基于FPGA技術的手勢識別控制型多功能機械臂系統(tǒng)

01

設計概述?

Design Introduction

1.1 設計背景 隨著信息技術的發(fā)展，人機交互技術逐漸由以鍵盤、鼠標等基于圖形用戶界面的方式，轉變?yōu)橐?a href="http://wenjunhu.com/analog/" target="_blank">模擬和類似人類感知傳輸?shù)男畔㈩愋?。其中，手勢識別因其具有的自然、直接、有效的交互特點，越來越受到研究人員的關注。傳統(tǒng)的手勢識別，需要借助配置有傳感器的手套來確定具體的手勢形態(tài)，成本高且操作不便，不具有推廣性。基于機器視覺的手勢識別技術，突破硬件局限，從模式識別算法層面革新人機交互方式，更適應未來人機交互發(fā)展趨勢。機械臂作為現(xiàn)代工業(yè)領域自動化智能加工中最常見的執(zhí)行終端，通過各個關節(jié)的協(xié)調運動與機械末端的配合，可進行多自由度模擬仿真。通過對舵機進行控 制設計，使機械臂能夠完成抓取分揀、連續(xù)動作，從而使其具有比人手更好的動 作組合靈活性和指令完成準確性。

1.2 作品概述

本作品基于機器視覺，聚焦手勢識別，利用攝像頭獲取單目圖像信息，基于 PYNQ 實現(xiàn)手勢分割、手勢建模、手勢形狀特征提取，對八種不同手勢圖像進行識別，以舵機控制的機械臂模塊作為響應終端，借助手勢變化來控制機械臂執(zhí)行兩種功能：一是按指令分揀物體，二是“井字游戲”人機大戰(zhàn)。

1.3? 應用領域

本作品將手勢識別作為人機交互方式，以機械臂作為響應終端，設計了兩種基于上述交互方式和響應終端的展示功能。按指令分揀物體，本質上是對機械臂進行開環(huán)控制，延長人手作用范圍，對于操控大型機械進行物體分揀的工業(yè)自動化領域或物流行業(yè)，都有極好的應用前景?！熬钟螒颉比藱C大戰(zhàn)，僅僅是將手勢識別結合機械臂控制、簡單的人工智能技術進行組合開發(fā)的例子，“手勢識別 +”的探索永無止境，在娛樂領域、醫(yī)療領域、教育領域、智能家居領域都有著廣泛的應用前景。?

02

系統(tǒng)組成及功能說明

System Construction & Function Description

2.1 系統(tǒng)組成 ?

本系統(tǒng)以 Xilinx ZYNQ SoC 作為主控制芯片，分為處理器模塊、攝像頭模塊、顯示器模塊、舵機驅動模塊、通訊傳輸模塊。通過攝像頭模塊捕捉手勢圖像信息，在處理器模塊中完成手勢分割、手勢建模、手勢形狀特征提取、手勢識別，手勢識別的過程及結果通過顯示器展示，通過處理器內部不同功能的邏輯運算，將對應的動作指令通過相應的 PWM 信號輸出給各個舵機，驅動六自由度機械臂完成要求動作，從而實現(xiàn)對應的組合功能。

2.2 手勢識別核心算法

本作品所采用的是靜態(tài)手勢識別算法，算法核心主要由手勢特征分析、手勢特征建模及手勢識別三部分組成，整體框架如上圖所示。首先通過圖像采集設備來獲取手勢圖像，通過手勢建模將獲取的手勢圖像用數(shù)學模型描述出來，最后根據得到的手勢識別所需要的模型參量判別出具體的手勢形態(tài)。 ?

2.2.1 圖像預處理

圖像預處理，由四個主要步驟組成，分別為定義識別區(qū)域、顏色空間轉換、 膨脹處理、高斯濾波。定義識別區(qū)域，主要用來減小識別區(qū)域面積，從而提高識 別效率。顏色空間轉換，通過將攝像頭捕捉到的 RGB 顏色空間下的圖像信息轉 化為 HSV 顏色空間下的圖像信息，便利后續(xù)對背景和手部進行顏色分割。膨脹 操作，使得識別區(qū)域高亮區(qū)域增長，消除手部內的噪聲點。高斯濾波，通過加權 求和的方式，消除圖像內的高斯噪聲點。

2.2.2? 手勢分析

利用道格拉斯-普克（Douglas-Pucker）算法，將手部輪廓擬合為多邊形曲線， 同時計算面積，以得到輪廓內手部面積最大的手部輪廓。在此基礎上，分別計算 出輪廓總面積（areacnt）、輪廓中手的面積（areahull）、以及手的面積占輪廓總面 積的百分比（arearatio）。與此同時，得到最大輪廓面積中的凸缺陷（即凹陷）數(shù) （defects），并通過計算凸缺陷中起始點、終點、離起始點終點連線最遠處的點構 成的三角形的高（d）和頂角（angle）值，來去除因噪聲而得到的凸缺陷點，得 到消除噪聲點后的凸缺陷數(shù)（l）。 2.2.3 手勢識別 ?

