一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人制造技術

一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人由Kinect感知與上位機處理部分、STM32下位機部分，以及人型機械骨架部分三個部分組成。本實用新型專利技術借助Kinect實現更自然，靈活的控制，人機交互友好；機器人具有實時遠程模仿控制功能、示教重現功能、手勢控制功能三大功能，功能豐富。通過局域網控制，能實現較大范圍的遠程控制，運動靈活穩定；采用MAXCON公司的RE系列伺服電機控制機械臂，電機上的行星減速器使其能提供大扭矩輸出，穩定帶動大且重的機械雙臂，電機尾部的編碼器獲得的角速度信息用于機械臂的閉環控制，結合PID算法使機械臂獲得精確穩定的姿態，做出來的動作和操作者的動作更相似；娛樂性更強。

A humanoid robot based on Kinect for somatosensory control

A humanoid robot based on Kinect body sense control is composed of three parts: Kinect perception and host computer processing part, STM32 lower computer part and human mechanical skeleton part. The utility model has the advantages of using Kinect to achieve a more natural, flexible control, friendly man-machine interaction; robot with real-time remote control function, teach and reproduce the imitation function, gesture control features three functions, feature rich. Through the LAN control, to achieve remote control of a wide range of motion, flexible and stable; using RE series servo motor to control the mechanical arm of MAXCON, the motor of the planetary reducer so that it can provide high torque output, stable driven mechanical arms large and heavy, the angular velocity information obtained from the end of the motor encoder for closed-loop mechanical arm the control, combined with the PID algorithm to obtain accurate manipulator stable posture, made out of action and the operator's action is more similar; more entertaining.

