一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，包括座體，其特征在于：還包括超聲波傳感器、攝像頭、系統(tǒng)控制主機和猜拳機器人本體，在座體上設(shè)置有猜拳機器人本體，在座體上設(shè)置有出拳區(qū)，猜拳機器人本體的出拳臂伸入到出拳區(qū)，在猜拳機器人上設(shè)置有拍攝出拳人出拳手勢的攝像頭，在座體上設(shè)置有檢測是否有出拳人的超聲波傳感器，所述超聲波傳感器和攝像頭與系統(tǒng)控制主機連接。本實用新型解決了猜拳機器人無法對不規(guī)則的猜拳動作及變換手勢的猜拳動作進行有效的識別，識別速度慢，識別率低，無法進行正常娛樂活動的問題，提供了一種能夠快速準(zhǔn)確識別用戶猜拳手勢，使猜拳過程更加生動有趣的具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人及猜拳手勢識別方法。
【專利說明】一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種識別處理操作系統(tǒng)，特別涉及一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人。
【背景技術(shù)】
[0002]目前的猜拳系統(tǒng)簡單的具有圖像識別技術(shù)識別手勢圖像進行猜拳互動，其并未與機器人相結(jié)合，不夠生動形象，顯示呆板。同時由于用戶出拳手勢各異，使得猜拳機器人無法對不規(guī)則的猜拳動作及變換手勢的猜拳動作進行有效的識別，識別速度慢，識別率低，無法進行正常的娛樂活動。
實用新型內(nèi)容
[0003]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中猜拳機器人無法對不規(guī)則的猜拳動作及變換手勢的猜拳動作進行有效的識別，識別速度慢，識別率低，無法進行正常娛樂活動的問題，本實用新型提供了一種能夠快速準(zhǔn)確識別用戶猜拳手勢，使猜拳過程更加生動有趣的具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人。
[0004]為了解決上述問題，本實用新型所采取的技術(shù)方案是:
[0005]一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，包括座體，其特征在于:還包括超聲波傳感器、攝像頭、系統(tǒng)控制主機和猜拳機器人本體，在座體上設(shè)置有猜拳機器人本體，在座體上設(shè)置有出拳區(qū)，猜拳機器人本體的出拳臂伸入到出拳區(qū)，在猜拳機器人上設(shè)置有拍攝出拳人出拳手勢的攝像頭，在座體上設(shè)置有檢測是否有出拳人的超聲波傳感器，所述超聲波傳感器和攝像頭與系統(tǒng)控制主機連接。
[0006]前述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:還包括照明燈，在猜拳機器人設(shè)置有向出拳區(qū)提供照明的照明燈。
[0007]前述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:還包括音響和觸摸顯示屏，所述音響和觸摸顯示屏分別與系統(tǒng)控制主機相連接。
[0008]前述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:所述出拳臂包括手指、手指拉桿、手臂桿、舵盤、舵機和電機，所述電機通過手臂桿與舵機相連接，所述舵機控制舵盤帶動手指拉桿運動，所述手指拉桿末端連接有手指。
[0009]前述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:還包括電機座、舵機安裝板和底板，所述電機安裝電機座上，所述電機座通過螺栓連接固定在底板上，在舵機安裝板上設(shè)置有舵機。
[0010]前述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:所述手臂桿包括手臂搖桿、手臂連桿和主動搖桿，在電機座上安裝有手臂搖桿，手臂搖桿通過手臂連桿與主動搖桿一段鉸接，所述電機與主動搖桿另一端連接。
[0011]一種出拳人猜拳手勢識別方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0012](I)、攝像頭捕獲出拳人的隨機猜拳動作，[0013](2)、圖像處理平臺將出拳人猜拳動作圖像傳送給系統(tǒng)控制主機中的信息處理器，信息處理器通過內(nèi)部的圖像識別技術(shù)，提取出人手區(qū)域，然后進一步分析該區(qū)域，對猜拳動作進行識別；
