随着人口红利的逐步下降，企业用工成本不停上涨，工业机器人正在逐步参与公众的生活。工业机器人是当今制造业中的研究焦点，大力发展工业机器人能够增强一个国家的制造能力。工业机器人参与到人的工作环境中，既能够充分保证工作效率又能够有效地解放人的劳动力，加速了社会发展，机器人已然成为这个时代的宠儿，人类社会也终将迈向机器智能的时代。然而在许多制造场合中，工业机器人不能完全代替人完成某些制造任务，因此，工业机器人人机协作制造越来越重要。人机协作（Human-Robot Collaboration，HRC）是指机器人与人在同一作业空间内直接接触，合作完成一项作业任务。

可是，人类与机器人的交互设备大多还是键盘、鼠标等装置，如果无法实现人机自然交互，机器将无法发挥更大的优越性。人类对机器拟人化、生物化、智能化有着由来已久的向往，近几年随着模式识别、人工智能等前沿技术的发展，人类对自然交互的渴望越来越强烈。自然交互即要求机器人能够通过感知人的动作、手势或语音等方法与人进行交流，以实现人机协作控制。通过这种拟人、自然的交互方式，能够将机器人的协作能力发挥到最大程度。因此，研究人机自然交互有着重大意义。

近些年来传感器技术高速发展，机器人与人之间的信息交互无处不在，自然用户界面是数字世界和现实世界沟通的桥梁。TOF技术即飞行时间技术，传感器发出的调制过的近红外光遇到物体后会发生反射，传感器根据光线发射差或相位差换算出被拍摄物体的距离，产生深度信息。Kinect v2体感传感器作为一种TOF体感器有着出色的体感捕捉能力及语音识别能力，是人机交互领域创新的典范，为实现人机协作自然交互控制奠定了坚实的基础，因此对Kinect v2体感传感器的相关技术的研究有着重大的意义。

近几年，工业机器人技术正在向智能化、系统化、模块化的方向发展，人机交互协作也在向着更加人性化、更加自然的方式发展。2008年，比尔.盖茨提出了“自然用户界面”的概念，并预言人机交互将会有很大的改变，自然的视觉型、语音控制界面将逐渐取代键盘和鼠标。Microsoft Kinect v2体感传感器作为一种TOF体感器是微软推出的体感周边外设，包括一个RGB摄像机、一个红外线CMOS传感器、红外激光投射器和一个麦克风阵列。利用这些配置可以采集到深度数据、彩色图像数据、语音数据进而可以实现骨骼跟踪、人脸识别、语音识别等高级功能。由于Kinect v2的独特魅力，越来越多的开发者踊跃地进行Kinect v2的开发。

在国内，微软亚洲研究院启动了“微软校园菁英计划”，在全国范围内动员开发者进行应用的创新。很多创意团队提交了创新应用设计方案。这使得Kinect v2在中国开发者当中得到全面的推广。与此同时，Kinect的人脸识别、骨骼跟踪、语音识别等强大功能应用到人机协作交互中，一定能够拉近人类与机器的距离。

2. 研究的基本内容与方案

本设计旨在使用基于TOF技术的Microsoft Kinect v2体感传感器开发一个人-机器人动作识别与协作控制系统，用户能够通过特定的姿态、手势对工业机器人进行控制，使其完成给定的任务，使人与机器人之间的关系更加亲密，达到基本的自然人机交互效果。

本设计利用Microsoft Kinect v2体感器提取人体骨骼结构，并识别不同人体姿态模式及手势，并基于C#设计桌面应用程序，基于工业机器人编程方法设计机器人端程序，实现桌面程序与工业机器人之间的通信，通过人体姿态和手势对工业机器人进行控制，达到基本的自然人机交互效果。人-机器人动作识别与协作控制系统的结构图如图1所示。

图1.人-机器人动作识别与协作控制系统结构图

系统的工作流程如下：Kinect v2体感传感器作为核心部件将捕捉到的人体姿态、手势转化为数据流，Kinect驱动通过USB通讯接口将数据流传给PC端的Kinect for Windows SDK,SDK处理接收到的数据流后将处理结果即人体的骨骼信息传输给上位机，上位机来判定是否为特定的人体姿态或手势并且与IRC5控制器进行通信来驱动机器人完成控制目标。实现通过人体姿态和手势对工业机器人进行控制的目的，达到基本的自然人机交互效果。