基于LeapMotion的仿生机械臂交互控制系统

基于LeapMotion的仿生机械臂交互控制系统周杨景

赵敦华

黄永远

（东莞理工学院城市学院，广东东莞523419）

摘

要：设计了一种新型的基于LeapMotion体感控制器的仿生机械臂交互控制系统，利用LeapMotion体感控制器替代传统的人机

交互方式，采集手部数据，将识别到的手势动作经过计算机分析处理后，通过无线传输的方式给开发板传送控制信息，进而控制机械臂模仿人手的动作。该机械臂便捷灵活、操作简单，能广泛应用于各种领域。

关键词：人机交互；嵌入式系统；机械手臂；LeapMotion

0引言仿生机械臂交互控制系统是指以体感手势信息作为控

制输入的机械臂控制系统，可实现人手对机械手臂的远程操控、同步协调。在一些特殊场合，开发一个能进行规定动作的仿生机械臂交互控制系统具有极大的应用价值。

1研究现状仿生机器手交互控制系统的研究，最早源自20世纪50年

代。至20世纪90年代，互联网技术推动了机械臂交互控制技术的发展。互联网高速、稳定等特点，非常符合远程操作机械手臂的通信要求，逐渐成为该领域主要的通信媒介。

人类手势信息丰富，可以表达人的操作意图。进入21世纪，随着图像处理领域技术的不断创新发展，基于视觉的手势识别技术开始进入人们的生活。

2技术原理人类手掌有29块骨头、29个关节、123根韧带、4神经

和30条动脉，从某种程度上可以说是一种精密、复杂的令人惊叹的生物机器。随着近几年来手势体感控制器的发展，手势体感控制器技术的发展已进入成熟阶段，可将人类的手势数据完整地数字化记录保存下来，并以超过每秒200帧的速度追踪手部移动，使手势控制成为切实可行的方案。

其中，用LeapMotion体感控制器采集的体感信息会以帧的形式保存，这种参数保存方式有利于相关研究及开发人员对信息数据进行调用与处理。

3系统结构本文设计了一种新型的仿生机械臂交互控制系统，控制

人员的手势位于LeapMotion体感控制器上方，体感控制器获取人类手势信息后，将数据传入主机PC，并生成手掌关节模型，系统结构如图1所示。

当控制人员手势发生变化时，主机PC会依据被控制机械手掌的构造，将接收到的体感位置及目前机械手掌的坐标，换算出所需要的控制信号，利用无线模块及手掌微控制器，输出控制信号，驱动机器手掌对应关节马达，完成机器人手掌动作能够完全跟随人类手掌动作的功能效果。

项目名称：大学生创新创业训练计划项目“基于LeapMotion的仿生机械臂交互控制系统”（201913844070）

38图1

系统结构

4软件结构4.1手势检测部分

体感控制器通过绑定视野范围内的手，手指或者工具检

测采集实时数据，在信号转换模块设计时，根据被控制系统参数，设计出一个能实现自由度可调的换算模式，以降低后期升级更高自由度控制手掌所产生的升级难度以及软硬件更新的工作量。

PC主机的内控软件以模块化的方法设计，主要分成3个模块，如图2所示。

图2

手势检测部分软件模块

（1）体感控制器接收模块：负责接收体感控制器信号，进行数据转换并进行合理化分析及校正。

（2）信号转换模块：此模块依据被控制机械手掌的构造，将接收的体感位置及目前机械手掌坐标，换算出所需要的控制信号。

（3）控制信号发送模块：将换算出的控制信号传送到相应的机器手控制部分，以完成机械手掌的动作。4.2机器手控制部分

初步将常用的八位微处理器作为机械手控制器，依据被控制机械手掌的电机驱动结构，微控制器利用特定函数结

构，将控制信号转换成电机驱动信号，最终实现机器手跟随人手动作的功能效果。

ZhuangbeiYingyongyuYanjiu◆装备应用与研究浅析地铁隧道风机的安装与调试刘家连

陈红胜

（济南轨道交通集团有限公司，山东济南250014）

摘

要：对地铁隧道TVF、TEF风机安装与调试过程中的细节问题进行了探讨，主要从风机安装、风机调试准备、风机试运转、监测

运转数据等方面展开了分析，确保风机能够一次试机成功。

关键词：TVF/TEF风机；安装；调试；前置条件

0引言地铁隧道通风系统主要由区间隧道送排风机（TVF）和车

风机一般整机安装，要求风机转运配备专业的起重运输人员，并有专人指挥。安装前全面熟悉风机安装说明以及图纸要求，检查风机零配件是否齐全、完好；叶轮、叶片、电机和机壳是否因运输而损坏，各零部件连接是否紧固。风机就位前，检查风机铭牌气流方向、叶轮旋向是否一致。安装弹簧减震器必须确保其垂直于基础，不倾斜，可通过调整减震器螺丝找平风机。风机安装就位后，用水平仪在主轴和轴承座的水平中分面校核风机横向、纵向倾斜度分别不超过0.2/1000、0.3/1000。风机安装就位后，检查管道及其他设施重量不允许施加在风机任何部位。手动盘车叶轮，检查叶轮是否自由平稳旋转或与机壳是否存在碰撞的可能。

为避免风机震动对风管产生影响，风机本体与风管之间采用软连接隔断震动，软连接安装应松紧适度，进风段软连接稍施加预紧力，防止负压吸入。

站热排风机（TEF）组成。隧道风机将列车运行过程中产生的热量排向外界，当列车在区间隧道遭遇阻塞时，可向阻塞区间提供一定的通风量，保证列车空调等设备正常运行，维持

车厢内乘客短时间内能接受的环境条件；当列车在区间隧道发生火灾事故且失去动力停在隧道内时，可提供迅速有效的排烟手段，提供新鲜空气，及时引导疏散乘客安全地离开火灾现场。

隧道风机重量大、体积大、转速高、风压高，且隧道风机所处的地下空间受限，受风压、风量、风速及叶片高速运转惯性的影响大，若风机安装精度低，调试不当，极易造成人员伤害或风机本体损坏。

1风机安装风机安装分为卧式、立式、吊式3种安装形式。以卧式安装为例，要求风机土建基础强度、水平度满足安装要求后进场施工，校核土建预埋隔振器基础钢板的水平度误差不超5mm。为保证安装精度，提高施工效率，确保安装质量，隧道

22.1风机调试准备准备工作

开机前准备好测振仪、风速仪、噪声检测仪、转速计、万

用表等测量仪器，准备好400MHz无线集群对讲机便于通联，

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5结语基于LeapMotion体感控制器，本文设计了一种新型的仿

生机械臂交互控制系统，能将控制人员的手势信息采集到主机中，并通过无线模块控制机器人手掌，实现机器手跟随人手动作的功能效果。

针对本交互控制系统，仍有以下几个方面需要进一步探索：

（1）可移动性。机械臂可以结合移动载体，如小车、无人机等，在人类不便行动或者有危险的场合执行各种远程遥控任务。

（2）准确性。目前机械臂仅能跟随人的手掌运动，其中大拇指与小拇指的运动控制并不是很灵活，需要加入手掌模型关节算法进行改进。

（3）稳定性。手势检测模块与机械臂控制模块间采用无线模块通信，关于通信过程采用何种通信协议以及通信流程的性能优化值得进一步研究

［参考文献］

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收稿日期：2019-07-08

作者简介：周杨景（1991—），男，湖南湘潭人，硕士，主要从事嵌入式系统设计及信息化教学研究工作。

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