一款基于Kinect的機器人控制系統設計

　　摘要：設計一款可以通過(guò)人體動(dòng)作對機器人進(jìn)行控制的機器人控制系統。該系統由主機和從機兩部分組成，通過(guò)Kinect體感傳感器采集人體動(dòng)作信息，在主機中進(jìn)行圖像處理解析出相應的人體動(dòng)作，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸單元向機器人發(fā)送相應的控制指令，控制機器人做出響應，完成相應的一套動(dòng)作或對人體動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)模仿、制作的機器人樣機運行良好，能夠根據人體左右手的動(dòng)作和語(yǔ)音命令，做出正確的響應。

　　隨著(zhù)機器人控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類(lèi)機器人已廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防、科研、教育以及人們的日常生活等諸多領(lǐng)域。但目前機器人的操控方式卻不乏單調，傳統意義上的控制基本上是通過(guò)遙控器、按鈕、操作手柄來(lái)實(shí)現的。文中則提供了一種新的控制方式——體感控制，即操作者可直接通過(guò)手勢對機器人進(jìn)行控制，巧妙地將Kinect體感技術(shù)與機器人控制技術(shù)結合，創(chuàng )造性地實(shí)現了機器人控制方式上的創(chuàng )新，實(shí)現更加自然的人機交互。

　　1 總體結構與工作原理

　　本控制系統以Kinect體感傳感器作為圖像采集工具，結合機器人控制技術(shù)，實(shí)現了人體動(dòng)作對機器人的控制，使機器人更加智能化。裝置由主機和從機兩部分組成，系統總體結構如圖1所示。主機用于人體動(dòng)作信息采集，然后進(jìn)行圖像處理，識別出入體動(dòng)作，并負責把人體動(dòng)作信息無(wú)線(xiàn)傳送給從機。

　　主機系統由PC機、Kinect體感傳感器、XL02—232AP1無(wú)線(xiàn)傳輸模塊組成。主機用于人體動(dòng)作信息采集，然后進(jìn)行圖像處理，識別出人體動(dòng)作，并負責把人體動(dòng)作信息無(wú)線(xiàn)傳送給從機。

　　從機則是一個(gè)動(dòng)作執行機器人，它的控制系統由AVRatmega128單片機、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、語(yǔ)音模塊、BT37970B直流電機驅動(dòng)模塊等組成。它的機械結構主要由多自由度的手臂和四輪驅動(dòng)的底盤(pán)構成。從機對信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，控制機器人手臂各個(gè)關(guān)節旋轉相應的角度，從而完成相應的動(dòng)作。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 主機

　　1)Kinect體感傳感器它是2010年由微軟對XBOX360體感周邊外設正式發(fā)布的名字，具有動(dòng)態(tài)捕捉，影像辨識，語(yǔ)音識別等功能?；谠摷夹g(shù)，可以利用手勢在游戲中開(kāi)車(chē)、與其他玩家互動(dòng)、通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與其他Xbox玩家分享圖片和信息等，這也顯示了它具有非常強大的圖像采集與處理功能。

　　Kinect可以同時(shí)獲取RGB和深度圖像數據，支持實(shí)時(shí)的全身的骨骼追蹤，并可以識別一系列的動(dòng)作。圖2是它的外觀(guān)圖，左邊鏡頭為紅外線(xiàn)發(fā)射器，中間鏡頭是一般常見(jiàn)的RGB彩色攝像頭，右邊鏡頭是紅外線(xiàn)CMOS攝像頭所構成的3D深度傳感器。微軟在2011年6月推出的Kinect for Windows SDK Beta使開(kāi)發(fā)人員可以直接取得距離傳感器、彩色攝像機以及四單元麥克風(fēng)數組的原始數據流進(jìn)行應用程序開(kāi)發(fā)。此套SDK能夠追蹤Kinect視野內一位或兩位用戶(hù)的骨架映像，便于建立以體感操作的應用程序。

　　Kinect不同于普通攝像頭的是，它有感知世界的CMOS紅外傳感器。該傳感器通過(guò)黑白光譜的方式來(lái)感知環(huán)境，純黑代表無(wú)窮遠，純白代表無(wú)窮近，黑白間的灰色地帶對應物體到傳感器的距離。它收集視野范圍內的每一點(diǎn)，并形成一幅代表周?chē)h(huán)境的景深圖像。傳感器以每秒30幀的速度生成深度圖像流，實(shí)時(shí)3D地再現周?chē)h(huán)境。

　　利用Kinect采集到的深度圖信息，可以得到一個(gè)20點(diǎn)的人體骨架結構，其二維投影如圖3所示，前景分割與骨架提取該系統直接調用了SDK封裝函數，得到人體20個(gè)節點(diǎn)的3維空間坐標以及節點(diǎn)方向信息，進(jìn)而得到完整的人體骨架信息。

　　運用這些信息可以提取出人體姿態(tài)特征以及運動(dòng)特征，用于人體基本動(dòng)作的識別。譬如，通過(guò)比較右手與頭部的Y軸坐標差值的閾值變化，可以解析出右手是否舉起，如圖4所示。

　　2)通訊模塊XL02—232AP1無(wú)線(xiàn)模塊是UART接口半雙工無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，可以工作在433 MHz公用頻段。其傳輸距離約300 m，其工作電壓+5 V，低功耗，可以與單片機I/O口直接相連，發(fā)射模式下串口速率為1.2～115.2 kbps，抗干擾能力強。連接電路如圖5所示。

　　2.2 從機

　　1)動(dòng)作執行機器人

　?、偈直蹌?dòng)作控制

　　本作品所使用的機器人有兩種結構形式，分別是類(lèi)人機器人和輪式機器人，不同點(diǎn)是一個(gè)是雙足站立的，一個(gè)是輪式的，它們每條手臂均由4個(gè)舵機構成，通過(guò)控制每個(gè)舵機的旋轉角度可以得到不同的手臂動(dòng)作和腿部動(dòng)作，每8個(gè)舵機角度數據對應于一個(gè)特定的手臂動(dòng)作?？梢詫⒚總€(gè)手臂動(dòng)作對應的8個(gè)舵機角度封裝在一個(gè)結構體數組中，需要時(shí)可以直接調用。類(lèi)人機器人的腿部動(dòng)作的控制也是如此。

　　機器人手臂動(dòng)作的執行有兩種方式：根據從上位機傳來(lái)的動(dòng)作指令，做出對應的預先設定的一套動(dòng)作;對人體的當前動(dòng)作進(jìn)行實(shí)時(shí)模仿，人體的動(dòng)作信息解析出來(lái)后，在上位機中計算山對應的各個(gè)角度數據，然后將這些角度數據通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸單元實(shí)時(shí)地傳送到機器人，機器人做出響應，模仿當前人體手臂動(dòng)作。

　?、跈C器人平面運動(dòng)控制

　　機器人平面運動(dòng)的控制針對的是輪式機器人，機器人的平面運動(dòng)方式大致有4種，分別是前進(jìn)，后退，左轉，右轉。這4種運動(dòng)方式對應于4個(gè)指令數據，也同時(shí)對應著(zhù)4個(gè)操作者的手勢動(dòng)作。通過(guò)真實(shí)的開(kāi)車(chē)旋轉方向盤(pán)來(lái)控制機器車(chē)的旋轉，通過(guò)右手相對于左手的超前或落后來(lái)控制車(chē)的前進(jìn)和后退，解析出這4個(gè)動(dòng)作后，只需發(fā)送對應的4個(gè)指令數據即可。機器人硬件結構如圖6所示。