050的数据到arduino，再由arduino运算处理后通过ESP8266发送数据到树莓派。完成整体的控制操作。
5 实验结果
通过事物的制作，此系统一切都正常运行，可以实现手势控制小车的运动以及机械臂的动作。实验结果表明。该系统具有灵活，可靠，便捷，成本低廉以及可扩展的特性，具有一定的商用价值。
6 结语
该文对手势控制机械臂小车的硬件制作，电路原理以及软件控制原理都做了系统的介绍。系统结合的硬件电路模拟以及单片机程序控制两种方式，又采用了物联网操作，符合现在的应用场景。通过不断的硬件与软件的调试，最终完成了此系统的设计。表现出稳定、灵活、高效的特点，能够应用在下水管道，危险灾区等，具有广阔的应用前景和市场价值。
参考文献
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[4] 范兴隆. ESP8266在智能家居监控系统中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用. 2016(09) .
西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目，项目编号：201710742068，指导教师：王向丽
论文作者:何雄,刘一钟,李润宇,曾薇霖,刘文浩
论文发表刊物:《防护工程》2017年第21期
论文发表时间:2017/12/22
标签：小车论文; 手势论文; 弯曲论文; 机械论文; 系统论文; 传感器论文; 方式论文; 《防护工程》2017年第21期论文;