基于Kinect的交互式機械臂控制系統的制作方法

本實用新型屬于電子設備領域。

背景技術：

微軟幾年前就預測計算領域的下一個重大變革是圖形用戶界面向自然用戶界面的轉移，Kinect是自然用戶界面應用的成功案例。Kinect是一種3D體感攝影機，主要用來進行體感游戲動作捕捉。基于Kinect的應用層出不窮，如：虛擬試衣間、體感購物、Kinect Robot等。2011年6月微軟首次推出了Kinect for Windows SDK Beta，基于Kinect應用開發成為計算機應用領域研究的一個熱點。

隨著人類生活水平的提高，機器人控制技術也在迅猛發展，人類想通過機器人來幫助我們在枯燥甚至危險環境下工作，各類機器人已廣泛應用于工業、農業、國防、科研、教育以及人們的日常生活等領域。但目前機器人的操控方式主要是通過遙控器、按鈕、操作手柄來實現的現在的機器操作方式有些還很復雜，即使是簡單地動作都需要復雜的操作過程，不夠直觀與簡便。很多時候需要有專業操作人員來進行機器的控制。在很多地方還需要人的領導控制，不能完全靠機器人來實現某些行為，需要通過人的判斷來精確控制機器人來實現。機器人的操控離不開人體行為識別，其涉及到圖像處理、模式識別、人工智能等多門學科，并在智能監控、人機交互、智能機器人、虛擬現實和運動分析等領域有著廣泛的應用。如遠程手術、危險區域的搜索協助工作、排除炸彈等，實現機械臂在非結構化、具有不確定性的工作環境中的操作精準化，未來的交互式機械臂將會在工業設計、海洋開發、宇宙空間、地下采礦、軍事作戰、醫療領域以及除險排爆等方面有重大應用意義。

技術實現要素：

本實用新型的目的是控制舵機旋轉相應的角度，進而控制Kinect 的交互式機械臂，使機械臂跟隨人體動作的基于Kinect的交互式機械臂控制系統。

本實用新型是由USB接口轉換器、單片機復位電路、Pwm信號控制舵機電路構成；

USB接口轉換器：采用PL2303HX芯片，PL2303HX芯片的4號引腳接電容C6，再連接7號引腳共同接地，15號引腳通過R1接J1的3號引腳，16號引腳通過R2接J1的2號引腳，17號引腳通過R3接J1的3號引腳，20號引腳接+5V高電平，17號引腳與20號引腳并聯C3、C4、C5三個電容，接地；18、21、25、26號引腳接地，26、27號引腳連接12M晶振，并聯C1、C2兩個電容并接地；J1的1號引腳接+5V高電平，4號引腳接地；并將P1的1號、5號引腳分別接至圖2中U1的11號、10號引腳；J1的另一端接至PC機；

單片機復位電路：單片機采用AT89C51芯片，單片機U1的18、19號引腳接12M的晶振，并聯C1、C2電容接地；9號引腳通過C3電容接+5v的VCC，9號引腳再通過R1下拉電阻接地；

Pwm信號控制舵機電路：U1的32~39號引腳分別接至U2的1~8號引腳，將U1的23號、26號、27號引腳接U2的21號、19號、20號引腳；U2的10、13、17號引腳分別接7407邏輯門驅動U3：A、U3B、U3C，并分別配置R1、R2、R3的上拉電阻，驅動三個舵機，U2的9、15、18號引腳接U4元件的2號引腳，U4的1號引腳接+5V高電平，3號引腳接地。

本實用新型的優點是基于 Kinect 的交互式機械臂裝置將 Kinect 模塊與機器人結合，不僅使機械臂達到人體動作跟隨的準確性，而且成本較低，在醫用、以及危險區域工作等領域有著重要意義。

附圖說明

圖1是本實用新型帶USB結構轉換器的單片機與PC機通信電路原理圖；

圖2是本實用新型單片機復位電路原理圖；

圖3是本實用新型Pwm信號控制舵機電路原理圖。

具體實施方式

本實用新型是由USB接口轉換器、單片機復位電路、Pwm信號控制舵機電路構成；

USB接口轉換器：采用PL2303HX芯片，PL2303HX芯片的4號引腳接電容C6，再連接7號引腳共同接地，15號引腳通過R1接J1的3號引腳，16號引腳通過R2接J1的2號引腳，17號引腳通過R3接J1的3號引腳，20號引腳接+5V高電平，17號引腳與20號引腳并聯C3、C4、C5三個電容，接地。18、21、25、26號引腳接地，26、27號引腳連接12M晶振，并聯C1、C2兩個電容并接地。J1的1號引腳接+5V高電平，4號引腳接地。并將P1的1號、5號引腳分別接至圖2中U1的11號、10號引腳。J1的另一端接至PC機；

單片機復位電路：單片機采用AT89C51芯片，單片機U1的18、19號引腳接12M的晶振，并聯C1、C2電容接地。9號引腳通過C3電容接+5v的VCC，利用電容充電來提供2個機器周期的高電平時間讓單片機復位，9號引腳再通過R1下拉電阻接地，保證RST腳維持在低電平狀態（即不復位狀態），由此構成單片機復位電路；

