用于武術擂臺賽的仿人智能機器人設計

王擇，李響，胡金鑫，王浩冉，李鑫，劉賽賽

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

用于武術擂臺賽的仿人智能機器人設計

王擇，李響，胡金鑫，王浩冉，李鑫，劉賽賽

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

搭建一臺基于人體構造的擂臺機器人，實現人體四肢的基礎功能，可進行擊打、彎曲等動作。行走部分基于輪子的差速控制。整體動作控制利用動作投影技術完成，其技術是基于對圖像的識別處理，攝像頭獲取人的行為圖像，經過單片機與電腦的計算轉化為基礎的位置坐標，達到對舵機以及電機的控制。最終達到擂臺上上雙方人員控制機器人進行互相擊打或者擊倒對方的競技比賽效果。

仿人智能機器人；動作投影；機器人擂臺

1 緒論

（1）引言

當今，機器人技術的發展迅速，為了促進智能機器人技術（尤其是自主識別、自主決策技術）的普及。開展本次大創課題，設計一個用于武術擂臺賽的仿人智能機器人，機器人需要在規則范圍內以自主進行互相搏擊，并爭取在比賽中獲勝，以對抗性競技的形式來推動相關機器人技術在大學生、青少年中的普及與發展。

（2）仿人機器人的發展歷史

1910年，捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在其科幻小說中創造了“機器人”一詞。

在此觀點提出的40年內，對機器人的研究及成果都集中在理論或初級簡單的形態上，與人們所需求或者說幻想中的還有一段差距。但是在1959年，制造出第一臺可編程機器人的德沃爾與發明家約瑟夫英格博格合作制造出第一臺工業機器人，這為日后機器人的發展方向打下了基礎。

20世紀60年代中期開始，由于第二代傳感器的出現，機器人開始向著人工智能進發。而這時，領先的歐美機器人方隊的研究方向還是在大型工業化發展，卻不知道日本的加藤一郎已經在仿人化方向取得了巨大成效。1969年，日本的加藤一郎實驗室研發出第一臺可雙腳走路的機器人，這為機器人以后的發展提供了更多的選擇方向。

此后20年間，個人計算機爆發式增長，機器人發展日漸成熟，為機器人的突破式發展提供了基礎。

（3）仿人機器人的概念及研究背景

模仿人的形態和行為而設計制造的機器人就是仿人機器人，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。

由于仿人型機器人集機、電、材料、計算機、傳感器、控制技術等多門學科于一體，是一個國家高科技實力和發展水平的重要標志，因此，世界發達國家都不惜投入巨資進行開發研究。在這個科技飛速發展的時代，機器人的技術創新發展影響著全世界每一個國家的經濟生產，在這樣一個大的研究背景下，我們需要對機器人的研究更加重視，為此開設本課題以了解機器人的簡單構建。

（4）仿人機器人介紹

擂臺賽投影比賽機器人由頭部、上肢、手臂、運動底盤構成。

上肢手臂復現人的動作，實現對敵人的抱、抓、推等各種進攻動作，運動底盤可以實現靈活快速的前進、后退、原地轉圈、運動轉圈等動作。

比賽開始后，立體相機將識別到的人體肢體角度數據進行修正分析，轉換成機器人肢體，底盤能識別的數據，通過計算機的藍牙模塊定時發送給機器人的控制器，控制器接收到數據信息后進行解析，然后驅動各個模塊運動。

（5）仿人機器人賽種的由來

擂臺賽投影比賽就是根據該電影內的機器人格斗比賽演變而來，本賽項所有內容由參賽隊員控制機器人完成，機器人上半身控制的方式必須使用行為投射方式，即機器人的上肢必須復現操作人員的動作。機器人需要使用無線連接，不能與外界有任何纜線連接?？刂葡到y由參賽隊自行準備，控制系統中不能使用任何可以使用的傳感器（裝飾除外）。機器人不得使用除投影控制外的其他任何控制方式。本賽項所使用的場地與擂臺賽場地相同。在擂臺場地范圍之外，距離擂臺5m以內，會設置二個2m×3m的控制區域，該區域相互對稱，在這個區域內操作隊員能夠直接看到擂臺上的場景，然后通過投影的方式來控制機器人進行格斗。比賽的目標是要將擂臺賽投影比賽打造為激情與活力并存，技術與創新兼顧的一項機器人比賽。

