0 引言

    在現(xiàn)代社會(huì)中,，人們往往不得不在一些特殊的環(huán)境下(如極限溫度氣壓,、輻射、化學(xué)污染等)執(zhí)行作業(yè),。而長(zhǎng)期工作在這些環(huán)境,，會(huì)對(duì)作業(yè)人員的身體健康帶來(lái)難以預(yù)料的威脅,。隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，各國(guó)政府正在進(jìn)行多種研究,，爭(zhēng)取將各類機(jī)器人應(yīng)用到對(duì)應(yīng)的特殊環(huán)境中,，從而改變?cè)摥h(huán)境下的人類的作業(yè)方式^[1]。其中具備多自由度機(jī)械臂的移動(dòng)機(jī)器人由于其移動(dòng)性和作業(yè)能力,，吸引了眾多研究者的目光^[2],，kinect是微軟公司于2011年推出的用于獲取目標(biāo)物體三維坐標(biāo)的機(jī)器視覺(jué)設(shè)備^[3]。應(yīng)用kinect體感識(shí)別實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互^[4]是一種新穎自然的人機(jī)交互技術(shù),，人們通過(guò)它用簡(jiǎn)單的肢體語(yǔ)言便能快速靈活地操控機(jī)器人^[5-7],。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的類型很多, 對(duì)于一般的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu), 都不可能進(jìn)行任意的定位和定向, 而全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)^[8]則可以利用車輪所具有的定位和定向功能, 實(shí)現(xiàn)平面上的自由運(yùn)動(dòng)。麥克納姆輪^[9-10]正是其中技術(shù)成熟穩(wěn)定性好的一種輪式結(jié)構(gòu),。據(jù)此,，本文設(shè)計(jì)了一種基于kinect體感操控并具有全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)的WiFi視頻監(jiān)控抓取機(jī)器人。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,，該機(jī)器人具備良好的可操控性和靈活性,。

1 系統(tǒng)工作原理

    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)器人主體和上位機(jī)控制端兩個(gè)部分構(gòu)成,。機(jī)器人本身是由Acorn計(jì)算機(jī)有限公司的一款RISC微處理器(Acorn RISC Machine,，ARM)控制板、全向移動(dòng)底盤(pán),、基于openwrt系統(tǒng)^[11]的WiFi通信模塊,、五自由度機(jī)械臂、二自由度視頻云臺(tái)等部分構(gòu)成,。上位機(jī)軟件在基于Windows系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上運(yùn)行,，接收機(jī)器人傳輸回來(lái)的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給操縱者，操縱者根據(jù)視頻圖像面對(duì)kinect作出動(dòng)作,，上位機(jī)處理kinect采集的操縱者人體骨骼數(shù)據(jù),，分析判斷人體指令并傳輸給機(jī)器人執(zhí)行指令。

2 機(jī)器人硬件設(shè)計(jì)

2.1 全向移動(dòng)底盤(pán)的設(shè)計(jì)及其控制原理

    全向移動(dòng)底盤(pán)由4個(gè)鋁60 mm 45°萬(wàn)向輪子,、4個(gè)空芯12 V Namiki直流電機(jī),、L293D 4路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、鋁板,、12 V鋰電池等部件構(gòu)成,。圖2(a)所示為麥克納姆輪的原理結(jié)構(gòu), 其外形象一個(gè)斜齒輪, 輪齒是能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形滾子, 滾子的軸線與輪的軸線成α角度。滾子有兩個(gè)自由度, 在繞自身轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)又能繞車軸轉(zhuǎn)動(dòng),。這使得輪體本身也具備了兩個(gè)自由度:繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿滾子軸線垂線方向的平動(dòng),。圖2(b)所示為底盤(pán)結(jié)構(gòu)，以移動(dòng)平臺(tái)中心O點(diǎn)為原點(diǎn)建立全局坐標(biāo)系oxy，oxy相對(duì)地面靜止,。在平面上,，全方位移動(dòng)平臺(tái)具有3個(gè)自由度，其中心點(diǎn)O速度[V₁,，V₂,，ω]。ω₁,、ω₂,、ω₃,、ω₄分別為4個(gè)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,；R為車輪半徑；W,、L為圖示的結(jié)構(gòu)尺寸,。車體速度與4個(gè)輪子的速度關(guān)系為：

