基于K inect的機器人控制系統(tǒng)

陳敬德，趙文麗，梁洪濤，王梓霖，張 馳，毛曉波

（1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001；2.河南省輕工業(yè)職工大學(xué) 機電工程系，河南 鄭州 450002）

隨著機器人控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，各類機器人已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)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(diào)，傳統(tǒng)意義上的控制基本上是通過遙控器、按鈕、操作手柄來實現(xiàn)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(jié)合，創(chuàng)造性地實現(xiàn)了機器人控制方式上的創(chuàng)新，實現(xiàn)更加自然的人機交互。

從機則是一個動作執(zhí)行機器人，它的控制系統(tǒng)由AVR atmega128單片機、無線傳輸模塊、語音模塊、BTS7970B直流電機驅(qū)動模塊等組成。它的機械結(jié)構(gòu)主要由多自由度的手臂和四輪驅(qū)動的底盤構(gòu)成。從機對信息進(jìn)行實時處理，控制機器人手臂各個關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，從而完成相應(yīng)的動作。

1 總體結(jié)構(gòu)與工作原理

本控制系統(tǒng)以Kinect體感傳感器作為圖像采集工具，結(jié)合機器人控制技術(shù)，實現(xiàn)了人體動作對機器人的控制，使機器人更加智能化。裝置由主機和從機兩部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主機用于人體動作信息采集，然后進(jìn)行圖像處理，識別出人體動作，并負(fù)責(zé)把人體動作信息無線傳送給從機。

主機系統(tǒng)由PC機、Kinect體感傳感器、XL02-232AP1無線傳輸模塊組成。主機用于人體動作信息采集，然后進(jìn)行圖像處理，識別出人體動作，并負(fù)責(zé)把人體動作信息無線傳送給從機。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure diagram

2 系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)正式發(fā)布的名字，具有動態(tài)捕捉，影像辨識，語音識別等功能。基于該技術(shù)，可以利用手勢在游戲中開車、與其他玩家互動、通過互聯(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可以同時獲取RGB和深度圖像數(shù)據(jù)，支持實時的全身的骨骼追蹤，并可以識別一系列的動作。圖2是它的外觀圖，左邊鏡頭為紅外線發(fā)射器，中間鏡頭是一般常見的RGB彩色攝像頭，右邊鏡頭是紅外線CMOS攝像頭所構(gòu)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(shù)組的原始數(shù)據(jù)流進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)。此套SDK能夠追蹤Kinect視野內(nèi)一位或兩位用戶的骨架映像，便于建立以體感操作的應(yīng)用程序[1]。

圖2 Kinect外觀圖Fig.2 The photo of Kinect

Kinect不同于普通攝像頭的是，它有感知世界的CMOS紅外傳感器。該傳感器通過黑白光譜的方式來感知環(huán)境，純黑代表無窮遠(yuǎn)，純白代表無窮近，黑白間的灰色地帶對應(yīng)物體到傳感器的距離。它收集視野范圍內(nèi)的每一點，并形成一幅代表周圍環(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，實時3D地再現(xiàn)周圍環(huán)境[2]。

利用Kinect采集到的深度圖信息，可以得到一個20點的人體骨架結(jié)構(gòu)，其二維投影如圖3所示，前景分割與骨架提取該系統(tǒng)直接調(diào)用了SDK封裝函數(shù)，得到人體20個節(jié)點的3維空間坐標(biāo)以及節(jié)點方向信息，進(jìn)而得到完整的人體骨架信息[3]。

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

圖3 Kinect骨骼追蹤Fig.3 Kinect skeletal tracking

2）通訊模塊XL02-232AP1無線模塊是UART接口半雙工無線傳輸模塊，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。

圖4 右手半舉與高舉圖像解析Fig.4 The image analysis of the gesture

圖5 無線通信模塊連接圖Fig.5 Wireless communication module connection diagram

2.2 從 機

1）動作執(zhí)行機器人

①手臂動作控制

本作品所使用的機器人有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別是類人機器人和輪式機器人，不同點是一個是雙足站立的，一個是輪式的，它們每條手臂均由4個舵機構(gòu)成，通過控制每個舵機的旋轉(zhuǎn)角度可以得到不同的手臂動作和腿部動作，每8個舵機角度數(shù)據(jù)對應(yīng)于一個特定的手臂動作。可以將每個手臂動作對應(yīng)的8個舵機角度封裝在一個結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，需要時可以直接調(diào)用。類人機器人的腿部動作的控制也是如此[5]。

機器人手臂動作的執(zhí)行有兩種方式：根據(jù)從上位機傳來的動作指令，做出對應(yīng)的預(yù)先設(shè)定的一套動作；對人體的當(dāng)前動作進(jìn)行實時模仿，人體的動作信息解析出來后，在上位機中計算出對應(yīng)的各個角度數(shù)據(jù)，然后將這些角度數(shù)據(jù)通過無線傳輸單元實時地傳送到機器人，機器人做出響應(yīng)，模仿當(dāng)前人體手臂動作。

