專利名稱：機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)角度和移動(dòng)定位的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人控制方法，具體涉及一種機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)角度和移動(dòng)定位的控制方法。
背景技術(shù)：
皮影戲是一種用燈光照射獸皮或紙板做成的人物剪影以表演故事的民間戲劇，用于表演的皮影人的四肢和頭部是分別雕成的，用繩線聯(lián)綴而成，在透光的幕布上由竹棍操縱進(jìn)行表演。但這種極富中國(guó)鄉(xiāng)土特色的傳統(tǒng)民間藝術(shù)正面臨著失傳的窘境，技藝純熟的表演者越來越少，只能通過攝錄影像資料進(jìn)行流傳。皮影戲這種形式的傀儡藝術(shù)是可以通過機(jī)械裝置進(jìn)行操控的，代替真人演繹，也能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)表演，但簡(jiǎn)單的機(jī)械操控只能呆板地拉拽線、繩，表現(xiàn)動(dòng)作單一，缺乏感染力，失去了皮影戲本該有的靈動(dòng)性和精彩度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)皮影機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確計(jì)算和控制的機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)角度和移動(dòng)定位的控制方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)，設(shè)置有人偶，其特征在于
所述的人偶固定于由機(jī)械臂和舵機(jī)組成的聯(lián)動(dòng)架的自由端，機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)架固定在履帶式移動(dòng)底盤上，履帶式移動(dòng)底盤底部設(shè)置有光電開關(guān)；
所述的履帶式移動(dòng)底盤設(shè)置在有機(jī)玻璃戲臺(tái)的導(dǎo)軌上，戲臺(tái)下方設(shè)置有光柵尺。所述的舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)和履帶式移動(dòng)底盤的驅(qū)動(dòng)通過Intel Atom平臺(tái)EMB-4650工控板控制；
所述的光電開關(guān)采集的感應(yīng)信息通過MSP430F149超低功耗單片機(jī)計(jì)算后反饋到Intel Atom 平臺(tái) EMB-4650 工控板。一種機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度的控制方法，其特征在于
由以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一讀取虛擬皮影關(guān)鍵點(diǎn)的像素位移；
步驟二 將像素位移值帶入點(diǎn)對(duì)點(diǎn)映射方程組計(jì)算出機(jī)械臂各舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度； 步驟三根據(jù)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，同時(shí)對(duì)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行插值量化；
步驟四Intel Atom平臺(tái)通過串口控制機(jī)械臂各個(gè)舵機(jī)平滑地轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。步驟三中，對(duì)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行插值量化處理，是用多個(gè)舵機(jī)的變速運(yùn)動(dòng)合成節(jié)點(diǎn)的勻速運(yùn)動(dòng)，算法中使用Accuracy變量來控制速度量化精度，常規(guī)為3mm。機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)移動(dòng)定位的控制方法，其特征在于
由以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一光電開關(guān)即HJS18-G12DPK漫反射式紅外傳感器對(duì)光柵尺等間距黑白條紋進(jìn)行采樣，當(dāng)傳感器檢測(cè)到白條紋時(shí)，傳感器信號(hào)端輸出高電平，檢測(cè)到黑條紋時(shí)，發(fā)射出的紅外光被黑色條紋接收，傳感器信號(hào)端輸出低電平； 步驟二 在機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)移動(dòng)的過程中，通過MSP430F149單片機(jī)的IO中斷對(duì)光電開關(guān)輸出的上升、下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值乘以條紋寬度即可算出皮影機(jī)器人移動(dòng)的距離；步驟三在機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)前后兩端都設(shè)置接近開關(guān)，當(dāng)前后接近開關(guān)檢測(cè)到戲臺(tái)兩端及其他機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)上安裝的感應(yīng)鐵片時(shí)，接近開關(guān)將輸出一個(gè)上升沿觸發(fā)MSP430F149單片機(jī)的IO中斷，單片機(jī)將位置計(jì)數(shù)值清零；
步驟四MSP430F149每次更新機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)的移動(dòng)距離及碰撞檢測(cè)的狀態(tài)時(shí)均會(huì)修改ModBus協(xié)議棧中的寄存器的值；
