基于Kinect 2.0 与 Alpha 1s 阿尔法机器人的体感控制开发,项目是两位成员@Cheman @JYang 完成。

项目说明

项目通过Kinect捕捉人体动作数据,通过蓝牙模块控制 Alpha Robot (优必选阿尔法机器人1S)

演示视频

https://share.weiyun.com/IhiifkW6

项目技术点

  • 蓝牙通信串口开发(项目可实现的基础)
  • Kinect获取到的骨骼节点三维坐标数据与Alpha 1S电机转动角度的转换运算
  • 机器人动作重心偏移解决方法(未解决)
  • 解决Kinect排除多人数据捕捉干扰方法(未解决)

项目硬件模块

bluemodel kinect2.0 alpha1s

BLE蓝牙4.0串口模块,购买链接:

Kinect One 2.0(可同时记录6个人的20个关节点)

开发环境搭建:

1、找一台Win8系统以上的主机(支持USB3.0+内存在4G以上)

2、安装Kinect开发环境 完成后插入Kinect设备看是否正常

3、安装.net framework visual studio 开发环境

4、打开vs , 导入项目工程文件

5、按淘宝买来的蓝牙模块组装后,按附带的教程,测试蓝牙发射模块是否可行

6、去优必优官网下载蓝牙控制指令文档

7、确定可以通过PC发送指令给机器人,机器人能动

8、核实蓝牙模块插的USB口与代码里的一致

9、运行项目程序 (应该有动作了,祝你好运),也可以自己打包生成BIN文件 ,下次直接双击运行就可了,因为代码目录里的BIN文件是基于我的电脑环境的,所以在你的电脑可能会不行,USB口一致性的问题,也可以在VS里下载个打包插件,这样能生成EXE,也是可以的

开发软件环境

  • Kinect for Windows SDK 2.0(附带kinect browser与kinect studio)
  • 串口调试助手
  • Visual Studio 2017(本项目使用C#)

实现原理思路

yuanli

  • 利用Kinect获取人体骨骼关节点的三维空间坐标数据()

Kinect技术可追踪20个骨骼关节点,骨骼数据包含20个关节点的X,Y,Z坐标信息,我们利用Kinect SDK 里的BodyBase案例里的深度图像处理技术进行二次开发,取相对应的14个节点数值

zuobiao (图片只画出左侧标注)

  • 头部(Head) –肩膀中心(ShoulderCenter)
  • 肩膀中心(ShoulderCenter) – 脊柱中心(Spine)
  • 脊柱中心(Spine) – 髋部中心(HipCenter)
  • 髋部中心(HipCenter) – 左或右膝关节(KneeLeft or KneeRight)
  • 左膝关节KneeLeft(右膝关节KneeRight) – 左踝关节leLeft (右踝关节AnkleRight)
  • 左踝关节leLeft (右踝关节AnkleRight)- 左脚FootLeft (右脚FootRight)
  • 左手(HeadLeft) –左手腕(Wrist Left)
  • 左手腕(Wrist Left) – 左胳膊肘(Elbow Left)
  • 左胳膊肘(Elbow Left) – 左肩膀(Shoulder Left)
  • 左肩膀(Shoulder Left)–肩膀中心(Shoulder Center)
  • 肩膀中心(Shoulder Center)-右肩膀(Shoulder Right)
  • 右肩膀(Shoulder Right)- 右胳膊肘 (Elbow Right)
  • 右胳膊肘 (Elbow Right)- 右手腕(Wrist Right)
  • 右手腕(Wrist Right)- 右手 (Hand Right)

Kinect 人体感应示意图

yuanli

面向感应器,X代表左右,Y代表上下,Z代表前后(距离在1.2~3.5m范围内,1.8米最适合) 蓝牙通信协议开发标准(可上优必选官网下载,看懂文档是开发者的基本功就不多说了)

要注意的是它是16进制,需要把组装好的命令字符串进行转换打包后,通过蓝牙模块发送 应用三角函数进行角度转换

面向感应器,三维坐标在扫描画面的左下角,以画面左边手臂为参考; 手从竖直立正抬至P状态为动作过程分析,r为与初始位置时的角度; 每一帧获取到的r值随运动改变,电机也将即时改变角度;

体感控制示意图(面向设备)

jishuan

设P状态下,取shoulder肩部点O(x0,y0,z0),elbow肘部点P(x,y,z),Z轴值保持不变;

对于肘到肩部shoulder所对应的机器人电机可忽略Z轴的影响,即通过这两点的X与Y值来求出r值。

当双手竖直向下时,Alpha 1S机器人有以下初始值:

  • 机器人的左手(即画面右则手臂) shoulder对应的机器人电机初始角度为 0 度,竖直向上时为180度;
  • 机器人的右手(即画面左则手臂) shoulder对应的机器人电机初始角度 180 度,竖直向上时为0度;

tan值的 + 与 – 区域正好可表达角度是大于90度还是小于90度,也可观察其递变规律。

转化为平面三角运算示意图为:为:

当手竖直向下时 电机角度 r= 0 ,当手竖直向上时,电机角度 r= 180; 则

tan r = (x-x0)/(y-y0), r = arctan (x-x0)/(y-y0)(0<r<π)

将小数转换成实际角度

α = r/π*180

将含有角度值的命令字符串用16进制转换后通过蓝牙传给机器人,即可响应。

同样道理,当手向前水平合拢时,肩部关节点shoulder基本不变,通过X与Z轴求得手臂在肩部点前后转动的角度,方法与公式就不再详细说明。