    麥克納姆輪的輪子和滾子夾角為α=45°，v_x,、v_y,、ω為控制量。在控制過(guò)程中控制板接收控制量通過(guò)矩陣運(yùn)算計(jì)算出轉(zhuǎn)速,，由公式C_i=ω_i/(m_i·ω_imax)(C_i是第i個(gè)電機(jī)的功率,，ω_i是計(jì)算出的第i個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，ω_imax是i號(hào)電機(jī)在同一電壓下設(shè)定的最大輸出功率下的轉(zhuǎn)速,，m_i是維護(hù)4個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速在同一最大值的實(shí)測(cè)參數(shù))轉(zhuǎn)換為電機(jī)的輸出功率,，進(jìn)而通過(guò)調(diào)制脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)信號(hào)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生對(duì)應(yīng)功率,，完成底盤(pán)的驅(qū)動(dòng),。本文設(shè)計(jì)將電機(jī)的調(diào)速范圍設(shè)定在0~100%。由視頻攝像頭傳輸回來(lái)的影像交由操控者視覺(jué)和感官進(jìn)行判斷形成閉環(huán)系統(tǒng),，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié),，最終完成準(zhǔn)確的全向運(yùn)動(dòng)的控制。

    當(dāng)肢體語(yǔ)言與控制結(jié)合起來(lái)時(shí),，便需要用更加自然和易理解的方式讓控制變得更簡(jiǎn)單,。于是本文采用雙手協(xié)作的方式操控全向底盤(pán)的運(yùn)作。從數(shù)學(xué)模型上可以得出全向移動(dòng)底盤(pán)有任意軌跡運(yùn)動(dòng)能力,，但是由于運(yùn)動(dòng)軌跡的方向性多,，極易導(dǎo)致控制的不穩(wěn)定性，反而讓優(yōu)點(diǎn)變?yōu)槿秉c(diǎn),。由此精簡(jiǎn)了運(yùn)動(dòng)的方向性,，使其既滿足全向運(yùn)動(dòng)的豐富的能動(dòng)性的同時(shí)也能保證其穩(wěn)定性。本文設(shè)定了10種方向運(yùn)動(dòng),，分割了不同的自然手勢(shì)作為控制量,，并使用了左手方向右手動(dòng)能（即左手指示運(yùn)動(dòng)方向,，右手指示動(dòng)能）的原則，通過(guò)左右手的運(yùn)作使得整個(gè)全向底盤(pán)能夠靈活地進(jìn)行運(yùn)動(dòng),?？刂屏坑晒絍_n=a_n·v指示(a_n為左手動(dòng)作指示，v為右手速度控制,，n為x,、y或ω代表直行、橫行,、旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,，a_n是方向指向，v是速度大小),。以前進(jìn)控制動(dòng)作為例,，左手抬起垂直胸前伸直成直線，右手前伸抬起肘腕段與肩肘段夾角0~90°為正向速度控制,，a_x=1,，a_y=0，a_ω=0,，v≥0,，即V具有正向前進(jìn)的速度。

2.2 機(jī)械臂,、視頻云臺(tái)設(shè)計(jì)及控制原理

    機(jī)械臂和視頻云臺(tái)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是由proMOTION CDS系列機(jī)器人數(shù)字舵機(jī)及一些高強(qiáng)度鋁合金材料構(gòu)建組成,，其可采用異步串行總線通信方式，通過(guò)通用異步收發(fā)傳輸器(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,，UART)統(tǒng)一控制,。每個(gè)舵機(jī)設(shè)定不同的節(jié)點(diǎn)地址，多個(gè)舵機(jī)可以統(tǒng)一運(yùn)動(dòng)也可以單個(gè)獨(dú)立控制,。機(jī)械臂具有空間運(yùn)動(dòng)和夾持上的5個(gè)自由度,，視頻云臺(tái)具有水平和豎直方向上的2個(gè)自由度。機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)控制原理與云臺(tái)舵機(jī)的控制原理相當(dāng),?？刂七^(guò)程中機(jī)械臂關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分別映射著右手各關(guān)節(jié)和左手腕關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度，由視頻攝像頭傳輸回來(lái)的景象交由操控者視覺(jué)和感官進(jìn)行判斷形成閉環(huán)系統(tǒng),，進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)控制實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)的定位運(yùn)動(dòng),。視頻云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制對(duì)應(yīng)著左右手肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前方左右0°~180°,、上下0°~150°范圍內(nèi)的視屏圖像采集,。上位機(jī)識(shí)別關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度轉(zhuǎn)換成操作指令發(fā)送給機(jī)器人控制板，控制板通過(guò)串口通信使用數(shù)字信號(hào)控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)完成相應(yīng)動(dòng)作。運(yùn)行時(shí),，二者不同時(shí)進(jìn)行操作,，通過(guò)雙臂的指令進(jìn)行切換控制。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 體感控制識(shí)別算法

