技术应用ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＡＮＤＭＡＲＫＥＴ
Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．７，２０２０机械臂控制系统的研究与设计 王若愚，卢小康，陈苏明
（中国矿业大学徐海学院，江苏徐州２２１００８）
摘 要：随着机器时代的到来，人类对现代社会的机器人也有了更高的要求，人们希望机器人在未来能够代替人来工作，在机器人上配备一个机械臂会是最直接有效的办法，而重点在于如何改善机械臂的控制方式。基于图像识别的仿生机械臂手势控制系统是通过识别人的手势来控制机械臂完成一系列的操作来代替传统的机械臂控制，具有操作方法简单、控制方式灵活、支持力反馈修正等优点。
关键词：图像识别；神经网络；手势控制；远程操控
踢踏舞鞋ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００６－８５５４．２０２０．０７．０４９
设计概述
继电器延时电路
针对目前常用的机械臂控制方式存在的操作复杂、灵活性差、灵敏度低、控制精度低等问题设计了一种
通过人体手势来控制机械臂运动的系统。此系统基于图像识别技术，采用卷积神经网络并结合Ｃ＋＋语言和Ｐｙｔｈｏｎ语言，设备的组成由１个二维ＲＧＢ摄像头和１个三维深度摄像头组合成视觉运动传感器，并结合机械臂运动控制算法，使机械臂完成相应的人体手势仿生动作。此手势控制机械臂系统的操作简单灵活、可以实现远程控制，经测试结果表明控制精度满足系统稳定性和精确控制的要求。因此可以广泛应用在军事和医学中，如拆除，即拆弹人员通过远程操控机械手完成拆弹工作，从而保证拆弹人员的安全；对于一些医学手术可以利用手势控制机械手臂远程执行解决偏远地区医学落后问题。 方案设计
本手势运动控制数据处理系统的主要特点之一就是用了多信息系统互相融合的数据处理技术，同时采集和提取了有关用户手臂和二维深度手部的运动姿态和三维深度的运动状态变化的数据和信息。１个二维ｒｇｂ深度运动摄像头和１个三维ｔｏｆ两个深度运动摄像头组成一个独立的视觉运动传感器，采集有关用户机械臂和手部的二维深度图像进行信息处理与三维深度的运动摄像头信息，然后将其发送至一台计算机端口进行数据处理，同时单片机可以准确和持续地追踪用户手部的二维深度运动状态情况，通过串口数据通信将一台计算机端数据处理得到的二维深度手势的控制指令和三维深度的运动摄像头信息分别传送至单片机进行解析和转换，将机械臂手势的控制和运动指令集解析转换成为两个机械臂各自由度的运动指令集，经过单片机发送给相应的机械臂舵机，从而实现通过用户手势的运动一个度导航
高温轴承shgbzc来达到控制整个机械臂运动的目的。
此方案采用手势来达到灵活控制机械臂的效果，既可以实现远程控制、又可以使控制指令的方法简单、方便工人操作；此外，还在机械臂爪端搭载了压力传感器，可以及时反馈被抓物体的信息，调整抓取方式。 硬件设计
基于图像识别的机械臂手势控制系统包括单片机控制系统、舵机模块、电源模块、视觉传感器模块、串口通信模块等系统模块。
３ １ 单片机控制系统
为了能够更好控制机械臂精准地完成工作，本设计的机械臂控制系统采用ｓｔｍ３２ｆ１０３ｚｅｔ６微处理器作为控制芯片，该单片机内置有晶振以及高可靠复位系统，该芯片与目前市场上传统的５１单片机相比，具有系统功耗小，运算处理能力大大增强等诸多优点。此外在机械爪端集成压力传感器可以实时检测抓取物体的抓取力量从而及时对抓取方式进行调整。
本系统的基本工作原理：ＳＴＭ３２处理器内部本身具有的ｐｗｍ单元可产生ｐｗｍ波信号，此种信号驱动电机运动，依据ｓｔｍ３２ｆ１０３ｚｅｔ６微控制器输出的ｐｗｍ信号和舵机输出信号的的频率和占空比来控制舵机的运动状态，此种控制方式更加简单、准确。
３ ２ 电源模块
此机械臂手势控制系统主要采用双电源直流稳压供电的工作模式，ｓｔｍ３２单片机经过一个ＡＭＳ１１１７－３．３Ｖ稳压芯片进行供电，舵机驱动模块选用７．２Ｖ可充电电池经ＬＭ２５９６ｄｃ－ｄｃ可调降压模块进行供电。
３ ３ 视觉传感器模块
采用１个二维采集图像颜信息的摄像头和三维采集深度的摄像头控制模块组成视觉传感器模块，此模块用来采集用户手部的二维图像颜信息与三维深度图像颜信息并将其发送至计算机端进行数据处理。并将这些数据进行整合，从而转换成机械臂运动的指令集，并通过通信子网络传送至机械臂，从而可以实现机械臂与人体手势同步运动的状态。
３ ４ 舵机模块
可通过ＳＴＭ３２处理器内部发出的ｐｗｍ信号来控制舵机的旋转角度，不同类型的舵机最大可以旋转的角度是不相同的，但是其中间位置的脉冲宽度都是１．５ｍｓ。在选择舵机时主要考虑的因素是扭矩的大小，本设计选用的６０ｋｇ超大扭力双轴
集成电路版图设计
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