本實(shí)用新型屬于電子設(shè)備領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

微軟幾年前就預(yù)測計(jì)算領(lǐng)域的下一個(gè)重大變革是圖形用戶界面向自然用戶界面的轉(zhuǎn)移，Kinect是自然用戶界面應(yīng)用的成功案例。Kinect是一種3D體感攝影機(jī)，主要用來進(jìn)行體感游戲動(dòng)作捕捉。基于Kinect的應(yīng)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(yīng)用開發(fā)成為計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。

隨著人類生活水平的提高，機(jī)器人控制技術(shù)也在迅猛發(fā)展，人類想通過機(jī)器人來幫助我們?cè)诳菰锷踔廖ｋU(xiǎn)環(huán)境下工作，各類機(jī)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領(lǐng)域。但目前機(jī)器人的操控方式主要是通過遙控器、按鈕、操作手柄來實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)在的機(jī)器操作方式有些還很復(fù)雜，即使是簡單地動(dòng)作都需要復(fù)雜的操作過程，不夠直觀與簡便。很多時(shí)候需要有專業(yè)操作人員來進(jìn)行機(jī)器的控制。在很多地方還需要人的領(lǐng)導(dǎo)控制，不能完全靠機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)某些行為，需要通過人的判斷來精確控制機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人的操控離不開人體行為識(shí)別，其涉及到圖像處理、模式識(shí)別、人工智能等多門學(xué)科，并在智能監(jiān)控、人機(jī)交互、智能機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)和運(yùn)動(dòng)分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如遠(yuǎn)程手術(shù)、危險(xiǎn)區(qū)域的搜索協(xié)助工作、排除炸彈等，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂在非結(jié)構(gòu)化、具有不確定性的工作環(huán)境中的操作精準(zhǔn)化，未來的交互式機(jī)械臂將會(huì)在工業(yè)設(shè)計(jì)、海洋開發(fā)、宇宙空間、地下采礦、軍事作戰(zhàn)、醫(yī)療領(lǐng)域以及除險(xiǎn)排爆等方面有重大應(yīng)用意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度，進(jìn)而控制Kinect 的交互式機(jī)械臂，使機(jī)械臂跟隨人體動(dòng)作的基于Kinect的交互式機(jī)械臂控制系統(tǒng)。

本實(shí)用新型是由USB接口轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)復(fù)位電路、Pwm信號(hào)控制舵機(jī)電路構(gòu)成；

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

單片機(jī)復(fù)位電路：單片機(jī)采用AT89C51芯片，單片機(jī)U1的18、19號(hào)引腳接12M的晶振，并聯(lián)C1、C2電容接地；9號(hào)引腳通過C3電容接+5v的VCC，9號(hào)引腳再通過R1下拉電阻接地；

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

本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是基于 Kinect 的交互式機(jī)械臂裝置將 Kinect 模塊與機(jī)器人結(jié)合，不僅使機(jī)械臂達(dá)到人體動(dòng)作跟隨的準(zhǔn)確性，而且成本較低，在醫(yī)用、以及危險(xiǎn)區(qū)域工作等領(lǐng)域有著重要意義。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型帶USB結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)與PC機(jī)通信電路原理圖；

圖2是本實(shí)用新型單片機(jī)復(fù)位電路原理圖；

圖3是本實(shí)用新型Pwm信號(hào)控制舵機(jī)電路原理圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型是由USB接口轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)復(fù)位電路、Pwm信號(hào)控制舵機(jī)電路構(gòu)成；

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

單片機(jī)復(fù)位電路：單片機(jī)采用AT89C51芯片，單片機(jī)U1的18、19號(hào)引腳接12M的晶振，并聯(lián)C1、C2電容接地。9號(hào)引腳通過C3電容接+5v的VCC，利用電容充電來提供2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間讓單片機(jī)復(fù)位，9號(hào)引腳再通過R1下拉電阻接地，保證RST腳維持在低電平狀態(tài)（即不復(fù)位狀態(tài)），由此構(gòu)成單片機(jī)復(fù)位電路；

Pwm信號(hào)控制舵機(jī)電路：U1的的32~39號(hào)引腳分別接至圖3中U2元件8253的1~8號(hào)引腳，將圖2中U1元件82c51的23號(hào)、26號(hào)、27號(hào)引腳接圖3中U2元件8253的21號(hào)、19號(hào)、20號(hào)引腳。U2元件的10、13、17號(hào)引腳分別接7407邏輯門驅(qū)動(dòng)，并分別配置10kΩR1、R2、R3的上拉電阻，驅(qū)動(dòng)三個(gè)舵機(jī)，U2元件的9、15、18號(hào)引腳接U4元件的2號(hào)引腳，U4元件的1號(hào)引腳接+5V高電平，3號(hào)引腳接地。由此構(gòu)成pwm驅(qū)動(dòng)舵機(jī)電路。

以下對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

本實(shí)用新型是配合Kinect體感器、PC機(jī)來完成的，MC9S12XS128單片機(jī)、四自由度的機(jī)械臂、舵機(jī)與單片機(jī)連接并共同安裝在機(jī)械臂上，PC機(jī)與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。Kinect體感傳感器作為圖像采集工具，并對(duì)其進(jìn)行姿態(tài)分析以及三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理，完成3D模型的建立，結(jié)合機(jī)器人控制技術(shù)，建造一個(gè)姿態(tài)控制系統(tǒng)來操縱一個(gè)多自由度舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械臂，達(dá)到人體動(dòng)作對(duì)機(jī)器人控制的目的。

