基于Kinect的交互式机械臂控制系统的制作方法

本实用新型属于电子设备领域。

背景技术：

微软几年前就预测计算领域的下一个重大变革是图形用户界面向自然用户界面的转移，Kinect是自然用户界面应用的成功案例。Kinect是一种3D体感摄影机，主要用来进行体感游戏动作捕捉。基于Kinect的应用层出不穷，如：虚拟试衣间、体感购物、Kinect Robot等。2011年6月微软首次推出了Kinect for Windows SDK Beta，基于Kinect应用开发成为计算机应用领域研究的一个热点。

随着人类生活水平的提高，机器人控制技术也在迅猛发展，人类想通过机器人来帮助我们在枯燥甚至危险环境下工作，各类机器人已广泛应用于工业、农业、国防、科研、教育以及人们的日常生活等领域。但目前机器人的操控方式主要是通过遥控器、按钮、操作手柄来实现的现在的机器操作方式有些还很复杂，即使是简单地动作都需要复杂的操作过程，不够直观与简便。很多时候需要有专业操作人员来进行机器的控制。在很多地方还需要人的领导控制，不能完全靠机器人来实现某些行为，需要通过人的判断来精确控制机器人来实现。机器人的操控离不开人体行为识别，其涉及到图像处理、模式识别、人工智能等多门学科，并在智能监控、人机交互、智能机器人、虚拟现实和运动分析等领域有着广泛的应用。如远程手术、危险区域的搜索协助工作、排除炸弹等，实现机械臂在非结构化、具有不确定性的工作环境中的操作精准化，未来的交互式机械臂将会在工业设计、海洋开发、宇宙空间、地下采矿、军事作战、医疗领域以及除险排爆等方面有重大应用意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的是控制舵机旋转相应的角度，进而控制Kinect 的交互式机械臂，使机械臂跟随人体动作的基于Kinect的交互式机械臂控制系统。

本实用新型是由USB接口转换器、单片机复位电路、Pwm信号控制舵机电路构成；

USB接口转换器：采用PL2303HX芯片，PL2303HX芯片的4号引脚接电容C6，再连接7号引脚共同接地，15号引脚通过R1接J1的3号引脚，16号引脚通过R2接J1的2号引脚，17号引脚通过R3接J1的3号引脚，20号引脚接+5V高电平，17号引脚与20号引脚并联C3、C4、C5三个电容，接地；18、21、25、26号引脚接地，26、27号引脚连接12M晶振，并联C1、C2两个电容并接地；J1的1号引脚接+5V高电平，4号引脚接地；并将P1的1号、5号引脚分别接至图2中U1的11号、10号引脚；J1的另一端接至PC机；

单片机复位电路：单片机采用AT89C51芯片，单片机U1的18、19号引脚接12M的晶振，并联C1、C2电容接地；9号引脚通过C3电容接+5v的VCC，9号引脚再通过R1下拉电阻接地；

Pwm信号控制舵机电路：U1的32~39号引脚分别接至U2的1~8号引脚，将U1的23号、26号、27号引脚接U2的21号、19号、20号引脚；U2的10、13、17号引脚分别接7407逻辑门驱动U3：A、U3B、U3C，并分别配置R1、R2、R3的上拉电阻，驱动三个舵机，U2的9、15、18号引脚接U4元件的2号引脚，U4的1号引脚接+5V高电平，3号引脚接地。

本实用新型的优点是基于 Kinect 的交互式机械臂装置将 Kinect 模块与机器人结合，不仅使机械臂达到人体动作跟随的准确性，而且成本较低，在医用、以及危险区域工作等领域有着重要意义。

附图说明

图1是本实用新型带USB结构转换器的单片机与PC机通信电路原理图；

图2是本实用新型单片机复位电路原理图；

图3是本实用新型Pwm信号控制舵机电路原理图。

具体实施方式

本实用新型是由USB接口转换器、单片机复位电路、Pwm信号控制舵机电路构成；

USB接口转换器：采用PL2303HX芯片，PL2303HX芯片的4号引脚接电容C6，再连接7号引脚共同接地，15号引脚通过R1接J1的3号引脚，16号引脚通过R2接J1的2号引脚，17号引脚通过R3接J1的3号引脚，20号引脚接+5V高电平，17号引脚与20号引脚并联C3、C4、C5三个电容，接地。18、21、25、26号引脚接地，26、27号引脚连接12M晶振，并联C1、C2两个电容并接地。J1的1号引脚接+5V高电平，4号引脚接地。并将P1的1号、5号引脚分别接至图2中U1的11号、10号引脚。J1的另一端接至PC机；

单片机复位电路：单片机采用AT89C51芯片，单片机U1的18、19号引脚接12M的晶振，并联C1、C2电容接地。9号引脚通过C3电容接+5v的VCC，利用电容充电来提供2个机器周期的高电平时间让单片机复位，9号引脚再通过R1下拉电阻接地，保证RST脚维持在低电平状态（即不复位状态），由此构成单片机复位电路；