[0014]前述的一種出拳人猜拳手勢識別方法，其特征在于:在步驟I中，攝像頭捕獲出拳人的動作過程中包含多次捕獲與識別，通過這種方法可以降低識別的錯誤率，并可有效的識別出拳人短時間內(nèi)快速變換手勢的作弊行為，增加系統(tǒng)的智能性及趣味性。
[0015]前述的一種出拳人猜拳手勢識別方法，其特征在于:還包括以下步驟:在步驟(1)和步驟(2)之間設(shè)有步驟:
[0016]猜拳機器人隨機產(chǎn)生猜拳動作；
[0017]在步驟(2)之后依次設(shè)有步驟:
[0018]信息處理器通過識別出的出拳人猜拳動作與機器人的猜拳動作，得出猜拳結(jié)果；
[0019]系統(tǒng)控制主機通過信息處理器的猜拳結(jié)果，控制音響進行機器人發(fā)聲，與出拳人間進行猜拳互動，增加娛樂性和趣味性。
[0020]前述的一種出拳人猜拳手勢識別方法，其特征在于:所述步驟(2)對出拳人的猜拳動作進行識別分為兩步:
[0021]第一步、從圖像中確定手掌的位置。
[0022]由步驟(1)獲取的圖像信息中，我們通過分析人類皮膚的顏色信息，確定人手的位置并提取出來，做二值化處理，便于下一步分析。然后由人手的幾何信息確定猜拳手掌的角度。然后根據(jù)獲得的角度對圖像進行旋轉(zhuǎn)，使得正在出拳的人手圖像保持水平，
[0023]第二步、對二值化后 的手掌圖像進行分析，得出手勢識別結(jié)果:
[0024]包括以下兩種方法:
[0025]述的一種出拳人猜拳手勢識別方法，其特征在于:所述步驟(2)對出拳人的猜拳動作進行識別包括以下兩種方法:
[0026]一、通過貝塞爾曲線根據(jù)手指的位置和數(shù)量進行判斷；
[0027]I )、貝塞爾曲線表達公式如式(I):，
[0028]B (t) = (l_t) [ (l_t) Pg+tPj +t [ (l_t) P^tP2], t ε [0, I]
[0029]( I)
[0030]在公式(I)中，t代表進程參數(shù),控制著節(jié)點從起點Ptl向終點P2運動,該公式生成一條連續(xù)平滑的曲線，該曲線從Ptl點開始，向P1點運動，最終到達P2點，Ptl, P1, P2代表三個特征點，
[0031]2)、采用了二階貝塞爾曲線，表達公式如式(2):，
[0032]B(t) = (l-t)2P0+2(l-t)tP1+t2P2, t e [O, I]
[0033](2)
[0034]在公式(2)中，t代表進程參數(shù)，控制著節(jié)點從起點Ptl向終點P2運動，P0, P1, P2代表三個特征點，貝塞爾曲線由這些特征點決定；
[0035]3)、貝塞爾特征點的選取，根據(jù)坐標(biāo)位置選取特征點，圍繞著人手附近的點，分別用Po，P11P2和p2，p3，P4作為貝塞爾曲線的特征點，繪制出兩條二階貝塞爾曲線；坐標(biāo)fw Λ fW fwfw Λ
位置為 pQ 為—，0 P1S —，0 ?2為—，一 ？3為—，L P4 為
V 2 )， V 5 J， I 5 2Jy V 5 J，
(W )
——，L W:手勢圖像的寬，L:手勢圖像的長，
U J，
[0036]兩條貝塞爾曲線在點P2相交，形成一條完整的曲線，通過進程參數(shù)t的增加和參數(shù)n，控制曲線上的點從Ptl向P4移動，判定曲線方程如公式(3)所示:
[0037]
、^-O2P()+2{\-t)tPl+rP7Je[0A] (if η = O)fit, η) = ,,η e [0.1]'、 (1-ty P2 + 2(1 -t)tP3 + t2P4J e [0,1] (if η = I) '
[0038](3)
[0039]把步長設(shè)為若干個采樣點，當(dāng)采樣點上的象素點值不等于O時，我們認(rèn)為該像素點有效，我們將計數(shù)器+1，繼續(xù)檢測下一個采樣點；當(dāng)該像素點等于O時，計數(shù)器清零，繼續(xù)檢測下一個采樣點；
[0040]在采樣的過程中，如果計數(shù)器值count e [50，200)，就認(rèn)為識別到了一根手指；如果計數(shù)器值count ^ 200時，我`們就認(rèn)為識別到了手掌；根據(jù)這個方法，如果我們辨認(rèn)出了2根手指,我們就認(rèn)為手勢為剪刀；如果辨認(rèn)出4根以上的手指,我們就認(rèn)為手勢為布；如果辨認(rèn)出手掌而沒有手指，我們就認(rèn)為手勢為拳頭，其他情況不能確定，我們將使用機器人學(xué)并匹配的方法進行二次判斷，做出結(jié)論。
[0041]二、系統(tǒng)控制主機使用預(yù)先準(zhǔn)備的100組數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，然后再將圖像處理平臺得到的手型與訓(xùn)練結(jié)果進行比對，得出判斷。