Pwm信號控制舵機電路：U1的的32~39號引腳分別接至圖3中U2元件8253的1~8號引腳，將圖2中U1元件82c51的23號、26號、27號引腳接圖3中U2元件8253的21號、19號、20號引腳。U2元件的10、13、17號引腳分別接7407邏輯門驅動，并分別配置10kΩR1、R2、R3的上拉電阻，驅動三個舵機，U2元件的9、15、18號引腳接U4元件的2號引腳，U4元件的1號引腳接+5V高電平，3號引腳接地。由此構成pwm驅動舵機電路。

以下對本實用新型做進一步詳細描述：

本實用新型是配合Kinect體感器、PC機來完成的，MC9S12XS128單片機、四自由度的機械臂、舵機與單片機連接并共同安裝在機械臂上，PC機與單片機進行數據傳送。Kinect體感傳感器作為圖像采集工具，并對其進行姿態分析以及三維點云數據的處理，完成3D模型的建立，結合機器人控制技術，建造一個姿態控制系統來操縱一個多自由度舵機驅動的機械臂，達到人體動作對機器人控制的目的。

所采用的 Kinect為微軟的產品是控制攝像頭，可以說是一款體感外設，其主要部分包含中間部分用于采集人體手臂動作信息的彩色攝像頭傳感器，以及位于左右兩側的紅外攝像頭傳感器、紅外線CMOS攝像機構成的三維深度傳感器，該傳感器是通過黑白光譜的方式來感知周邊環境，純黑代表無窮遠，純白代表無窮盡，這樣可以采集到景深數據灰度圖。此外Kinect可以追焦，在其底座部分有一個電機，可以隨著對焦物體移動而移動，最終得到較精確的具有深度的圖像信息，在這里Kinect傳感器以 30 幀 /s 的速度生成深度圖像流。開發人員基于低級別的Kinect感應器生成的數據流進行開發，從圖像數據流中獲取骨骼數據，它產生的每一幀數據都是一個骨骼對象集合。每一個骨骼對象包含有描述骨骼位置以及骨骼關節的數據。綜上所述，建造一個姿態控制系統，使檢測到操縱者的關節和四肢在空間中的動作信息得以記錄，但由于Kinect獲取的三維點云數據龐大，對其處理技術主要包含以下方面：掃描場景或者物體，采集待測對象的三維點云數據;對龐大的無序點云建立鄰域拓撲關系，提高搜索效率；將多次測量的不同視角下的點云進行拼接對齊，組合成完整的點云模型；對原始點云數據中存在的孔洞進行插值擬合，得到平整光滑的點云表面；對點云模型進行三維表面重建，重現被測對象的三維原貌。并將采集得到的空間三維信息傳送給 PC 機。

所述PC機操作系統為Windows 7，PC機主要是接收并處理Kinect傳送過來的數據信息，為景深數據采集界面，在此界面中可以看到采集到的操作者灰度圖、實時變化的景深數據，以及編程界面，將用戶數據包括采集到的景深數據、骨骼數據映射成舵機角度信息，通過一系列的接收程序，這些信息將依次序通過USB傳送給至89C51單片機。此外，通過PC機開發人員可以在機械臂工作中根據實際環境繼續做相應地開發。

所述單片機使用89C51單片機，單片機將接收到的信息進行實時處理，控制舵機旋轉相應角度，控制機器人完成相應的動作。89C51的P0^0~P0^7引腳接8253計數器的D0~D7引腳，89C51的P22引腳接8253的21號CS引腳，89C51的P2^5引腳接8253的19號A0引腳，89C51的P2^6引腳接8253的A1引腳，89C51的18號X2引腳，19號X1引腳并聯 兩個22PF的電容，8253的OUT0、OUT1、OUT2引腳接三個7407，再驅動舵機。

所述機器人是用多個舵機組成的機械臂，是一個動作執行機器人來展示Kinect的控制過程。

所述數據傳送使用USB進行單片機與PC機之間的通信，由于實際開發中軟件的不兼容性，使得沒有成形的軟件可供PC與單片機之間的通信，故需要自己編寫程序來實現該功能。Kinect開發采用的是C#語言，故設計一個基于C#與單片機串口通信軟件實時的將接收到的數據下載到單片機中，進而控制機械臂。通過對機械臂動作不斷調整，做到跟隨人體的動作，操作的準確性明顯高于其他方式對機械手的操控。

本實用新型可以應用到很多領域，交互式機械臂將會在工業設計、海洋開發、宇宙空間、地下采礦、軍事作戰、醫療領域以及除險排爆等方面有重大應用意義。

本實用新型的基于Kinect的交互式機械臂本控制系統以Kinect體感傳感器作為圖像采集工具，結合機器人控制技術，實現了人體動作對機器人的控制，使機器人更加智能化。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Processing，OpenNi，NITE等開發工具使用部分環境庫函數，采集人體動作圖像信息，并對獲得的信息進行實時處理，將處理好的信息傳遞給從機。從機程序主要有主程序、串口通信、電機驅動、舵機驅動、動作函數等模塊組成。采用C語言編寫，使用部分環境庫函數。首先初始化程序，將從主機發送過來的信息，進行識別，映射出相應的關節角度信息，控制機械臂運動。