Pwm信号控制舵机电路：U1的的32~39号引脚分别接至图3中U2元件8253的1~8号引脚，将图2中U1元件82c51的23号、26号、27号引脚接图3中U2元件8253的21号、19号、20号引脚。U2元件的10、13、17号引脚分别接7407逻辑门驱动，并分别配置10kΩR1、R2、R3的上拉电阻，驱动三个舵机，U2元件的9、15、18号引脚接U4元件的2号引脚，U4元件的1号引脚接+5V高电平，3号引脚接地。由此构成pwm驱动舵机电路。

以下对本实用新型做进一步详细描述：

本实用新型是配合Kinect体感器、PC机来完成的，MC9S12XS128单片机、四自由度的机械臂、舵机与单片机连接并共同安装在机械臂上，PC机与单片机进行数据传送。Kinect体感传感器作为图像采集工具，并对其进行姿态分析以及三维点云数据的处理，完成3D模型的建立，结合机器人控制技术，建造一个姿态控制系统来操纵一个多自由度舵机驱动的机械臂，达到人体动作对机器人控制的目的。

所采用的 Kinect为微软的产品是控制摄像头，可以说是一款体感外设，其主要部分包含中间部分用于采集人体手臂动作信息的彩色摄像头传感器，以及位于左右两侧的红外摄像头传感器、红外线CMOS摄像机构成的三维深度传感器，该传感器是通过黑白光谱的方式来感知周边环境，纯黑代表无穷远，纯白代表无穷尽，这样可以采集到景深数据灰度图。此外Kinect可以追焦，在其底座部分有一个电机，可以随着对焦物体移动而移动，最终得到较精确的具有深度的图像信息，在这里Kinect传感器以 30 帧 /s 的速度生成深度图像流。开发人员基于低级别的Kinect感应器生成的数据流进行开发，从图像数据流中获取骨骼数据，它产生的每一帧数据都是一个骨骼对象集合。每一个骨骼对象包含有描述骨骼位置以及骨骼关节的数据。综上所述，建造一个姿态控制系统，使检测到操纵者的关节和四肢在空间中的动作信息得以记录，但由于Kinect获取的三维点云数据庞大，对其处理技术主要包含以下方面：扫描场景或者物体，采集待测对象的三维点云数据;对庞大的无序点云建立邻域拓扑关系，提高搜索效率；将多次测量的不同视角下的点云进行拼接对齐，组合成完整的点云模型；对原始点云数据中存在的孔洞进行插值拟合，得到平整光滑的点云表面；对点云模型进行三维表面重建，重现被测对象的三维原貌。并将采集得到的空间三维信息传送给 PC 机。

所述PC机操作系统为Windows 7，PC机主要是接收并处理Kinect传送过来的数据信息，为景深数据采集界面，在此界面中可以看到采集到的操作者灰度图、实时变化的景深数据，以及编程界面，将用户数据包括采集到的景深数据、骨骼数据映射成舵机角度信息，通过一系列的接收程序，这些信息将依次序通过USB传送给至89C51单片机。此外，通过PC机开发人员可以在机械臂工作中根据实际环境继续做相应地开发。

所述单片机使用89C51单片机，单片机将接收到的信息进行实时处理，控制舵机旋转相应角度，控制机器人完成相应的动作。89C51的P0^0~P0^7引脚接8253计数器的D0~D7引脚，89C51的P22引脚接8253的21号CS引脚，89C51的P2^5引脚接8253的19号A0引脚，89C51的P2^6引脚接8253的A1引脚，89C51的18号X2引脚，19号X1引脚并联 两个22PF的电容，8253的OUT0、OUT1、OUT2引脚接三个7407，再驱动舵机。

所述机器人是用多个舵机组成的机械臂，是一个动作执行机器人来展示Kinect的控制过程。

所述数据传送使用USB进行单片机与PC机之间的通信，由于实际开发中软件的不兼容性，使得没有成形的软件可供PC与单片机之间的通信，故需要自己编写程序来实现该功能。Kinect开发采用的是C#语言，故设计一个基于C#与单片机串口通信软件实时的将接收到的数据下载到单片机中，进而控制机械臂。通过对机械臂动作不断调整，做到跟随人体的动作，操作的准确性明显高于其他方式对机械手的操控。

本实用新型可以应用到很多领域，交互式机械臂将会在工业设计、海洋开发、宇宙空间、地下采矿、军事作战、医疗领域以及除险排爆等方面有重大应用意义。

本实用新型的基于Kinect的交互式机械臂本控制系统以Kinect体感传感器作为图像采集工具，结合机器人控制技术，实现了人体动作对机器人的控制，使机器人更加智能化。主机程序主要由主程序、Kinect初始化、图像辨识、语音识别、串口通信等模块组成，采用Processing，OpenNi，NITE等开发工具使用部分环境库函数，采集人体动作图像信息，并对获得的信息进行实时处理，将处理好的信息传递给从机。从机程序主要有主程序、串口通信、电机驱动、舵机驱动、动作函数等模块组成。采用C语言编写，使用部分环境库函数。首先初始化程序，将从主机发送过来的信息，进行识别，映射出相应的关节角度信息，控制机械臂运动。