基于手势识别的工业机械臂示教系统设计研究

摘要

随着工业的快速发展，工业机械臂在生产应用中的作用也越来越大，人们对它的要求也随之提高。不仅要求工业机械臂能长期稳定地完成重复工作，还要具备智能化、网络化、开放性、人机友好性等特点。而传统的机械臂示教对操作者的要求高、操作比较复杂、人机交互不自然。因此提高工业机械臂示教系统的智能化，提高工作效率有重要的研究意义。本文针对目前示教系统操作不方便，智能化程度低的问题，设计了一种智能化、人机交互自然、示教效率高的基于手势识别的工业机械臂示教系统。
　　该示教系统主要有3大模块组成，分别是传感器模块、远程客户端模块以及工作机械臂模块。传感器模块就是用来识别手势的MYO智能腕带，它包括一个陀螺仪传感器和八个肌电信号传感器，其中的陀螺仪传感器负责采集操作人员手臂的位置和姿态数据;肌电信号传感器负责采集手臂的肌电信号，识别操作人员的手势。远程客户端模块主要由数据处理模块和仿真模块这两大部分组成，通过数据处理模块，利用卡尔曼滤波处理通过传感器采集到的数据，然后将其转换成关节角的角度信息以及手势指令。仿真模块是基于ROS平台设计的，通过它可以实时反映操作人员的手势动作。工作机械臂模块则是利用的UR5机械臂和机械臂工作箱。
　　本系统在ROS的编译环境下基于Python语言开发了远程客户端，与智能腕带通过蓝牙4.0无线连接;远程客户端与工作机械臂则通过TCP/IP协议连接，从而可以实现通过手势识别直接控制工作机械臂来进行示教。
　　将所设计的工业机械臂示教系统应用于实际的工业机械臂示教环境中后，实验结果验证了以下功能:手势直接控制机械臂运动、用相关指令来控制工作机械臂和仿真模块可以实现与操作人员手臂动作保持一致等。实验结果表明，本文设计的基于手势识别的工业机械臂示教系统可以完成示教系统的基本功能，满足设定的性能指标，具有识别精度高、人机交互友好、智能化程度高、远程控制方便等优点。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 手势识别的研究现状

1．2．2 基于手势识别的机械臂示教的研究现状

1．3 研究内容

1．4 结构安排

2．1 引言

2．2 系统功能需求

2．3 总体结构设计

2．4 总体方案设计

2．5 本章小结

第3章 系统运动学模型创建及基于ROS的仿真平台设计

3．1 D-H方法概述

3．2 机械臂平台的运动学模型

3．2．1 机械臂正运动学求解

3．2．2 机械臂逆运动学求解

3．3 基于ROS的仿真平台设计

3．3．1 ROS的常用功能及组成

3．3．2 仿人臂模型的创建

3．3．3 物理仿真环境gazebo

3．3．4 机器人模型导入

3．4 本章小结

第4章 远程客户端的软件设计

4．1 引言

4．2 数据处理模块

4．2．1 智能腕带MYO的通信设计

4．2．2 单个智能腕带MYO的数据处理

4．2．3 2个MYO智能腕带的融合

4．3 无线通信协议

4．4 交互控制设计

4．5 本章小结

第5章 基于手势识别的机械臂示教系统实现

5．1 引言

5．2 机械臂示教系统的构建

5．3 系统的功能实现

5．3．1 通讯功能

5．3．2 数据采集功能

5．3．3 数据滤波处理

5．4 基于可穿戴设备的机械臂直接示教实验

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果