[0042]本實用新型的有益效果是:
[0043]本實用新型基于現(xiàn)有的猜拳游戲基礎(chǔ)上增加了算法的優(yōu)化，能夠有效的識別不規(guī)則的猜拳手勢和變換動作的猜拳手勢。同時本實用新型將優(yōu)化后的猜拳算法有效的與機器人相結(jié)合，機器人可以通過機械臂出拳，使猜拳過程更加生動有趣。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0044]圖1是本實用新型進行猜拳互動過程流程圖。
[0045]圖2是本實用新型具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人結(jié)構(gòu)示意圖。
[0046]圖3是本實用新型出拳臂結(jié)構(gòu)示意圖。
[0047]圖4是本實用新型手勢提取二值化處理示意圖。
[0048]圖5是本實用新型三階貝塞爾曲線示意圖。
[0049]圖6是本實用新型貝塞爾曲線特征點選取位置示意圖。
【具體實施方式】
[0050]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步的描述。
[0051]如圖1-圖2所示，一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，包括系統(tǒng)控制主機12、超聲波傳感器13、照明燈15、攝像頭16、音響17、觸摸顯示屏18、猜拳機器人本體19和座體20，在座體20上設(shè)置有猜拳機器人本體19，在座體上20設(shè)置有出拳區(qū)14，猜拳機器人本體19的出拳臂伸入到出拳區(qū)14，在出拳區(qū)I側(cè)面設(shè)置有拍攝出拳人出拳手勢的攝像頭16，在座體20上設(shè)置有檢測是否有出拳人的超聲波傳感器13，所述超聲波傳感器13和攝像頭16與系統(tǒng)控制主機12連接。在猜拳機器人設(shè)置有向出拳區(qū)14提供照明的照明燈15。所述音響17和觸摸顯示屏18分別與系統(tǒng)控制主機12相連接。
[0052]具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人工作時，超聲波傳感器13檢測是否有觀眾出現(xiàn)，如有觀眾出現(xiàn)，控制程序通過音響17使用語音自動邀請觀眾參與科普互動，使用觸摸顯示屏18可以讓觀眾進行有關(guān)猜拳的科學(xué)知識講解。系統(tǒng)通過攝像頭16采集出現(xiàn)在出拳區(qū)14中的各種手勢，且通過照明燈15提供可靠的照明。整個操作過程由系統(tǒng)控制主機12可靠地控制。
[0053]如圖3所示，出拳臂包括電機座1、手臂搖桿2、手指3、手指拉桿4、舵盤5、舵機6、舵機安裝板7、底板8、手臂連桿9、主動搖桿10和電機11。電機11安裝電機座上1，電機座I通過螺栓連接固定在底板8上，底板8對整個機械手臂起支撐作用。在電機座I上安裝有手臂搖桿2，手臂搖桿2通過手臂連桿9與主動搖桿10 —段鉸接，所述電機11與主動搖桿10另一端連接。在手臂搖桿2上安裝有舵機安裝板7，在舵機安裝板7上設(shè)置有舵機6，舵機6與舵盤5連接控制舵盤5帶動手指拉桿4運動，所述手指拉桿4末端連接有手指3。
[0054]本實用新型出拳人猜拳手勢識別方法，包括以下步驟:
[0055]步驟SI，攝像頭捕獲用戶的隨機猜拳動作。
[0056]步驟S2，猜拳機器人隨機產(chǎn)生猜拳動作。
[0057]步驟S3，圖像處理平臺將用戶猜拳動作圖像傳送給系統(tǒng)控制主機中的信息處理器，信息處理器通過內(nèi)部的圖像識別技術(shù)，對用戶的猜拳動作進行識別。該步驟中添加了優(yōu)化的猜拳動作猜解算法，能夠有效的識別一定程度的不規(guī)則猜拳動作和變換手勢的猜拳動作。
[0058]新的猜拳手勢識別方法在進行識別分為兩步:
[0059]第一步、從圖像中確定手掌的位置。
[0060]由步驟SI獲取的圖像信息中，我們通過分析人類皮膚的顏色信息，確定人手的位置并提取出來，做二值化處理，便于下一步分析。然后由人手的幾何信息確定猜拳手掌的角度，這些信息包括手掌的長寬比例，小臂的方向和手指的方向等。然后根據(jù)獲得的角度對圖像進行旋轉(zhuǎn)，使得正在出拳的人手圖像保持水平，如圖4所示。
[0061]第二步、對二值化后的手掌圖像進行分析，得出手勢識別結(jié)果:
