用于武術(shù)擂臺(tái)賽的仿人智能機(jī)器人設(shè)計(jì)

王擇，李響，胡金鑫，王浩冉，李鑫，劉賽賽

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

用于武術(shù)擂臺(tái)賽的仿人智能機(jī)器人設(shè)計(jì)

王擇，李響，胡金鑫，王浩冉，李鑫，劉賽賽

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

搭建一臺(tái)基于人體構(gòu)造的擂臺(tái)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)人體四肢的基礎(chǔ)功能，可進(jìn)行擊打、彎曲等動(dòng)作。行走部分基于輪子的差速控制。整體動(dòng)作控制利用動(dòng)作投影技術(shù)完成，其技術(shù)是基于對(duì)圖像的識(shí)別處理，攝像頭獲取人的行為圖像，經(jīng)過(guò)單片機(jī)與電腦的計(jì)算轉(zhuǎn)化為基礎(chǔ)的位置坐標(biāo)，達(dá)到對(duì)舵機(jī)以及電機(jī)的控制。最終達(dá)到擂臺(tái)上上雙方人員控制機(jī)器人進(jìn)行互相擊打或者擊倒對(duì)方的競(jìng)技比賽效果。

仿人智能機(jī)器人；動(dòng)作投影；機(jī)器人擂臺(tái)

1 緒論

（1）引言

當(dāng)今，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展迅速，為了促進(jìn)智能機(jī)器人技術(shù)（尤其是自主識(shí)別、自主決策技術(shù)）的普及。開展本次大創(chuàng)課題，設(shè)計(jì)一個(gè)用于武術(shù)擂臺(tái)賽的仿人智能機(jī)器人，機(jī)器人需要在規(guī)則范圍內(nèi)以自主進(jìn)行互相搏擊，并爭(zhēng)取在比賽中獲勝，以對(duì)抗性競(jìng)技的形式來(lái)推動(dòng)相關(guān)機(jī)器人技術(shù)在大學(xué)生、青少年中的普及與發(fā)展。

（2）仿人機(jī)器人的發(fā)展歷史

1910年，捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在其科幻小說(shuō)中創(chuàng)造了“機(jī)器人”一詞。

在此觀點(diǎn)提出的40年內(nèi)，對(duì)機(jī)器人的研究及成果都集中在理論或初級(jí)簡(jiǎn)單的形態(tài)上，與人們所需求或者說(shuō)幻想中的還有一段差距。但是在1959年，制造出第一臺(tái)可編程機(jī)器人的德沃爾與發(fā)明家約瑟夫英格博格合作制造出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，這為日后機(jī)器人的發(fā)展方向打下了基礎(chǔ)。

20世紀(jì)60年代中期開始，由于第二代傳感器的出現(xiàn)，機(jī)器人開始向著人工智能進(jìn)發(fā)。而這時(shí)，領(lǐng)先的歐美機(jī)器人方隊(duì)的研究方向還是在大型工業(yè)化發(fā)展，卻不知道日本的加藤一郎已經(jīng)在仿人化方向取得了巨大成效。1969年，日本的加藤一郎實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出第一臺(tái)可雙腳走路的機(jī)器人，這為機(jī)器人以后的發(fā)展提供了更多的選擇方向。

此后20年間，個(gè)人計(jì)算機(jī)爆發(fā)式增長(zhǎng)，機(jī)器人發(fā)展日漸成熟，為機(jī)器人的突破式發(fā)展提供了基礎(chǔ)。

（3）仿人機(jī)器人的概念及研究背景

模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計(jì)制造的機(jī)器人就是仿人機(jī)器人，一般分別或同時(shí)具有仿人的四肢和頭部。