    應(yīng)用骨骼追蹤技術(shù)kinect可以追蹤用戶全身20個(gè)骨骼點(diǎn),。利用用戶雙手共9個(gè)骨骼點(diǎn)的數(shù)據(jù),，并利用其他點(diǎn)坐標(biāo)作為輔助識(shí)別用戶動(dòng)作。

    本文以兩肩點(diǎn)連成的線段中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O,、兩肩點(diǎn)直線為x軸,、人體脊柱關(guān)節(jié)點(diǎn)連成的直線為y軸建立空間坐標(biāo)系。識(shí)別人體控制動(dòng)作主要是以識(shí)別關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)角度變化來(lái)實(shí)現(xiàn),。如圖3(a)所示,以左手臂為例,，取圖中a、b,、c,、d,、e分別對(duì)應(yīng)kinect識(shí)別的人體關(guān)節(jié)肩中點(diǎn),、肩關(guān)節(jié)點(diǎn)、肘關(guān)節(jié)點(diǎn),、腕關(guān)節(jié)點(diǎn),、手關(guān)節(jié)點(diǎn)。α₁為線段bc(肩肘段)與坐標(biāo)系xoz平面的夾角,，α₂為線段bc(肩肘段)與坐標(biāo)系x軸的夾角,，β為線段cd(肘腕段)與線段bc(肩肘段)的夾角，γ為線段cd段與線段de段的夾角,。已知兩個(gè)線段端點(diǎn)坐標(biāo)求夾角,，本文采用的計(jì)算方法為取向量進(jìn)行空間向量角進(jìn)行運(yùn)算。

    以計(jì)算角度α₁和β為例,。

    如圖3(b)所示,，求角α₁時(shí)，取b點(diǎn)的坐標(biāo)為(x₁,，y₁,，z₁)，c點(diǎn)的坐標(biāo)為(x₂,，y₂,，z₂)，有：

    由此類推可以推得需要利用的兩手各關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的α,、β,、γ各角度的三角函數(shù)值，之后進(jìn)行反三角函數(shù)運(yùn)算可以獲得各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而將識(shí)別的角度轉(zhuǎn)換為控制命令或舵機(jī)運(yùn)動(dòng)角度并發(fā)送到機(jī)器人下位機(jī)完成控制,。

3.2 下位機(jī)軟件

    機(jī)器人控制板采用基于STM32F407芯片的最小系統(tǒng)板,，通過(guò)串口接收通過(guò)WiFi模塊轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的控制字并執(zhí)行相應(yīng)指令。能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全套動(dòng)作控制,、電源檢測(cè),、危險(xiǎn)路況檢測(cè)等功能。具體控制流程圖如圖4,。

3.3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

    本文設(shè)計(jì)的通信控制協(xié)議如表1所示,。狀態(tài)號(hào)代表機(jī)器人的兩種狀態(tài)即運(yùn)動(dòng)和機(jī)械臂操作兩種狀態(tài)，以0x00和0x01來(lái)表示,，其數(shù)據(jù)區(qū)發(fā)送的數(shù)據(jù)也根據(jù)兩種狀態(tài)來(lái)組織,。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)由12 B構(gòu)成，前10 B表示控制方向命令,，后2個(gè)字節(jié)代表數(shù)據(jù)參數(shù),。舵機(jī)控制狀態(tài)時(shí)則分為5個(gè)手臂舵機(jī)和2個(gè)云臺(tái)舵機(jī)的舵機(jī)ID以及轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)一共28 B。

4 實(shí)驗(yàn)分析

    本文體感交互系統(tǒng)控制的本質(zhì)核心在于人體特定關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的識(shí)別,，為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的有效性,，分別進(jìn)行了關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度識(shí)別率測(cè)試和整體操控測(cè)試。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下,。

