【星火杯特等獎】人體動作跟蹤模仿機器人

■ 學生記者 李夢鶴 趙佳

項目名稱：人體動作跟蹤模仿機器人

項目簡介：本項目基于Kinect SDK在Windows操作系統下獲取人體的骨骼圖像，經過濾波降噪處理得到穩定的人體骨骼數據，并將骨骼追蹤算法應用于人體姿態動態跟蹤，經分析、處理，控制人形機器人實時模仿人體動作，實現一種實時的智能控制模式。如同將人腦植入到機器人中，讓機器人能夠像人一樣適應和面對不可預知的挑戰，可廣泛應用于在線動作示教，或是代替人在不良的環境下作業。

團隊核心成員所在院系：電子工程學院

提起機器人，我們都不會陌生，“終結者”、“擎天柱”、 “深藍”等都是我們耳熟能詳的。上個世紀60年代，隨著微電子學和計算機技術的迅速發展以及自動化技術的趨漸成熟，機器人被科技人員研發出來。現如今，機器人被廣泛運用到工業制造行業當中，能夠高強度、持久地在各種生產環境中從事單標調重復甚至于危險的勞動，使人類從繁重的體力勞動中解放出來。

2015年12月13日，第十七屆星火杯公開答辯的現場，一個靈氣十足的機器人跟隨人做出了同樣的動作，它吸引了現場所有人的眼球，同時也獲得了在座評委的肯定。憑借扎實的技術功底以及創新的思維，范越帶領的團隊在“第二十七屆星火杯”大賽中獲得校級特等獎。

追求卓越  圓夢星火

范越在第二十六屆星火杯比賽中已經取得了校一等的好成績，同時在其他各種各樣的更高級別的比賽中也已經鋒芒畢露，為什么還要再次參加星火杯呢？“盡管之前已經參加過兩次星火杯，取得的成績也一次比一次好，但是依舊覺得自己的星火杯之路還不夠圓滿。”范越這樣說到。

大二下學期，鄧軍老師向范越提出建議，利用實驗室在做畢業設計時買入的未使用的設備開發出一個迎賓機器人。這一建議與范越之前的想再次參加星火杯的想法不謀而合，就這樣他開始著手準備參加第三次星火杯比賽。

同時，范越找到了曾經合作過多次的王浩然。盡管當時王浩然在閃電孵化器還擔任了一部分工作，但還是毅然決定和范越一起備戰星火杯。從準備到參賽，差不多大半年的時間，他們追求卓越的心，讓他們可以一直堅持著。也許正是因為當初的執著造就了他們今日的星火杯比賽中的卓越。

執著夢想 癡迷科技

項目的完成不可能一蹴而就，從開始的idea到設計、組裝、算法，再到一次一次的調試逐步實現系統的架構，項目的完成是一個漫長的過程。范越帶領自己的團隊克服種種困難，在目標和信念的支持下完成了人體動作跟蹤模仿機器人的開發。

他們首先利用Kinect設備獲取人體姿態的原始骨骼圖像，即在給定三維直角坐標系中每個關節點的x，y，z坐標，并將數據傳送至上位機。隨后，計算機通過濾波得到穩定的骨骼數據，將由骨骼點的三維坐標進行向量運算，計算出骨骼之間，即關節的轉動角，并將角度按照一定格式傳至機器人身上的控制器。最后，通過控制器處理并譯碼，從而控制舵機工作，使得各個舵機運動至指定角度，進而實現了機器人實時模仿人體運動。

這三部分之間宏觀上呈現開環控制，使得系統總體架構簡單。而在動作跟蹤算法中引入濾波，同Kinect回傳的原始骨骼數據構成閉環反饋，具有一定的自動糾偏能力。

人體動作跟蹤模仿機器人是針對現有的機器人不能做到靈活與高適應性，很難在復雜環境中代替人作業的現狀而設計出來的。人體動作跟蹤模仿機器人希望給人最大的自由度，這樣人就可以自由地做出動作，機器人跟隨人做出完全一樣的動作，人可以完全控制機器人，從而使人與危險的環境隔離開來。

對星火杯的執著和對科技的癡迷，激勵著這個團隊在困難重重下一路走到最后。整個過程，他們從不喊累，也不曾想過放棄。范越回憶道，“在備賽階段，我們還有一個挑戰杯的項目在同時進行。我們只能抓住每分每秒來討論、修改，幾乎每天都是凌晨一兩點回宿舍。樓管阿姨的本子上記錄的幾乎都是我們的名字，我們很抱歉打擾到樓管阿姨，但是沒辦法，時間緊任務重，機器人還要一遍一遍進行調試。”

“那段時間真的很緊張，而且比賽的技術要求也比較高，自己的課程也是很多，只能硬著頭皮，一步步堅持往前走，還好最后結果還是不錯的。”王浩然如是說。

厚積薄發，機會留給有準備的人

從大一起，范越和王浩然兩人就開始一起合作參加了各種科技比賽：國創、華創杯、有方杯、北斗杯，更是三年接連不斷參加了星火杯。對他們而言，星火杯改變了他們的大學的生活軌跡。從一開始的什么都不會，到暑假開始自學單片機，逐漸掌握各種技術；從一開始的星火杯院級二等獎到校級一等獎，再到校級特等獎，一步步走來，他們成為學弟學妹眼中的榜樣，也讓自己的大學生活更加圓滿、充實。

有人說參加這些比賽會耽誤學習，然而在他們看來，比賽不但不會耽誤自己正常的學業學習，反而比賽的挑戰性卻成為自身學習的動力。團隊成員高雨宸說：“星火杯比賽打破了被動的學習模式，引導我們學會思考和分析問題，激發了我們探索真理的內在動機，分析能力與解決問題的能力得到了提升。”

正如王浩然所說，機會從來都是留給有準備的人。機會不會從天而降，只有從一開始抓住一個個小機會，才有能力和信心抓住更大更好的機會。就像范越和王浩然一樣，從一開始的一步一個腳印一路走下來，才有了現在厚積薄發的成績。

有人認為大學生活里，總會有一段讓人很迷茫的時期。但他們不曾迷茫，從大一到現在，他們的大學生活很是充實。正是因為這些大大小小的比賽，讓他們的大學生活更加絢爛。