由于仿人型機(jī)器人集機(jī)、電、材料、計(jì)算機(jī)、傳感器、控制技術(shù)等多門學(xué)科于一體，是一個(gè)國(guó)家高科技實(shí)力和發(fā)展水平的重要標(biāo)志，因此，世界發(fā)達(dá)國(guó)家都不惜投入巨資進(jìn)行開發(fā)研究。在這個(gè)科技飛速發(fā)展的時(shí)代，機(jī)器人的技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展影響著全世界每一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，在這樣一個(gè)大的研究背景下，我們需要對(duì)機(jī)器人的研究更加重視，為此開設(shè)本課題以了解機(jī)器人的簡(jiǎn)單構(gòu)建。

（4）仿人機(jī)器人介紹

擂臺(tái)賽投影比賽機(jī)器人由頭部、上肢、手臂、運(yùn)動(dòng)底盤構(gòu)成。

上肢手臂復(fù)現(xiàn)人的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵人的抱、抓、推等各種進(jìn)攻動(dòng)作，運(yùn)動(dòng)底盤可以實(shí)現(xiàn)靈活快速的前進(jìn)、后退、原地轉(zhuǎn)圈、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)圈等動(dòng)作。

比賽開始后，立體相機(jī)將識(shí)別到的人體肢體角度數(shù)據(jù)進(jìn)行修正分析，轉(zhuǎn)換成機(jī)器人肢體，底盤能識(shí)別的數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的藍(lán)牙模塊定時(shí)發(fā)送給機(jī)器人的控制器，控制器接收到數(shù)據(jù)信息后進(jìn)行解析，然后驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊運(yùn)動(dòng)。

（5）仿人機(jī)器人賽種的由來(lái)

擂臺(tái)賽投影比賽就是根據(jù)該電影內(nèi)的機(jī)器人格斗比賽演變而來(lái)，本賽項(xiàng)所有內(nèi)容由參賽隊(duì)員控制機(jī)器人完成，機(jī)器人上半身控制的方式必須使用行為投射方式，即機(jī)器人的上肢必須復(fù)現(xiàn)操作人員的動(dòng)作。機(jī)器人需要使用無(wú)線連接，不能與外界有任何纜線連接。控制系統(tǒng)由參賽隊(duì)自行準(zhǔn)備，控制系統(tǒng)中不能使用任何可以使用的傳感器（裝飾除外）。機(jī)器人不得使用除投影控制外的其他任何控制方式。本賽項(xiàng)所使用的場(chǎng)地與擂臺(tái)賽場(chǎng)地相同。在擂臺(tái)場(chǎng)地范圍之外，距離擂臺(tái)5m以內(nèi)，會(huì)設(shè)置二個(gè)2m×3m的控制區(qū)域，該區(qū)域相互對(duì)稱，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)操作隊(duì)員能夠直接看到擂臺(tái)上的場(chǎng)景，然后通過(guò)投影的方式來(lái)控制機(jī)器人進(jìn)行格斗。比賽的目標(biāo)是要將擂臺(tái)賽投影比賽打造為激情與活力并存，技術(shù)與創(chuàng)新兼顧的一項(xiàng)機(jī)器人比賽。

2 賽前設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求

本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)符合 “機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽項(xiàng)目競(jìng)賽規(guī)程”要求的機(jī)器人，能夠完成檢測(cè)自身位置、檢測(cè)對(duì)手位置、檢測(cè)自身姿態(tài)、檢測(cè)擂臺(tái)邊緣，能夠自己完成行走和攻擊任務(wù)。

機(jī)器人必須具備幾個(gè)明顯的仿人類特征。

機(jī)器人身體部分需具備頭部、軀干、四肢幾個(gè)基本的人體特征，必須具備兩個(gè)手臂（每個(gè)手臂不少于3個(gè)動(dòng)力關(guān)節(jié)）。

機(jī)器人的底盤在場(chǎng)地上的投影尺寸不得超過(guò)240x240mm的正方形。

底盤：機(jī)器人放置于平面上，從地面向上，高150mm的這一部分稱為底盤。底盤的側(cè)壁必須垂直于場(chǎng)地表面，不允許斜面。

本組機(jī)器人在賽前需通過(guò)資格認(rèn)證。認(rèn)證方法為：機(jī)器人在賽前需將直徑100mm、高300mm、重0.5kg的PVC圓柱體舉起，以圓柱體離開地面10mm以上并保持5秒鐘為準(zhǔn)。每個(gè)機(jī)器人有三次嘗試機(jī)會(huì)。如三次嘗試失敗，則取消該機(jī)器人參賽資格。