由手勢分析后得到的模型參量通過上述手勢識別流程圖后，輸出“0”“1” “2”“3”“4”“5”“ok”“best of luck”八種手勢識別結果，以便后續(xù)對結果進行使用。
? 2.3 “井字游戲”人機大戰(zhàn)算法設計

2.3.1 游戲規(guī)則及數(shù)字化設置 游戲規(guī)則 游戲對戰(zhàn)的雙方執(zhí)不同棋子，輪流在 3×3 的九宮格中落子，但凡在橫排、 豎排、對角線上出現(xiàn)三子相同的情況，則執(zhí)該子的一方勝。 數(shù)字化設置 現(xiàn)在對九宮格的九個位置編碼為九個二維坐標（x，y）（x=1，2，3；y=1， 2，3），并賦值為 1，效果如下圖所示。

一方執(zhí)“0”，一方執(zhí)“2”，落在哪個坐標位置上，就把那個坐標位置對應的 值改為“0”或“2”。每次落子后，分別對每排、每列、每對角線上的三個值求和（和可取 0，1，2，3，4，5，6），如果出現(xiàn)“0”則執(zhí)“0”的一方勝，如果出 現(xiàn)“6”則執(zhí)“2”的一方勝。 ? 2.3.2 機器端落子優(yōu)先級設計 假設人執(zhí)“0”子，機器執(zhí)“1”子 （1）中間、邊上、角上三種位置的獲勝方式分別為

所以優(yōu)先落中間，其次落角上，最后落邊上。

（2）情況優(yōu)先級

第一優(yōu)先級：如果出現(xiàn)“1”，立即將（0，0，1）中的“1”置 2，攔截人勝利。 第二優(yōu)先級：如果出現(xiàn)“5”，立即將（1，2，2）中的“1”置 2，機器取得游戲勝利。 第三優(yōu)先級：如果出現(xiàn)“4”，且不是“死路”的情況，則將（1，1，2）中任 意一個“1”置 2。 ? 2.3.3 算法流程圖 ?

?

2.4 模塊介紹

2.4.1 處理器模塊 ? ?

本作品采用基于 ZYNQ-7020 芯片的 PYNQ-Z2 開發(fā)板進行系統(tǒng)開發(fā)。ZYNQ 分為 PS（Processing System）和 PL（Programmable Logic）兩部分，在 PS 上運 行 Linux 操作系統(tǒng)，在 Linux 操作系統(tǒng)上運行 Python，通過調用 PYNQ 中的庫Overlay，對連接到 PS 端的接口進行解析，進而控制 FPGA 邏輯資源，加速系統(tǒng) 數(shù)據處理。

對于本作品中所設計的基于機器視覺的手勢識別算法和“井字游戲”人機大 戰(zhàn)算法，直接利用硬件語言進行編寫在邏輯上十分復雜，故采用 Python 進行編程實現(xiàn)，利用 FPGA 對圖像處理部分進行硬件加速，不僅提高了圖像處理速度， 還更好地擴展了圖像應用。

2.4.2 攝像頭（圖像采集）模塊

本作品的手勢指令輸入由攝像頭采集完成。采用奧尼 C11 款的高清攝像頭對手勢進行畫面捕捉，通過 USB 完成圖像輸入。相比于傳統(tǒng)的傳感器手套對手勢姿態(tài)的采集，攝像頭減輕了硬件端的負擔，使得整個系統(tǒng)可推廣性更好。

2.4.3 機械臂（舵機）模塊 本作品使用的機械臂，是 Learm 公司開發(fā)的一款六自由度機械臂，能通過上 位機對其進行動作設計，通過 PWM 控制舵機運轉，從而完成抓取和連續(xù)復雜動作兩種不同的模式功能。舵機（機械臂）模塊與處理器的模塊采用 UART 串行通信，采用下述通信協(xié)議進行指令交互。

2.4.4 顯示器（圖像輸出）模塊 ?

采用顯示屏作為圖像輸出端，展示手勢識別圖像處理過程及結果，不僅利于 過程中的算法調試與驗證，并且具有更好地視覺效果。 2.5? 功能說明 ? 2.5.1 ?手勢識別 本作品可以對常用的八種手勢進行識別處理，分別為“0”“1”、“2”、“3”、 “4”、“5”、“Best of luck”、“ok”。啟動系統(tǒng)后，在攝像頭端擺出相應手勢，及完 成手勢輸入，顯示器會顯示出對應的識別結果。顯示器畫面，有矩形框定位識別區(qū)域，在該矩形框中會有多邊形框出手部輪廓，右上方會顯示識別結果。當識別區(qū)域沒有放入手進行識別時，顯示器畫面靜止。

2.5.2 ?機械臂驅動 機械臂動作設計及存儲機制

機械臂內部封裝有存儲“動作組”的部件，用來存儲動作指令。用戶如果要 進行動作設計，在機械臂通電的情況下，通過 USB 通信與電腦端上位機進行連接，在上位機中設置傳輸給六個舵機的 PWM 值，形成一個包含這個動作指令的 “動作組”，下載進存儲部件以便后續(xù)調用。