2 賽前設計內容及要求

本次設計的主要內容是設計一個符合 “機器人武術擂臺賽項目競賽規程”要求的機器人，能夠完成檢測自身位置、檢測對手位置、檢測自身姿態、檢測擂臺邊緣，能夠自己完成行走和攻擊任務。

機器人必須具備幾個明顯的仿人類特征。

機器人身體部分需具備頭部、軀干、四肢幾個基本的人體特征，必須具備兩個手臂（每個手臂不少于3個動力關節）。

機器人的底盤在場地上的投影尺寸不得超過240x240mm的正方形。

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

本組機器人在賽前需通過資格認證。認證方法為：機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。每個機器人有三次嘗試機會。如三次嘗試失敗，則取消該機器人參賽資格。

完整的機器人整體高度不低于400mm，重量不超過4kg，機器人的兩條手臂肩關節頂部距地面的高度不低于300mm。

比賽過程中，機器人必須用手臂有效擊打對方機器人，否則將被判負，并不再考慮其他得分點。對有效擊打的認定按以下原則、以主裁判認定為準：

是主動的擊打；手臂的某一部分需切實觸碰到對方機器人；擊打動作需有一定的動作幅度和力度；

比賽過程中，機器人總高度低于300mm的時間不能連續超過 5秒。

3 軟件算法實現

（1）Kinect簡要介紹

所謂動作投影，就是把人所做的動作投影到機器人身上，讓機器人跟著你做動作。那么如何投影呢？就是利用Xbox360里的Kinect。Kinect是由微軟開發，應用于 Xbox 360和 Xbox One主機的體感輸入設備。Kinect系列設備，可以將人的動作投影到機器人身上，實現對機器人的控制，從而進行動作投影的比賽。Kinect就是一個3D攝像機，并且包括了許多強大的功能，諸如動態捕捉、麥克風輸入、影像辨識、語音辨識等等。我們人體動作的識別，是依靠Kinect上面的兩個功能強大的攝像頭：RGB攝像頭和深度攝像頭來完成。

RGB攝像頭：為Xbox 360提供紅、綠、藍三顏色通道，主要作用在于面部識別和動作追蹤；

深度傳感器：深度傳感器有紅外線投影機加單色CMOS傳感器組成，雖然功能并不復雜，但它可以讓Xbox 360真正“看到”3D空間，而不是通過計算得出空間數據。

Kinect關鍵基本組件如下（下圖1）：

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

（2）Kinect識別原理

Kinect骨架追蹤處理流程的核心是一個無論周圍環境的光照條件如何，都可以讓Kinect感知世界的CMOS紅外傳感器。該傳感器通過黑白光譜的方式來感知環境：純黑代表無窮遠，純白代表無窮近。黑白間的灰色地帶對應物體到傳感器的物理距離。它收集視野范圍內的每一點，并形成一幅代表周圍環境的景深圖像。接著，傳感器會對景深圖像進行像素評估，來辨別人體的不同部位，采用分割策略將人體從背景環境中分離，再通過人工智能系統處理大量的數據。最后得到20個關節點生成的一副骨架系統（如圖3所示）。

圖1 Kinect產品透視圖

圖2 Kinect產品實體圖

圖3 kinect識別骨架圖

（3）舵機編號軟件

本次設計的仿人機器人共六個關節，使用六個舵機來實現肢體的控制，因為使用的是總線的連接，需要對被控制的電機進行編號區分，套件中使用帶芯片控制的舵機，可以用RobotServoTerminal軟件進行舵機編號的分配，這個軟件不僅可以對舵機的編號（ID號），還可以對舵機的狀態（包括速度、角度、溫度、負載、電壓）進行監控，可以設置舵機的中值位置等。

圖4 舵機調試系統

4 控制系統

（1）STM32103VCT6控制器

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

圖5 STM32103VCT6控制器

（2）控制器系統構成

四個驅動單元：Cortex-M3內核ICode總線 （I-bus），DCode總線（D-bus），和系統總線（S-bus）GP-DMA（通用DMA)。

三個被動單元-內部SRAM-內部閃存存儲器-AHB到APB的橋（AHB2APBx)，它連接所有的APB設備 這些都是通過一個多級的AHB總線構架相互連接的。

構成模型圖如下圖：

圖6 控制器系統構成圖

5 實戰控制及規則

（1）控制策略

機器人的控制是由攝像頭采集圖像，經過電腦程序對圖像的識別，生成12個人體關節數據坐標，通過對坐標的分析，分別對機器人的輪子、雙臂的電機和舵機下達相應的指令。

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

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

機器人雙臂的控制模仿人的雙臂位置，根據圖像中獲取人雙臂位置的6個坐標，分別為肩、肘、手腕，對應機器人身上的6個舵機，每一個坐標對應舵機的一個角度值，通過人體雙臂的坐標變化實現機器人雙臂的仿人動作控制。