4.1 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度識(shí)別率測(cè)試

    本文系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)節(jié)點(diǎn)為左右肩關(guān)節(jié),、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)一共6個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn),，在WIN8+VS2013+Kinect for Windows SDK環(huán)境下編寫(xiě)了測(cè)試軟件,。本文挑選體型身高均有差異的10個(gè)人分成2組針對(duì)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度識(shí)別分別進(jìn)行測(cè)試，每一個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度設(shè)為10°,、20°,、40°、60°,、80° 5種情況,，每種情況每人測(cè)試10次，即每個(gè)關(guān)節(jié)累積進(jìn)行500次實(shí)驗(yàn),，角度允許誤差±3°,。去除偶然反常結(jié)果，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示,。從表中可以有如下發(fā)現(xiàn)：由左右肩關(guān)節(jié)到左右腕關(guān)節(jié)3個(gè)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別率依次降低;轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大,，識(shí)別的成功率越高。產(chǎn)生以上現(xiàn)象的原因是kinect識(shí)別人體關(guān)節(jié)角度跟人體姿勢(shì)變化幅度有關(guān),，而人體各關(guān)節(jié)點(diǎn)的人體姿勢(shì)幅度又取決于關(guān)節(jié)點(diǎn)為位置和關(guān)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,，故肩關(guān)節(jié)的識(shí)別準(zhǔn)確率最高,，同一個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度越大，識(shí)別率越高,。盡管如此,，各關(guān)節(jié)在各轉(zhuǎn)動(dòng)角度的識(shí)別率都超過(guò)90%，具有較高的識(shí)別成功率,，符合控制要求,。

4.2 機(jī)器人動(dòng)作執(zhí)行測(cè)試

    機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中分為底盤(pán)運(yùn)動(dòng)和機(jī)械臂云臺(tái)控制兩種狀態(tài)，兩種控制狀態(tài)在人體自然站立等待2 s為周期進(jìn)行選擇切換,，在上位機(jī)控制軟件上有設(shè)有指示標(biāo)志,。首先對(duì)機(jī)器人所有動(dòng)作指令進(jìn)行測(cè)試，然后在4 m×4 m的空間中用膠帶粘出道路狹隘且具備多個(gè)直角轉(zhuǎn)角的地形圖,，并放置障礙物,、夾取目標(biāo)物體來(lái)測(cè)試機(jī)器人特定情境的任務(wù)執(zhí)行情況，最終任務(wù)順利完成,，表明機(jī)器人具備一定環(huán)境下的任務(wù)執(zhí)行能力,。 

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文設(shè)計(jì)了一種基于kinect體感遙控萬(wàn)向移動(dòng)抓取機(jī)器人系統(tǒng)。系統(tǒng)將kinect體感控制,、萬(wàn)向移動(dòng)平臺(tái),、WiFi通信、五自由度機(jī)械臂,、二自由度視頻云臺(tái)結(jié)合起來(lái),，實(shí)現(xiàn)了能采用體感交互方式進(jìn)行操控的機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)證明,，該機(jī)器人具有良好的操控性能，能在有限的空間區(qū)域執(zhí)行任務(wù),。在該機(jī)器人的基礎(chǔ)上加上空間定位,、空氣、聲,、光,、電等傳感器可以極大提升其應(yīng)用能力，在軍事,、商業(yè),、民用等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用的前景。 

參考文獻(xiàn)

[1] 張明路,，彭平,，張小俊.特殊環(huán)境下服役機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013,，42(1)：70-75.

[2] 康靜.移動(dòng)機(jī)械手建模及控制技術(shù)研究[D]．天津：天津理工大學(xué),，2010．

[3] JONGWOOK K,，DONGJUN S，DONGSEOK J.A study on the control method of 3-dimensional space application using kinect system[J].International Journal of Computer Science and Network Security,，2011,，11(9)：55-59.

[4] 黃璐.面向交互的手勢(shì)識(shí)別研究[D].武漢：華中師范大學(xué)，2011.

[5] 倪晨,，邱鵬,，王鋒，等.Kinect體感技術(shù)在人機(jī)交互中的應(yīng)用研究[J].信息技術(shù)與信息化,，2013,，0(1)：87-90.

[6] ZHOU J I，DASGUPTA D.V-detector：An efficient negative selection algorithm with“probably adequate”detector coverage[J].Infor-mation Sciences,，2009,，17(9)：1390-1406．

[7] AYDIN I，KARAKSE M,，AKIN E.Chaotic-based hybrid negative selection algorithm and its applications in fault and anomaly detection[J].Expert Systems with Applications,，2010(37)：5285-5294.

[8] GILLES M，CYRIL N,，G?魪RARD P,，et al.Omni-directional robot with spherical orthogonal wheels:concepts and analyses[J].IEEE International Conference on Robotics and Automation，2006,，15(5)：3374-3379.

[9] GFRERRER A.Geometry and kinematics of the Mecanum wheel[J].Computer Aided Geometric Design,，2008，25(9)：784-791.

[10] 劉洲,，吳洪濤．Mecanum四輪全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析與仿真[J]．現(xiàn)代設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù),，2011，40(5)：43-46．

[11] 張曉華,，張玉華.基于路由器的開(kāi)源嵌入式操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)平臺(tái)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,，2013(2)：13-16.