步驟五Intel Atom平臺(tái)通過RS232串口讀取ModBus協(xié)議棧上的值，即可得知皮影機(jī)器人移動(dòng)的距離及碰撞檢測(cè)的情況。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
本發(fā)明所描述的方法是皮影運(yùn)動(dòng)控制結(jié)構(gòu)的方法，皮影控制結(jié)構(gòu)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)空間映射算法來保證控制結(jié)構(gòu)按照預(yù)想的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，此外皮影控制結(jié)構(gòu)的橫向移動(dòng)使用皮影移動(dòng)定位底盤控制方法進(jìn)行控制。本發(fā)明能夠保證皮影表演結(jié)構(gòu)以非常真實(shí)的效果運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人表演皮影戲更加活靈活現(xiàn)，生動(dòng)活潑，進(jìn)而能夠更好地宣傳和弘揚(yáng)皮影戲這一傳統(tǒng)藝術(shù)，真正做到對(duì)皮影藝術(shù)傳承的作用。
圖I為本發(fā)明系統(tǒng)組成圖。圖2為機(jī)械臂和數(shù)字舵機(jī)的配合圖。圖3為機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度控制方法的流程圖。圖4為機(jī)械臂三維模型示意圖。圖5為機(jī)械臂幾何模型示意圖。圖6為機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)移動(dòng)位移控制方法的流程圖。圖中，I-人偶，2-接近開關(guān)，3-感應(yīng)鐵片，4-戲臺(tái)，5-光電開關(guān)，6_光柵尺，7_機(jī)械臂，8-舵機(jī)，9-導(dǎo)軌，10-履帶式移動(dòng)底盤。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。本發(fā)明所述的一種機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)，將牽引皮影人偶I運(yùn)動(dòng)的竹竿用由機(jī)械控制的聯(lián)動(dòng)架來代替。聯(lián)動(dòng)架有三個(gè)機(jī)械臂組，每一組由機(jī)械臂7和舵機(jī)8組成，左右臂組有三個(gè)自由度，中臂有四個(gè)自由度，人偶I固定于三個(gè)機(jī)械臂組的自由端。聯(lián)動(dòng)架固定在履帶式移動(dòng)底盤10上，履帶式移動(dòng)底盤10底部設(shè)置有光電開關(guān)5 ;履帶式移動(dòng)底盤10設(shè)置在有機(jī)玻璃戲臺(tái)4的導(dǎo)軌9上，戲臺(tái)4下方設(shè)置有光柵尺6，光柵尺6上具有等間距黑白條紋，當(dāng)傳感器檢測(cè)到白條紋時(shí)，傳感器信號(hào)端輸出高電平，檢測(cè)到黑條紋時(shí)，發(fā)射出的紅外光被黑色條紋接收，傳感器信號(hào)端輸出低電平。舵機(jī)8的驅(qū)動(dòng)和履帶式移動(dòng)底盤10的驅(qū)動(dòng)通過IntelAtom平臺(tái)EMB-4650工控板控制；光電開關(guān)5采集的感應(yīng)信息通過MSP430F149超低功耗單片機(jī)計(jì)算后反饋到Intel Atom平臺(tái)EMB-4650工控板。履帶式移動(dòng)底盤10移動(dòng)方向的兩端設(shè)置有接近開關(guān)2 ;履帶式移動(dòng)底盤10移動(dòng)方向的兩端和戲臺(tái)4的邊界上設(shè)置有感應(yīng)鐵片3 ;接近開關(guān)2采集的感應(yīng)信息通過MSP430F149超低功耗單片機(jī)計(jì)算后反饋到Intel Atom平臺(tái)EMB-4650工控板。該設(shè)置時(shí)為了避免皮影機(jī)器人在移動(dòng)的過程中移動(dòng)到戲臺(tái)的兩端，或者有多個(gè)皮影人物同臺(tái)演出的時(shí)候發(fā)生相撞。當(dāng)前后金屬接近開關(guān)2檢測(cè)到戲臺(tái)兩端及其他皮影機(jī)器人上安裝的感應(yīng)鐵片3時(shí)，金屬接近開關(guān)2將輸出一個(gè)上升沿觸發(fā)MSP430F149單片機(jī)的IO中斷，單片機(jī)將位置計(jì)數(shù)值清零，同時(shí)反饋到Intel Atom平臺(tái)EMB-4650工控板,發(fā)送停止命令給皮影機(jī)器人，使其停止移動(dòng)。
機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度的控制方法，由以下步驟實(shí)現(xiàn)
步驟一讀取虛擬皮影關(guān)鍵點(diǎn)的像素位移；
步驟二 將像素位移值帶入點(diǎn)對(duì)點(diǎn)映射方程組計(jì)算出機(jī)械臂各舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度；步驟三根據(jù)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，同時(shí)對(duì)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行插值量化，對(duì)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行插值量化處理，是用多個(gè)舵機(jī)的變速運(yùn)動(dòng)合成節(jié)點(diǎn)的勻速運(yùn)動(dòng)，算法中使用Accuracy變量來控制速度量化精度，常規(guī)為3mm ；