（2）實戰場地介紹

機器人在比賽開始前可以放在離擂臺中心500mm到1000mm的本方操作區，無需自主登上擂臺。

比賽開始后，每一方只允許一名操作員進入操作區，另一名隊員只能在裁判的允許的情況下進入場地扶機器。

本賽項所使用的場地與擂臺賽場地相同。在擂臺場地范圍之外，距離擂臺5m以內，會設置二個2m×3m的控制區域，該區域相互對稱，在這個區域內操作隊員能夠直接看到擂臺上的場景。

圖7 比賽場地示意圖

（3）實戰規則

機器人身體部分需具備頭部、軀干、四肢幾個基本的人體特征，必須具備兩個手臂（每個手臂不少于3個動力關節）。

機器人的底盤在場地上的投影尺寸不得超過240x240mm的正方形。

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

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

（4）實戰計分和勝負判定

①本賽項采用淘汰賽制，首輪由抽簽第一名對陣最后一名，第二名對陣倒數第二名，以此類推，以后每輪對陣由上一輪決出的第一名對陣最后一名，第二名對陣倒數第二名，以此類推，如出現棄權或輪空時，對手可直接晉級，直至冠亞軍決賽。

②機器人不得使用除投影控制外的其他任何控制方式。

③本賽項所使用的場地與擂臺賽場地相同。在擂臺場地范圍之外，距離擂臺5m以內，會設置二個2m× 3m的控制區域，該區域相互對稱，在這個區域內操作隊員能夠直接看到擂臺上的場景。

④比賽開始后，每一方只允許一名操作員進入操作區，另一名隊員只能在裁判的允許的情況下進入場地扶機器。

⑤機器人在比賽開始前可以放在離擂臺中心500mm到1000mm的本方操作區邊，鳴哨后，機器人方可移動，如在鳴哨前機器人有移動位置的（移動位置由裁判判定），對方得一分。比賽過程中有一方機器人掉到擂臺下的，對方得一分，掉到臺下的機器人可以由本組的非操作員撿起重新放到比賽前規定放的區域，從掉下擂臺開始，10秒內未能繼續移動比賽（在擂臺上開始移動視為能夠繼續比賽），對方得一分，之后繼續讀秒。如比賽過程中，如有一方倒在擂臺上對方得5分，倒下后，站立的一方必須迅速遠離倒下的機器人至少300mm遠，不得干擾對方起來，干擾一次，對方得一分，倒下的一方如果在20秒內不能自行起來比賽，可由本方的非操作員將機器原地扶起繼續比賽，對方再得1分。2分鐘結束后，如果比分為平局，自動延長時間進入加時，直到一方倒下或者掉下擂臺為止，結束比賽。

6 成品效果圖

圖8 成品圖

[1]張東晴,陸忠燕,吉旭程.仿人機器人武術擂臺賽中機器人的運動控制策略[J].電子技術與軟件工程,2014,03：253-255.

[2]李靖意.基于Kinect深度圖像人體動作識別研究[D].北京郵電大學,2015.

[3]劉飛.基于Kinect骨架信息的人體動作識別[D].東華大學,2014

[4]黃健聰.基于Kinect的骨骼動畫技術研究[D].華南理工大學,2014.

[5]郝俊青.武術擂臺賽機器人的設計策略[J].科技情報開發與經濟,2009,09：124-126.

[6]尚華強.基于Kinect的虛擬人物動作仿真研究[D].杭州電子科技大學,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

國家大學生創新項目、北京信息科技大學校課程建設-基于任務驅動機制的學教互動教學模式改革與實踐（No. 2014KG18）

王擇（1993-），男，北京房山人，本科，學生，研究方向為控制工程、電學

李響（1993-），男，北京崇文人，北本科，學生，研究方向為微處理器、電學

胡金鑫（1993-），男，北京通州人，本科，學生，研究方向為光電測試技術與系統、傳感器系統與儀器

王浩冉（1994-），男，北京延慶人，本科，學生，研究方向為機械、電學

李鑫（1994-），男，北京通州人，本科，學生，研究方向為基于Kinect的識別機理

劉賽賽（1995-），男，山西臨汾人，本科，學生，研究方向為光通信與光網絡、激光科學與工程、電學

2015-12-15

2016-06-25