【技術實現步驟摘要】
一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人
本技術涉及一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人，屬于服務型機器人或者類人機器人領域。
技術介紹
近年來，機器人技術在持續不斷的發展過程中已經廣泛應用在航空航天、醫療、教育、服務行業等領域。在這個過程中，機器人由遙不可及變得普通人可以接觸到。服務機器人是一種半自主或全自主工作的機器人，它能完成有益于人類健康的服務工作，包括迎賓機器人、教育機器人。Kinect是微軟公司為XBOX360游戲機專門開發的一款體態感知的外部設備，起初名為Natal。利用即時動態捕捉、影像辨識、麥克風輸入、語音辨識、社群互動等功能讓玩家擺脫傳統游戲手柄的束縛，通過自己的肢體控制游戲，并且實現與互聯網玩家互動，分享圖片、影音信息。具有性價比高，自然而舒適的視覺交互方式等優點使其深受大眾喜歡。現有的服務型機器人比較有代表性的有由日本軟銀集團和法國AldebaranRobotics研發的Pepper以及法國AldebaranRobotics研發的NAO機器人。Pepper機器人體型和人類體型差不多，身高4英尺，擁有一個由三個滾輪所組成的旋轉底座。它能綜合考慮周圍環境，并積極主動地作出反應。并且配備了語音識別技術、呈現優美姿態的關節技術，以及分析表情和聲調的情緒識別技術，可與人類進行交流。他的動作是基于云端的動作庫，不具有實時模仿學習功能，但能快速移動，機動性和穩定性好，活動范圍大。NAO機器人則是是個小巧可愛型機器人，身高58cm，具有類人的雙腿，并且NAO機器人可以在多種平臺上編程并且擁有一個開放式的編程構架，所以不同的軟件模塊可以更好的相互作用，不論使用者的專業水平如何，都能夠通過圖像編程平臺來為NAO機器人編程，深受學生和科研工作者的喜歡，并且國內也有相關研究者將Kinect用于NAO機器人上用于模仿人體動作。但NAO機器人因為體型較小，而且采用了雙腿的結構設計，使該機器人不能快速移動，穩定性不太好，可能會出現跌倒現象，使該機器人只能用于家中等比較小的范圍內。
技術實現思路
本技術的技術目的在于針對現有技術不足，提供一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人。將更自然的人機交互方式引入服務型機器人，并且將Pepper和NAO機器人的優點進行融合，并且利用Kinect的語音識別功能實現機器人各個功能的切換，使服務型機器人具有更豐富的功能，更自然舒適的人機交互方式應用到機器人上，加強了服務機器人的娛樂性。本技術所述機器人由Kinect感知與上位機處理部分、STM32下位機部分以及人型機械骨架部分三個部分組成；所述Kinect感知與上位機處理部分包括Kinect深度傳感器模塊、四元麥克風陣列語音識別模塊和個人PC；所述Kinect深度傳感器模塊用于采集人體骨骼信息；語音識別模塊用于采集語音命令，用于功能切換；個人PC則是起中間信息橋梁作用，將Kinect深度傳感器模塊獲取的骨骼信息和語音信息經過處理再通過局域網方式發送至STM32下位機部分，交由STM32下位機完成相應功能；所述STM32下位機部分包括電源、電源板、STM32控制主板和伺服電機控制器；STM32下位機部分獲取到局域網中的數據后，通過CAN通信網絡控制伺服電機動作；所述人型機械骨架包括麥克朗姆輪移動底盤、鋁方管身體主干骨架、鋁合金頭部骨架和五自由度鈑金機械雙臂。所述麥克朗姆輪移動底盤由四個RE40伺服電機、四個麥克朗姆輪和懸掛機構組成；由RE40伺服電機通過聯軸器、階梯軸、法蘭盤與前兩個麥克朗姆輪連接，后兩個麥克朗姆輪與RE40伺服電機安裝在懸掛支架上，懸掛支架一端與底盤機架鉸接，另一端與懸掛器鉸接，懸掛器再與底盤機架鉸接，起到避震防滑的作用；所述鋁方管身體主干骨架由鋁方管焊接而成，包括兩部分，其一是身體支座與底盤機架用螺栓固定，其二是身體骨架與身體支座鉸接，并且與曲柄，連桿組成曲柄搖桿機構，動力由支座上的RE35伺服電機1提供，完成彎腰動作功能；所述鋁合金頭部骨架與鋁方管身體主干骨架鉸接，并由舵機1驅動曲柄搖桿機構完成點頭動作；所述五自由度鈑金機械臂的自由度分配分別是胸部的一個使機械臂繞x軸旋轉的RE35伺服電機2，肩部的一個使機械臂繞z軸旋轉的RE35伺服電機3，肘部有兩個自由度，上面的是使肘部下手臂繞y軸旋轉的RE25伺服電機1，下面的是使腕部上手臂繞x軸旋轉的RE25伺服電機2。腕部有一個使手掌繞y軸旋轉的腕部舵機。胸部的RE35伺服電機2直接通過聯軸器，階梯軸帶動整個機械臂轉動。肩部的RE35伺服電機3的輸出軸連接法蘭，法蘭與肩部機架固定，RE35伺服電機3與肘部上手臂連接，當電機轉動，RE35伺服電機3帶動自己與肘部上手臂一起轉動。肘部上手臂通過推力軸承與肘部下手臂連接，由RE25伺服電機1輸出軸直接帶動肘部下手臂轉動，RE25伺服電機1與肘部上手臂固接；肘部的RE25伺服電機2則連接了個直角換向器，直角換向器的輸出軸與肘部下手臂機架固定，RE25伺服電機2轉動，帶動自身和腕部上手臂轉動，RE25伺服電機2與腕部上手臂固接。腕部舵機直接驅動手掌繞y軸旋轉。本技術所述機器人工作過程如下：STM32主控板獲取到由上位機通過局域網發送來的數據后，控制相應伺服電機轉動。四個RE40伺服電機驅動麥克朗姆輪控制底盤的前進后退與轉向。RE35伺服電機1通過曲柄搖桿機構使身體骨架繞身體支座上的支座轉動，完成彎腰動作。舵機1通過曲柄搖桿機構使鋁合金頭部骨架繞身體骨架上的支座轉動，完成點頭動作。胸部的RE35伺服電機2的輸出軸直接帶動整個機械臂繞x軸轉動。肩部的RE35伺服電機3通過反作用力帶動肘部上手臂繞z軸轉動。RE25伺服電機1輸出軸直接帶動肘部下手臂繞y軸轉動。肘部的RE25伺服電機2則連接了個直角換向器，通過反作用力帶動自身和腕部上手臂繞x軸轉動。腕部舵機則直接驅動手掌繞y軸旋轉。本技術中的機器人主要具有以下幾個功能：1.實時遠程模仿控制功能：進入該功能，你可以在Kinect前做出動作，在遠處的機器人實時做出同樣的動作，并且搭載在機器人上的攝像頭反饋回所處環境的圖像至電腦屏幕上作為你控制的參考信息。2.示教重現功能：進入該功能，你可以將在實時模仿功能中比較喜歡的舞蹈動作存儲在磁盤中，進入該功能模塊可以讓該機器人再現你上次存儲的動作。3.手勢控制功能：進入該功能，你可以利用原先設定的手勢指令控制機器人的前進后退，左右移動，剎車等功能，該功能結合實時遠程模仿功能可以實現機器人的遠程控制。該機器人豐富的功能和自然的交互方式具有很好的娛樂性。本技術所述機器人具有以下優點：借助Kinect來實現更加自然的交互方式來控制，實現更精確，靈活的控制，人機交互友好；機器人具有實時遠程模仿控制功能、示教重現功能、手勢控制功能三大功能，功能豐富。并且利用Kinect自身的語音識別進行機器人多功能的切換，方便快捷。采用麥克朗姆輪底盤，使機器人能進行全方位的快速移動，運動更加靈活，穩定。可用于活動范圍較大的戶外控制。采用MAXCON公司的RE系列伺服電機控制機械臂，電機上的行星減速器使其能提供大扭矩輸出，穩定帶動大且重的機械雙臂，電機尾部的編碼器獲得的角速度信息用于機械臂的閉環控制，結合PID算法本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人，其特征在于：所述機器人由Kinect感知與上位機處理部分、STM32下位機部分以及人型機械骨架部分三個部分組成；所述Kinect感知與上位機處理部分包括Kinect深度傳感器模塊、四元麥克風陣列語音識別模塊和個人PC；所述STM32下位機部分包括電源、電源板、STM32控制主板和伺服電機控制器；所述人型機械骨架包括麥克朗姆輪移動底盤、鋁方管身體主干骨架、鋁合金頭部骨架和五自由度鈑金機械雙臂。