完整的機(jī)器人整體高度不低于400mm，重量不超過(guò)4kg，機(jī)器人的兩條手臂肩關(guān)節(jié)頂部距地面的高度不低于300mm。

比賽過(guò)程中，機(jī)器人必須用手臂有效擊打?qū)Ψ綑C(jī)器人，否則將被判負(fù)，并不再考慮其他得分點(diǎn)。對(duì)有效擊打的認(rèn)定按以下原則、以主裁判認(rèn)定為準(zhǔn)：

是主動(dòng)的擊打；手臂的某一部分需切實(shí)觸碰到對(duì)方機(jī)器人；擊打動(dòng)作需有一定的動(dòng)作幅度和力度；

比賽過(guò)程中，機(jī)器人總高度低于300mm的時(shí)間不能連續(xù)超過(guò) 5秒。

3 軟件算法實(shí)現(xiàn)

（1）Kinect簡(jiǎn)要介紹

所謂動(dòng)作投影，就是把人所做的動(dòng)作投影到機(jī)器人身上，讓機(jī)器人跟著你做動(dòng)作。那么如何投影呢？就是利用Xbox360里的Kinect。Kinect是由微軟開發(fā)，應(yīng)用于 Xbox 360和 Xbox One主機(jī)的體感輸入設(shè)備。Kinect系列設(shè)備，可以將人的動(dòng)作投影到機(jī)器人身上，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制，從而進(jìn)行動(dòng)作投影的比賽。Kinect就是一個(gè)3D攝像機(jī)，并且包括了許多強(qiáng)大的功能，諸如動(dòng)態(tài)捕捉、麥克風(fēng)輸入、影像辨識(shí)、語(yǔ)音辨識(shí)等等。我們?nèi)梭w動(dòng)作的識(shí)別，是依靠Kinect上面的兩個(gè)功能強(qiáng)大的攝像頭：RGB攝像頭和深度攝像頭來(lái)完成。

RGB攝像頭：為Xbox 360提供紅、綠、藍(lán)三顏色通道，主要作用在于面部識(shí)別和動(dòng)作追蹤；

深度傳感器：深度傳感器有紅外線投影機(jī)加單色CMOS傳感器組成，雖然功能并不復(fù)雜，但它可以讓Xbox 360真正“看到”3D空間，而不是通過(guò)計(jì)算得出空間數(shù)據(jù)。

Kinect關(guān)鍵基本組件如下（下圖1）：

①麥克風(fēng)陣列；②紅外投影機(jī)；③紅外攝像頭；④仰角控制馬達(dá)；⑤USB線纜；⑥彩色攝像頭。

（2）Kinect識(shí)別原理

Kinect骨架追蹤處理流程的核心是一個(gè)無(wú)論周圍環(huán)境的光照條件如何，都可以讓Kinect感知世界的CMOS紅外傳感器。該傳感器通過(guò)黑白光譜的方式來(lái)感知環(huán)境：純黑代表無(wú)窮遠(yuǎn)，純白代表無(wú)窮近。黑白間的灰色地帶對(duì)應(yīng)物體到傳感器的物理距離。它收集視野范圍內(nèi)的每一點(diǎn)，并形成一幅代表周圍環(huán)境的景深圖像。接著，傳感器會(huì)對(duì)景深圖像進(jìn)行像素評(píng)估，來(lái)辨別人體的不同部位，采用分割策略將人體從背景環(huán)境中分離，再通過(guò)人工智能系統(tǒng)處理大量的數(shù)據(jù)。最后得到20個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)生成的一副骨架系統(tǒng)（如圖3所示）。

