动作捕捉（mocap）系统是可以检测和记录人类、动物和物体运动的技术，广泛用于各种环境。该技术现在已被用于拍摄电影、在交互式视频游戏机中创建具有逼真嘴唇和身体动作的动画，甚至用于控制机器人。

俄罗斯斯科尔科沃科技研究所（Skoltech）的研究人员最近开发了一种新的动作捕捉系统，可以实现更安全、更有效的人机交互。该系统该系统基于可穿戴机器人系统和摄像头，可跟踪用户手臂的运动。

“这项工作是智能空间机器人（ISR）实验室人机交互领域多年研究的结果，”该项目的关键研究员Ali Alabbas说“人机交互涉及人类和机器人的协作，因此人类操作员的安全是此类应用中的重中之重。这项工作建立在我们实验室以前开发的经验和技术之上。”

这组研究人员引入的动作捕捉系统从他们之前开发的两项技术中汲取灵感。第一个是一个名为CobotGear的系统，它使用6-DoF可穿戴摄像头来跟踪人体手臂的运动。第二个是CoHaptics，它利用触觉（触摸相关）反馈，为用户提供有关他们与机器人的距离的信息，并在机器人离他们非常近时提醒他们。

“我们工作的一个目标是开发一种低成本且易于安装的动作捕捉系统，该系统可以检测和定位用户在工作环境中的手，并采用支撑 CobotGear 功能的算法，以避免机器人和用户在执行协作任务时发生碰撞。”Alabbas 解释说。“拟议的动作捕捉系统是基于视觉的。它使用摄像头和计算机视觉来定位附着在用户手上的独特视觉机器人标记（我们动作捕捉系统的目标）。”

动作捕捉系统的一个常见限制是它们可能会受到遮挡的不利影响。换句话说，如果系统遵循的视觉标记有部分或全部隐藏在对象后面，则系统不再能够跟踪它。Alabbas和他的同事着手通过降低遮挡风险来解决这一限制。

“我们的想法是开发一种可以移动标记的机制，确保它始终对动作捕捉系统保持可见，”Alabbas说。“我们的解决方案是建造一个小型可穿戴机器人，它可以固定标记并具有旋转能力。”

该研究团队创建的系统基于用户佩戴在前臂上的机器人。该机器人以不同的方式移动标记，确保它始终保持在集成摄像机的视野中。

“通常，运动捕捉系统的反射标记物是球形，以保证由相机从不同角度捕获的尺寸相同，”Dzmitry Tsetserukou教授说。“另一方面，您需要在人体上放置许多标记，并安装昂贵的红外摄像机来消除除球体以外的所有可见物体，因此动作捕捉系统可能花费数十万美元。我们提出的ArUcoGlide是一种经济实惠且强大的解决方案，可以使用低成本的单个摄像头跟踪人体运动，甚至可以通过触觉提示与用户进行交互。”

ArUcoGlide机器人非常轻，重量不超过一个简单的手表。这意味着用户可以轻松佩戴它，而不会引起他们的不适，机器人系统拥有一个由摄像头定位的独特标记，提供有价值的反馈，可以防止人机交互期间的碰撞。

“该系统由三部分组成：可穿戴机器人标记，跟踪系统和防撞控制器，”Alabbas说。“我们称之为ArUcoGlide的可穿戴机器人拥有一个独特的视觉标记，并可以调整该标记的方向，以确保其对摄像机的可见性，解决环境中物体的遮挡问题。机器人还可以在发生危险情况时以振动的形式提供触觉反馈。我们建议保持摄像机和标记物之间的固定方向，以减少用户移动时标记物不可见的时刻。”

该团队动作捕捉解决方案的第二个组成部分是跟踪系统，由摄像头和基础计算机组成。该摄像机捕捉了人类与机器人协作的环境的实时流。然后，基础计算机处理此流，以提取环境中标记的坐标。

“第三个组件，防撞控制器，最初是我们之前开发的CobotGear系统的一部分，”Alabbas说。“该控制器控制机器人的运动，以避免与工作空间中的用户手发生潜在碰撞。”

从本质上讲，团队的系统工作原理如下。摄像机记录了人类和机器人协作的环境。AucoGlide机器人调整用于跟踪运动的标记的方向，确保其始终保持在摄像机的视野范围内。最后，碰撞控制器移动机器人以防止其与用户接触。

“简而言之，标记物在空间中与2-DoF机器人一起滑动，以持续捕捉身体运动，”Tsetserukou解释说。“如果标记物静态不动，即不调整在空间中的位置，跟踪系统在与摄像机非常陡峭或浅角度时将无法追踪。这在人员安全是最重要的情况下是不适用的。”

研究人员在一系列实验中评估了ArUcoGlide的性能，测试了其跟踪系统的准确性他们发现，该系统显著提高了机器人与人类之间的安全性，将用户手和机器人之间的距离平均增加到5厘米。

该系统可以证明在各种现实环境中增强人机协作是有效的。例如，它可以协助正在移取血液样本的医务人员。

“当人类手臂靠近机器人时，我们的系统可以检测到它并激活防撞算法，这样机器人就不会伤害用户，”Tsetserukou说，“实验证明，人体手臂在大范围内运动时，跟踪可达到亚厘米精度。重要的是，具有动态ArUco标记和触觉反馈的系统将共享医疗测试过程加快了16%。”

值得注意的是，该团队的动作捕捉系统也可以适应特定应用的需求。例如，如果用户希望更改其监控的环境，则只需将其运动跟踪摄像机移动到所需位置并重新启动系统即可。

“该系统旨在用于共享工作环境，类似于仓库或实验室中的典型活动，”Alabbas说。“例如，它可以安装在实验室中，机器人手臂可以与化学家一起准备一些解决方案，加快过程并保护用户免受有毒物质的侵害，”

“化学家的注意力肯定集中在材料上，所以我们的系统通过监控工作环境，可以随时定位化学家的手，并尽量避免机器人与它发生碰撞。ArUcoGlide非常适合，因为它具有成本效益和易于安装；用户只需要将相机固定在合适的位置即可检测工作环境，佩戴ArUcoGlide，然后开始工作。”

ArUcoGlide很快就会在更广泛的场景中实施和测试，以验证其改善人机交互的潜力。在他们的下一个工作中，Alabbas、Tserukou和他们的同事希望进一步开发该系统，实现对用户整个身体的跟踪。