【技術特征摘要】
1.一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人，其特征在于：所述機器人由Kinect感知與上位機處理部分、STM32下位機部分以及人型機械骨架部分三個部分組成；所述Kinect感知與上位機處理部分包括Kinect深度傳感器模塊、四元麥克風陣列語音識別模塊和個人PC；所述STM32下位機部分包括電源、電源板、STM32控制主板和伺服電機控制器；所述人型機械骨架包括麥克朗姆輪移動底盤、鋁方管身體主干骨架、鋁合金頭部骨架和五自由度鈑金機械雙臂。2.根據權利要求1所述的一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人，其特征在于：所述麥克朗姆輪移動底盤由四個RE40伺服電機、四個麥克朗姆輪和懸掛機構組成；由RE40伺服電機通過聯軸器、階梯軸、法蘭盤與前兩個麥克朗姆輪連接，后兩個麥克朗姆輪與RE40伺服電機安裝在懸掛支架上，懸掛支架一端與底盤機架鉸接，另一端與懸掛器鉸接，懸掛器再與底盤機架鉸接。3.根據權利要求1所述的一種基于Kinect的體感控制的類人型機器人，其特征在于：所述鋁方管身體主干骨架由鋁方管焊接而成，包括兩部分，其一是身體支座與底...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉國平，胡竹，龔昕蓓，李松，黃繁章，江子奔，
申請(專利權)人：南昌大學，
類型：新型
國別省市：江西,36