機械臂驅動機制

通過 UART（串口通信）的方式來調用“動作組”，進而驅動機械臂完成相 應動作。這里需要注意的是，必須將處理器模塊與機械臂模塊進行“共地”操作， 否則二者無法完成通信，機械臂不能按指令動作。

2.5.3 功能 1：按指令分揀物體 預設四個不同的區(qū)域，分別編號為“1”“2”“3”“4”，作為一組一維位置坐 標。設計機械臂在四個不同區(qū)域內抓取、放開動作，共八個動作組。手勢輸入“ok”， 告訴系統(tǒng)下一個輸入的是初始坐標。待控制板上亮起指示燈后，通過人眼觀測物 體初始位置坐標，通過手勢輸入該坐標（可輸入“1”、“2”、“3”、“4”）。待控制板上亮起指示燈后，手勢輸入“5”，告訴系統(tǒng)下一個輸入的是初始坐標。待控制板上亮起指示燈后，通過手勢輸入目標位置坐標（可輸入“1”、“2”、“3”、“4”）。用戶端操作結束，發(fā)送指令給機械臂完成分揀全過程。機械臂依次完成抓取、移動、放下，即完成一次按指令分揀。

2.5.4 功能 2：“井字游戲”人機大戰(zhàn) 游戲規(guī)則參看“2.3‘井字游戲’人機大戰(zhàn)算法設計”。手勢輸入“ok”，告訴 系統(tǒng)接下來輸入人落子的坐標區(qū)域（x，y）。待控制板上亮起指示燈后，手勢輸 入“5”，告訴系統(tǒng)接下來輸入橫向坐標（可輸入“1”、“2”、“3”），待控制板上 亮起指示燈后，輸入縱向坐標（可輸入“1”、“2”、“3”）。用戶端操作結束，可 以發(fā)送指令給機械臂完成人落子的操作，機械臂完成在棋盤上的人落子操作后， 繼續(xù)完成機器落子操作。依次進行下去，直至出現(xiàn)有一方勝利。亮紅燈表示“人 贏”，亮綠燈表示“機器贏”，亮白燈表示“平局”。

03

作品成效總結與分析

Summary?and?Analysis?of?the?Effect?of the Works

3.1 系統(tǒng)測試性能指標

3.1.1 手勢識別

本作品算法下的手勢識別功能，在 FPGA 加速下能較好地平衡識別次數(shù)和識 別時間的沖突。根據測試結果，本作品取 60 作為整個作品的手勢識別循環(huán)次數(shù)。

3.1.2 機械臂驅動 機械臂能通過用戶端“動作組”的設計，進行抓取、移動等連續(xù)復雜動作， 具有很好的靈活性。作為機電設計的響應終端，能很好地完成多種功能的指令要求。

3.1.3 ?按指令分揀物體 ?

“按指令分揀物體”能很好地完成初始坐標輸入、目標位置輸入，同時能在 較短的時間內快速完成抓取與投遞。 ? 3.1.4 “井字游戲”人機大戰(zhàn) ?

“井字游戲”算法能很好地遍歷所有可能結果，所以人和機器對戰(zhàn)只會出現(xiàn) “平局”、“機器贏”兩種結果。并且，較為穩(wěn)定、準確的機器識別以及人工智能 算法，能夠使整個游戲流暢進行?！笆謩葑R別”結合“機械臂”具有很強的視覺觀賞性，與此同時，游戲的模式使整個功能更具有趣味性。 ? 3.2? 成效得失對比分析

本作品整體而言，不僅將手勢識別功能實現(xiàn)，還在此基礎上結合機械臂運動特點進行了多功能開發(fā)，總體完成度較高，視覺效果較好，兼具靈活性、趣味性及可拓展性。開發(fā)本作品采用的手勢識別算法，為了得到較高的識別精度，必須要以延長識別時間、增加單次識別次數(shù)作為犧牲，使得在應用開發(fā)時增加較多的時間負擔，不能夠凸顯人機交互的便利性。從手勢識別算法及對識別結果的處理技術層面出發(fā)，整個作品還有較大提升空間。

3.3? 創(chuàng)新特色總結展望 本作品使用最新的基于機器視覺的手勢識別技術作為人機交互方式，革新人 機交互的使用體驗，具有極佳的技術前瞻性。使用機械臂作為執(zhí)行終端，貼近目前工業(yè)設計的最新潮流。在設計功能時，基于數(shù)學建模，設計出更具有人機互動性質的小游戲，體現(xiàn)人工智能的靈活與智慧。 機電一體化開發(fā)，充分發(fā)揮基于 Python 編程的代碼靈活的特點，以實現(xiàn)復 雜算法，利用 FPGA 硬件加速的優(yōu)勢，提高視覺處理速度。 在本作品的基礎上，優(yōu)化識別算法，加快識別速度，提高識別精度，“手勢 識別+”將在未來發(fā)揮出自身更強的優(yōu)勢，在教育領域、娛樂領域、工業(yè)領域、 醫(yī)療領域、智能家居領域都具有越來越廣闊的應用前景。 ?

審核編輯：黃飛

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