圖1 Kinect產(chǎn)品透視圖

圖2 Kinect產(chǎn)品實(shí)體圖

圖3 kinect識(shí)別骨架圖

（3）舵機(jī)編號(hào)軟件

本次設(shè)計(jì)的仿人機(jī)器人共六個(gè)關(guān)節(jié)，使用六個(gè)舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)肢體的控制，因?yàn)槭褂玫氖强偩€的連接，需要對(duì)被控制的電機(jī)進(jìn)行編號(hào)區(qū)分，套件中使用帶芯片控制的舵機(jī)，可以用RobotServoTerminal軟件進(jìn)行舵機(jī)編號(hào)的分配，這個(gè)軟件不僅可以對(duì)舵機(jī)的編號(hào)（ID號(hào)），還可以對(duì)舵機(jī)的狀態(tài)（包括速度、角度、溫度、負(fù)載、電壓）進(jìn)行監(jiān)控，可以設(shè)置舵機(jī)的中值位置等。

圖4 舵機(jī)調(diào)試系統(tǒng)

4 控制系統(tǒng)

（1）STM32103VCT6控制器

STM32103VCT6@72MHz；外置RS-232串行接口2個(gè)；用戶程序U盤模式、直接下載兩種下載模式；機(jī)器人數(shù)字舵機(jī)接口（支持級(jí)聯(lián)），6路通用TTL電平I/O輸出端口，GND/+6V/SIG三線制；R/C通用模擬舵機(jī)接口；16路12位精度ADC復(fù)用的TTL電平輸入端口（0-5V），GND/+5V/SIG三線制；4個(gè)用戶可配置的按鍵輸入；12路復(fù)用的用戶可配置的外部中斷輸入，其中包括4路按鍵輸入；具備藍(lán)牙收發(fā)功能，波特率115200bps，支持用戶自定義數(shù)據(jù)接收中斷；具備Zig-Bee通信功能，波特率115200bps，支持使用串口命令對(duì)其操作；4個(gè)32位用戶可支配的計(jì)時(shí)器，最小計(jì)時(shí)單位1us，支持用戶自定義計(jì)時(shí)器中斷；

圖5 STM32103VCT6控制器

（2）控制器系統(tǒng)構(gòu)成

四個(gè)驅(qū)動(dòng)單元：Cortex-M3內(nèi)核ICode總線 （I-bus），DCode總線（D-bus），和系統(tǒng)總線（S-bus）GP-DMA（通用DMA)。

三個(gè)被動(dòng)單元-內(nèi)部SRAM-內(nèi)部閃存存儲(chǔ)器-AHB到APB的橋（AHB2APBx)，它連接所有的APB設(shè)備 這些都是通過(guò)一個(gè)多級(jí)的AHB總線構(gòu)架相互連接的。

構(gòu)成模型圖如下圖：

圖6 控制器系統(tǒng)構(gòu)成圖

5 實(shí)戰(zhàn)控制及規(guī)則

（1）控制策略

機(jī)器人的控制是由攝像頭采集圖像，經(jīng)過(guò)電腦程序?qū)D像的識(shí)別，生成12個(gè)人體關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)坐標(biāo)，通過(guò)對(duì)坐標(biāo)的分析，分別對(duì)機(jī)器人的輪子、雙臂的電機(jī)和舵機(jī)下達(dá)相應(yīng)的指令。

前進(jìn)后退及左右轉(zhuǎn)的動(dòng)作命令設(shè)置為：右腿向正前方前邁出約40cm，機(jī)器人向前以800（舵機(jī)中設(shè)置值，約為1.5m/s）的速度前進(jìn)，右腿向后撤約30cm機(jī)器人向后以-800（舵機(jī)中設(shè)置值）的速度向后倒退。

左右轉(zhuǎn)彎的控制策略定義為：右腿向右前方踢出約40cm，高約10cm左右，機(jī)器人向右以速度為800半徑約3米向右前方前進(jìn)。右腿向左前方踢出約40cm，高約10cm左右，機(jī)器人向左以速度為800半徑約3米向左前方前進(jìn)。