所采用的 Kinect為微軟的產(chǎn)品是控制攝像頭，可以說是一款體感外設(shè)，其主要部分包含中間部分用于采集人體手臂動(dòng)作信息的彩色攝像頭傳感器，以及位于左右兩側(cè)的紅外攝像頭傳感器、紅外線CMOS攝像機(jī)構(gòu)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(huán)境，純黑代表無窮遠(yuǎn)，純白代表無窮盡，這樣可以采集到景深數(shù)據(jù)灰度圖。此外Kinect可以追焦，在其底座部分有一個(gè)電機(jī)，可以隨著對(duì)焦物體移動(dòng)而移動(dòng)，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(fā)人員基于低級(jí)別的Kinect感應(yīng)器生成的數(shù)據(jù)流進(jìn)行開發(fā)，從圖像數(shù)據(jù)流中獲取骨骼數(shù)據(jù)，它產(chǎn)生的每一幀數(shù)據(jù)都是一個(gè)骨骼對(duì)象集合。每一個(gè)骨骼對(duì)象包含有描述骨骼位置以及骨骼關(guān)節(jié)的數(shù)據(jù)。綜上所述，建造一個(gè)姿態(tài)控制系統(tǒng)，使檢測到操縱者的關(guān)節(jié)和四肢在空間中的動(dòng)作信息得以記錄，但由于Kinect獲取的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)龐大，對(duì)其處理技術(shù)主要包含以下方面：掃描場景或者物體，采集待測對(duì)象的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù);對(duì)龐大的無序點(diǎn)云建立鄰域拓?fù)潢P(guān)系，提高搜索效率；將多次測量的不同視角下的點(diǎn)云進(jìn)行拼接對(duì)齊，組合成完整的點(diǎn)云模型；對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在的孔洞進(jìn)行插值擬合，得到平整光滑的點(diǎn)云表面；對(duì)點(diǎn)云模型進(jìn)行三維表面重建，重現(xiàn)被測對(duì)象的三維原貌。并將采集得到的空間三維信息傳送給 PC 機(jī)。

所述PC機(jī)操作系統(tǒng)為Windows 7，PC機(jī)主要是接收并處理Kinect傳送過來的數(shù)據(jù)信息，為景深數(shù)據(jù)采集界面，在此界面中可以看到采集到的操作者灰度圖、實(shí)時(shí)變化的景深數(shù)據(jù)，以及編程界面，將用戶數(shù)據(jù)包括采集到的景深數(shù)據(jù)、骨骼數(shù)據(jù)映射成舵機(jī)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(jī)。此外，通過PC機(jī)開發(fā)人員可以在機(jī)械臂工作中根據(jù)實(shí)際環(huán)境繼續(xù)做相應(yīng)地開發(fā)。

所述單片機(jī)使用89C51單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)相應(yīng)角度，控制機(jī)器人完成相應(yīng)的動(dòng)作。89C51的P0^0~P0^7引腳接8253計(jì)數(shù)器的D0~D7引腳，89C51的P22引腳接8253的21號(hào)CS引腳，89C51的P2^5引腳接8253的19號(hào)A0引腳，89C51的P2^6引腳接8253的A1引腳，89C51的18號(hào)X2引腳，19號(hào)X1引腳并聯(lián) 兩個(gè)22PF的電容，8253的OUT0、OUT1、OUT2引腳接三個(gè)7407，再驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。

所述機(jī)器人是用多個(gè)舵機(jī)組成的機(jī)械臂，是一個(gè)動(dòng)作執(zhí)行機(jī)器人來展示Kinect的控制過程。

所述數(shù)據(jù)傳送使用USB進(jìn)行單片機(jī)與PC機(jī)之間的通信，由于實(shí)際開發(fā)中軟件的不兼容性，使得沒有成形的軟件可供PC與單片機(jī)之間的通信，故需要自己編寫程序來實(shí)現(xiàn)該功能。Kinect開發(fā)采用的是C#語言，故設(shè)計(jì)一個(gè)基于C#與單片機(jī)串口通信軟件實(shí)時(shí)的將接收到的數(shù)據(jù)下載到單片機(jī)中，進(jìn)而控制機(jī)械臂。通過對(duì)機(jī)械臂動(dòng)作不斷調(diào)整，做到跟隨人體的動(dòng)作，操作的準(zhǔn)確性明顯高于其他方式對(duì)機(jī)械手的操控。

本實(shí)用新型可以應(yīng)用到很多領(lǐng)域，交互式機(jī)械臂將會(huì)在工業(yè)設(shè)計(jì)、海洋開發(fā)、宇宙空間、地下采礦、軍事作戰(zhàn)、醫(yī)療領(lǐng)域以及除險(xiǎn)排爆等方面有重大應(yīng)用意義。

本實(shí)用新型的基于Kinect的交互式機(jī)械臂本控制系統(tǒng)以Kinect體感傳感器作為圖像采集工具，結(jié)合機(jī)器人控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了人體動(dòng)作對(duì)機(jī)器人的控制，使機(jī)器人更加智能化。主機(jī)程序主要由主程序、Kinect初始化、圖像辨識(shí)、語音識(shí)別、串口通信等模塊組成，采用Processing，OpenNi，NITE等開發(fā)工具使用部分環(huán)境庫函數(shù)，采集人體動(dòng)作圖像信息，并對(duì)獲得的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，將處理好的信息傳遞給從機(jī)。從機(jī)程序主要有主程序、串口通信、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)作函數(shù)等模塊組成。采用C語言編寫，使用部分環(huán)境庫函數(shù)。首先初始化程序，將從主機(jī)發(fā)送過來的信息，進(jìn)行識(shí)別，映射出相應(yīng)的關(guān)節(jié)角度信息，控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。