②機器人平面運動控制

機器人平面運動的控制針對的是輪式機器人，機器人的平面運動方式大致有4種，分別是前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。這4種運動方式對應(yīng)于4個指令數(shù)據(jù)，也同時對應(yīng)著4個操作者的手勢動作。通過真實的開車旋轉(zhuǎn)方向盤來控制機器車的旋轉(zhuǎn)，通過右手相對于左手的超前或落后來控制車的前進(jìn)和后退，解析出這4個動作后，只需發(fā)送對應(yīng)的4個指令數(shù)據(jù)即可。機器人硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示[6]。

2）通訊模塊 同主機。

3）電機驅(qū)動模塊BTS7970B直流電機驅(qū)動，這是一款H橋有刷直流電機驅(qū)動模塊，適用3～24 V的大功率直流電機，DC 10～29 V輸入直流電壓。在25 V電壓下，額定持續(xù)輸出10 A電流，適用于鋰電池直接供電。供電為25 V 10 A時測得芯片工作頻率高達(dá)1 MHz，驅(qū)動能力有了明顯的提高，響應(yīng)速度快。兩路PWM輸入，占空比可以在0～100%，是一般驅(qū)動所達(dá)不到的。具有瞬間制動能力以及做到全程速度精確控制。適用于鋰電池直接供電驅(qū)動的機器人或車模比賽。控制方式簡單，僅需要接3根輸入線即可控制電機制動及正反轉(zhuǎn)，其中GND引腳與單片機的GND相連，P引腳接單片機的PWM輸出引腳，R引腳接單片機的PC0引腳，用于對電機轉(zhuǎn)動方向的控制。連接圖如圖7所示。

圖6 機器人硬件結(jié)構(gòu)Fig.6 Robot hardware structure

圖7 電機驅(qū)動連線圖Fig.7 Thewiring diagram of themotor drive

4）語音模塊 最大輸出功率為25 W，具有30M存儲容量，可以通過8個按鍵觸發(fā)8段語音，也可以通過RS485/232給模塊指令觸發(fā)220段語音。

5）電源部分 采用的是3S鋰電池，容量為1 500 mAh，額定電壓11.1 V，35C超大放電能力。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用模塊化處理方法，主機程序主要由主程序、Kinect初始化、圖像辨識、語音識別、串口通信等模塊組成，采用C#編寫，編譯環(huán)境為VS2010，使用部分環(huán)境庫函數(shù)。從機程序主要有主程序、串口通信、電機驅(qū)動、舵機驅(qū)動、動作函數(shù)等模塊組成。采用C語言編寫，編譯環(huán)境為Avr studio4，使用部分環(huán)境庫函數(shù)[7]。系統(tǒng)程序流程如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)程序流程圖Fig.8 Flow chart of system software

Kinect將采集到的圖像信息傳送給上位機，上位機經(jīng)過圖像處理后識別出人體動作，并將處理后的結(jié)果輸出，如圖9所示。機器人實時模仿人體動作測試情況如圖10所示。

圖9 Kinect圖像采集與動作識別Fig.9 Kinect image acquisition and recognition

圖10 機器人實時模仿人體動作Fig.10 Robot's imitation of gesture

4 結(jié) 論

操作者可以站在離Kinect體感傳感器3 m左右的距離對機器人進(jìn)行體感操控。目前該機器人能夠?qū)崟r模仿左、右手各6個簡單的動作：高舉、半舉、平舉、擁抱、架起、放下。以及實時模仿單腿抬起動作。你還可以通過雙手模擬方向盤實時控制機器車的前后左右運動，亦可通過語音forward、back、turn left、turn right來控制機器人的前后左右運動。

機器人在人們生活中承擔(dān)著越來越重要的作用，該系統(tǒng)則提供了一種新的控制方式——體感控制，使機器人的控制更加靈活多樣，實現(xiàn)了更加自然的人機交互，具有較高的理論研究價值和先進(jìn)性。同時，通過手勢實時控制機器人的方式，能應(yīng)用于排爆、救援、醫(yī)療等諸多行業(yè)，具有廣闊的市場前景。在此基礎(chǔ)上可以根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)等需要，研發(fā)出更多種類的自動化機器人，為創(chuàng)建自動化機器人體系提供積極的支持和幫助。

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[3]黃季冬.動態(tài)手勢識別技術(shù)研究與實現(xiàn)[D].武漢:華中科技大學(xué)，2012.

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[5]余濤，葉金永，邵菲杰，等.Kinect核心技術(shù)之骨架追蹤技術(shù)[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（10）:115.YU Tao，YE Jin-yong，SHAO Fei-jie，et al.The skeleton Kinect core technology tracking technology[J].Technology and Application of Digital，2012（10）:115.

[6]王明東.基于Kinect骨骼跟蹤功能實現(xiàn)PC的手勢控制[J].漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，14（2）:11-16.WANGMing-dong.Kinectskeletal tracking function realization gesture control based on PC[J].Journal of Zhangzhou Institute of Technology，2012，14（2）:11-16.

[7]微軟.Kinect forwindows SDK程序設(shè)計指南[C]//微軟，2011.