機(jī)器人雙臂的控制模仿人的雙臂位置，根據(jù)圖像中獲取人雙臂位置的6個(gè)坐標(biāo)，分別為肩、肘、手腕，對(duì)應(yīng)機(jī)器人身上的6個(gè)舵機(jī)，每一個(gè)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)舵機(jī)的一個(gè)角度值，通過(guò)人體雙臂的坐標(biāo)變化實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙臂的仿人動(dòng)作控制。

（2）實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)地介紹

機(jī)器人在比賽開始前可以放在離擂臺(tái)中心500mm到1000mm的本方操作區(qū)，無(wú)需自主登上擂臺(tái)。

比賽開始后，每一方只允許一名操作員進(jìn)入操作區(qū)，另一名隊(duì)員只能在裁判的允許的情況下進(jìn)入場(chǎng)地扶機(jī)器。

本賽項(xiàng)所使用的場(chǎng)地與擂臺(tái)賽場(chǎng)地相同。在擂臺(tái)場(chǎng)地范圍之外，距離擂臺(tái)5m以內(nèi)，會(huì)設(shè)置二個(gè)2m×3m的控制區(qū)域，該區(qū)域相互對(duì)稱，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)操作隊(duì)員能夠直接看到擂臺(tái)上的場(chǎng)景。

圖7 比賽場(chǎng)地示意圖

（3）實(shí)戰(zhàn)規(guī)則

機(jī)器人身體部分需具備頭部、軀干、四肢幾個(gè)基本的人體特征，必須具備兩個(gè)手臂（每個(gè)手臂不少于3個(gè)動(dòng)力關(guān)節(jié)）。

機(jī)器人的底盤在場(chǎng)地上的投影尺寸不得超過(guò)240x240mm的正方形。

底盤：機(jī)器人放置于平面上，從地面向上，高150mm的這一部分稱為底盤。底盤的側(cè)壁必須垂直于場(chǎng)地表面，不允許斜面。

完整的機(jī)器人高度不低于350mm，比賽過(guò)程中的總高度也不得低于350mm，重量不超過(guò)3kg，機(jī)器人的兩條手臂肩關(guān)節(jié)距離地面的高度不低于300mm。機(jī)器人上不能夠有傳感器。

（4）實(shí)戰(zhàn)計(jì)分和勝負(fù)判定

①本賽項(xiàng)采用淘汰賽制，首輪由抽簽第一名對(duì)陣最后一名，第二名對(duì)陣倒數(shù)第二名，以此類推，以后每輪對(duì)陣由上一輪決出的第一名對(duì)陣最后一名，第二名對(duì)陣倒數(shù)第二名，以此類推，如出現(xiàn)棄權(quán)或輪空時(shí)，對(duì)手可直接晉級(jí)，直至冠亞軍決賽。

②機(jī)器人不得使用除投影控制外的其他任何控制方式。

③本賽項(xiàng)所使用的場(chǎng)地與擂臺(tái)賽場(chǎng)地相同。在擂臺(tái)場(chǎng)地范圍之外，距離擂臺(tái)5m以內(nèi)，會(huì)設(shè)置二個(gè)2m× 3m的控制區(qū)域，該區(qū)域相互對(duì)稱，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)操作隊(duì)員能夠直接看到擂臺(tái)上的場(chǎng)景。

