一款基于Kinect的機器人控制系統(tǒng)設計
摘要:設計一款可以通過人體動作對機器人進行控制的機器人控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由主機和從機兩部分組成,通過Kinect體感傳感器采集人體動作信息,在主機中進行圖像處理解析出相應的人體動作,然后通過無線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,完成相應的一套動作或對人體動作進行實時模仿、制作的機器人樣機運行良好,能夠根據人體左右手的動作和語音命令,做出正確的響應。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/255888.htm隨著機器人控制技術的迅猛發(fā)展,各類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域。但目前機器人的操控方式卻不乏單調,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行控制,巧妙地將Kinect體感技術與機器人控制技術結合,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。
1 總體結構與工作原理
本控制系統(tǒng)以Kinect體感傳感器作為圖像采集工具,結合機器人控制技術,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)總體結構如圖1所示。主機用于人體動作信息采集,然后進行圖像處理,識別出入體動作,并負責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,然后進行圖像處理,識別出人體動作,并負責把人體動作信息無線傳送給從機。
從機則是一個動作執(zhí)行機器人,它的控制系統(tǒng)由AVRatmega128單片機、無線傳輸模塊、語音模塊、BT37970B直流電機驅動模塊等組成。它的機械結構主要由多自由度的手臂和四輪驅動的底盤構成。從機對信息進行實時處理,控制機器人手臂各個關節(jié)旋轉相應的角度,從而完成相應的動作。
2 系統(tǒng)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,具有動態(tài)捕捉,影像辨識,語音識別等功能?;谠摷夹g,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,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數(shù)組的原始數(shù)據流進行應用程序開發(fā)。此套SDK能夠追蹤Kinect視野內一位或兩位用戶的骨架映像,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。該傳感器通過黑白光譜的方式來感知環(huán)境,純黑代表無窮遠,純白代表無窮近,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,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。
利用Kinect采集到的深度圖信息,可以得到一個20點的人體骨架結構,其二維投影如圖3所示,前景分割與骨架提取該系統(tǒng)直接調用了SDK封裝函數(shù),得到人體20個節(jié)點的3維空間坐標以及節(jié)點方向信息,進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)特征以及運動特征,用于人體基本動作的識別。譬如,通過比較右手與頭部的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。
2.2 從機
1)動作執(zhí)行機器人
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本作品所使用的機器人有兩種結構形式,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個舵機構成,通過控制每個舵機的旋轉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)據對應于一個特定的手臂動作??梢詫⒚總€手臂動作對應的8個舵機角度封裝在一個結構體數(shù)組中,需要時可以直接調用。類人機器人的腿部動作的控制也是如此。
機器人手臂動作的執(zhí)行有兩種方式:根據從上位機傳來的動作指令,做出對應的預先設定的一套動作;對人體的當前動作進行實時模仿,人體的動作信息解析出來后,在上位機中計算山對應的各個角度數(shù)據,然后將這些角度數(shù)據通過無線傳輸單元實時地傳送到機器人,機器人做出響應,模仿當前人體手臂動作。
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,后退,左轉,右轉。這4種運動方式對應于4個指令數(shù)據,也同時對應著4個操作者的手勢動作。通過真實的開車旋轉方向盤來控制機器車的旋轉,通過右手相對于左手的超前或落后來控制車的前進和后退,解析出這4個動作后,只需發(fā)送對應的4個指令數(shù)據即可。機器人硬件結構如圖6所示。
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