[0062]在新的手勢識別算法中應(yīng)用了兩種識別算法，它們分別工作，隨后將結(jié)果融合，得出最后的手型結(jié)論。這兩種識別算法一種是根據(jù)手指的位置和數(shù)量進行判斷，它應(yīng)用了貝塞爾曲線(B6Zier curve);第二種方法使用了機器學(xué)習(xí)的方法。在做出判定之前，系統(tǒng)使用預(yù)先準(zhǔn)備的100組數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，然后再將得到的手型與訓(xùn)練結(jié)果進行比對，得出判斷。
[0063]對于信息融合的方法，我們采用使用貝塞爾曲線方法為主，機器學(xué)習(xí)方法加以輔助的方式。當(dāng)?shù)谝环N方法得出的結(jié)論不夠可靠的情況下，我們參考第二種方法進行輔助判斷。由于新的算法融入了兩種識別算法，并加以有機結(jié)合，新的系統(tǒng)在識別可靠性上大大增強。[0064]貝塞爾曲線表達公式如式(I):，
[0065]B(t) = (1-t) [ (1-t) Po+tPj +t [ (1-t) Pi+tPj, t e [0, I]
[0066]( I)
[0067]在公式(I)中，t代表進程參數(shù)，控制著節(jié)點從起點Ptl向終點P2運動，該公式生成一條連續(xù)平滑的曲線，該曲線從Ptl點開始，向P1點運動，最終到達P2點。Po，P1, P2代表三個特征點。
[0068]在本次應(yīng)用中，我們采用了二階貝塞爾曲線，如圖4所示，
[0069]B(t) = (l-t)2P0+2(l-t)tP1+t2P2, t e [O, I]
[0070](2)
[0071]在公式(2)中，t代表進程參數(shù)，控制著節(jié)點從起點Ptl向終點P2運動，P0, P1, P2代表三個特征點，貝塞爾曲線由這些特征點決定。經(jīng)過恰當(dāng)?shù)倪x取特征點，繪制出令人滿意的貝塞爾曲線，環(huán)繞在手掌周圍，判斷人手指的狀態(tài)，從而正確的識別手型。
[0072]貝塞爾特征點的選取，如圖4所示，經(jīng)過皮膚顏色識別和二值化處理，我們提取出人手圖像并充滿整個畫面。一旦成功提取了手型，我們就可以根據(jù)表1所示的坐標(biāo)位置選取特征點，如圖6貝塞爾曲線特征點選取位置示意圖所示，圍繞著人手附近的點，我們分別用Ptl, P1, P2和P2，P3, P4作為貝塞爾曲線的特征點，繪制出兩條二階貝塞爾曲線。
[0073]表1.特征點位置表
【權(quán)利要求】
1.一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，包括座體，其特征在于:還包括超聲波傳感器、攝像頭、系統(tǒng)控制主機和猜拳機器人本體，在座體上設(shè)置有猜拳機器人本體，在座體上設(shè)置有出拳區(qū)，猜拳機器人本體的出拳臂伸入到出拳區(qū)，在猜拳機器人上設(shè)置有拍攝出拳人出拳手勢的攝像頭，在座體上設(shè)置有檢測是否有出拳人的超聲波傳感器，所述超聲波傳感器和攝像頭與系統(tǒng)控制主機連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:還包括照明燈，在猜拳機器人設(shè)置有向出拳區(qū)提供照明的照明燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:還包括音響和觸摸顯示屏，所述音響和觸摸顯示屏分別與系統(tǒng)控制主機相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:所述出拳臂包括手指、手指拉桿、手臂桿、舵盤、舵機和電機，所述電機通過手臂桿與舵機相連接，所述舵機控制舵盤帶動手指拉桿運動，所述手指拉桿末端連接有手指。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:還包括電機座、舵機安裝板和底板，所述電機安裝電機座上，所述電機座通過螺栓連接固定在底板上，在舵機安裝板上設(shè)置有舵機。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種具有圖像識別系統(tǒng)的猜拳機器人，其特征在于:所述手臂桿包括手臂搖桿、手臂連桿和主動搖桿，在電機座上安裝有手臂搖桿，手臂搖桿通過手臂連桿與主動搖桿一段鉸接，所述電機與主動搖桿另一端連接。
【文檔編號】B25J11/00GK203418539SQ201320196792
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年10月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月8日
【發(fā)明者】唐瑭, 郭銳, 吳季泳, 楊桂平 申請人:塔米智能科技（北京）有限公司