④比賽開始后，每一方只允許一名操作員進(jìn)入操作區(qū)，另一名隊(duì)員只能在裁判的允許的情況下進(jìn)入場(chǎng)地扶機(jī)器。

⑤機(jī)器人在比賽開始前可以放在離擂臺(tái)中心500mm到1000mm的本方操作區(qū)邊，鳴哨后，機(jī)器人方可移動(dòng)，如在鳴哨前機(jī)器人有移動(dòng)位置的（移動(dòng)位置由裁判判定），對(duì)方得一分。比賽過(guò)程中有一方機(jī)器人掉到擂臺(tái)下的，對(duì)方得一分，掉到臺(tái)下的機(jī)器人可以由本組的非操作員撿起重新放到比賽前規(guī)定放的區(qū)域，從掉下擂臺(tái)開始，10秒內(nèi)未能繼續(xù)移動(dòng)比賽（在擂臺(tái)上開始移動(dòng)視為能夠繼續(xù)比賽），對(duì)方得一分，之后繼續(xù)讀秒。如比賽過(guò)程中，如有一方倒在擂臺(tái)上對(duì)方得5分，倒下后，站立的一方必須迅速遠(yuǎn)離倒下的機(jī)器人至少300mm遠(yuǎn)，不得干擾對(duì)方起來(lái)，干擾一次，對(duì)方得一分，倒下的一方如果在20秒內(nèi)不能自行起來(lái)比賽，可由本方的非操作員將機(jī)器原地扶起繼續(xù)比賽，對(duì)方再得1分。2分鐘結(jié)束后，如果比分為平局，自動(dòng)延長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)入加時(shí)，直到一方倒下或者掉下擂臺(tái)為止，結(jié)束比賽。

6 成品效果圖

圖8 成品圖

[1]張東晴,陸忠燕,吉旭程.仿人機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制策略[J].電子技術(shù)與軟件工程,2014,03：253-255.

[2]李靖意.基于Kinect深度圖像人體動(dòng)作識(shí)別研究[D].北京郵電大學(xué),2015.

[3]劉飛.基于Kinect骨架信息的人體動(dòng)作識(shí)別[D].東華大學(xué),2014

[4]黃健聰.基于Kinect的骨骼動(dòng)畫技術(shù)研究[D].華南理工大學(xué),2014.

[5]郝俊青.武術(shù)擂臺(tái)賽機(jī)器人的設(shè)計(jì)策略[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2009,09：124-126.

[6]尚華強(qiáng).基于Kinect的虛擬人物動(dòng)作仿真研究[D].杭州電子科技大學(xué),2013.

Humanoid Robot;Motion Projection;Robot Challenge

Intelligent Humanoid Robot Designed for Martial Arts Contest

WANG Ze，LI Xiang，HU Jin-xin，WANG Hao-ran，LI Xin，LIU Sai-sai
（Instrument Science and Opto-Electronics Engineering,Beijing Information Science and Technology University,Beijing 100192）

Builds a platform robot based on the structure of the human body,to achieve the basic function of the limbs of the human body,beating and bending action.Differential speed control based on wheel.The overall motion control and motion projection technology is completed, the technology is based on the recognition and processing of the image,the camera gets people's behavior images,after the calculation of the single chip computer and computer into the base position coordinates,to achieve the steering gear and motor control.The ring on both sides ultimately control the robot for hitting each other or knockout competition effect.

1007-1423（2016）19-0054-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.19.014

國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目、北京信息科技大學(xué)校課程建設(shè)-基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)機(jī)制的學(xué)教互動(dòng)教學(xué)模式改革與實(shí)踐（No. 2014KG18）

王擇（1993-），男，北京房山人，本科，學(xué)生，研究方向?yàn)榭刂乒こ?、電學(xué)

李響（1993-），男，北京崇文人，北本科，學(xué)生，研究方向?yàn)槲⑻幚砥?、電學(xué)

胡金鑫（1993-），男，北京通州人，本科，學(xué)生，研究方向?yàn)楣怆姕y(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)與儀器

王浩冉（1994-），男，北京延慶人，本科，學(xué)生，研究方向?yàn)闄C(jī)械、電學(xué)

李鑫（1994-），男，北京通州人，本科，學(xué)生，研究方向?yàn)榛贙inect的識(shí)別機(jī)理

劉賽賽（1995-），男，山西臨汾人，本科，學(xué)生，研究方向?yàn)楣馔ㄐ排c光網(wǎng)絡(luò)、激光科學(xué)與工程、電學(xué)

2015-12-15

2016-06-25