步驟四Intel Atom平臺(tái)通過串口控制機(jī)械臂(7)各個(gè)舵機(jī)(8)平滑地轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。具體過程為
(I)如圖4所示，將Z軸方向運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)為S的長(zhǎng)度變化?；谶@種等價(jià)關(guān)系，S變長(zhǎng)會(huì)使計(jì)算的幕布超前于實(shí)際幕布位置，即對(duì)應(yīng)的Z坐標(biāo)減小。此時(shí)問題簡(jiǎn)化成平面坐標(biāo)(X，y)映射到舵機(jī)角度α、β、Θ的問題。(2)由面面垂直的性質(zhì)可得，坐標(biāo)(X，y)投影到垂直幕布的平面上的坐標(biāo)為(0，I)。以操作棍L4投影到垂直幕布平面的線段為14為例，其長(zhǎng)度
14 =、/l4·2
3號(hào)舵機(jī)角度Θ
X
Θ -~axcsm(——)
L4
(3)將模型簡(jiǎn)化為二維幾何問題，如圖5所示，即舞臺(tái)在垂直幕布的平面上的二維投影。其中OA表示水平面，OC表示幕布所在平面可知邊長(zhǎng)關(guān)系
計(jì)算I號(hào)和2號(hào)舵機(jī)角度
Y
OU = ZCAD= arclanC—)
= ZCAB= IMVJCXtsi-)
2x^LSxJiC
￡K —= ￡K| + OLy — AfE
+BC ~AC )-&β.2xABxJSC
其中Λ α、Λ β分別為a、β固定偏移量，用來對(duì)舵機(jī)角度a、β進(jìn)行修正，SP
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)，設(shè)置有人偶(1)，其特征在于 所述的人偶(I)固定于由機(jī)械臂(7)和舵機(jī)(8)組成的聯(lián)動(dòng)架的自由端，機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)聯(lián)動(dòng)架固定在履帶式移動(dòng)底盤(10)上，履帶式移動(dòng)底盤(10)底部設(shè)置有光電開關(guān)(5)； 所述的履帶式移動(dòng)底盤(10)設(shè)置在有機(jī)玻璃戲臺(tái)(4)的導(dǎo)軌(9)上，戲臺(tái)(4)下方設(shè)置有光柵尺(6)； 所述的舵機(jī)(8)的驅(qū)動(dòng)和履帶式移動(dòng)底盤(10)的驅(qū)動(dòng)通過Intel Atom平臺(tái)EMB-4650工控板控制； 所述的光電開關(guān)(5)采集的感應(yīng)信息通過MSP430F149超低功耗單片機(jī)計(jì)算后反饋到Intel Atom 平臺(tái) EMB-4650 工控板。
2.一種機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度的控制方法，其特征在于 由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一讀取虛擬皮影關(guān)鍵點(diǎn)的像素位移； 步驟二 將像素位移值帶入點(diǎn)對(duì)點(diǎn)映射方程組計(jì)算出機(jī)械臂(7)各舵機(jī)(8)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度； 步驟三根據(jù)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，同時(shí)對(duì)舵機(jī)(8)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行插值量化； 步驟四Intel Atom平臺(tái)通過串口控制機(jī)械臂(7)各個(gè)舵機(jī)(8)平滑地轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)角度的控制方法，其特征在于 步驟三中，對(duì)舵機(jī)(8)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行插值量化處理，是用多個(gè)舵機(jī)的變速運(yùn)動(dòng)合成節(jié)點(diǎn)的勻速運(yùn)動(dòng)，算法中使用Accuracy變量來控制速度量化精度，常規(guī)為3mm。
4.機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)移動(dòng)定位的控制方法，其特征在于 由以下步驟實(shí)現(xiàn) 步驟一光電開關(guān)即HJS18-G12DPK漫反射式紅外傳感器對(duì)光柵尺(6)等間距黑白條紋進(jìn)行采樣，當(dāng)傳感器檢測(cè)到白條紋時(shí)，傳感器信號(hào)端輸出高電平，檢測(cè)到黑條紋時(shí)，發(fā)射出的紅外光被黑色條紋接收，傳感器信號(hào)端輸出低電平； 步驟二 在機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)移動(dòng)的過程中，通過MSP430F149單片機(jī)的IO中斷對(duì)光電開關(guān)輸出的上升、下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值乘以條紋寬度即可算出皮影機(jī)器人移動(dòng)的距離；步驟三在機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)前后兩端都設(shè)置接近開關(guān)(2)，當(dāng)前后接近開關(guān)(2)檢測(cè)到戲臺(tái)兩端及其他機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)上安裝的感應(yīng)鐵片(3)時(shí)，接近開關(guān)(2)將輸出一個(gè)上升沿觸發(fā)MSP430F149單片機(jī)的IO中斷，單片機(jī)將位置計(jì)數(shù)值清零； 步驟四MSP430F149每次更新機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)的移動(dòng)距離及碰撞檢測(cè)的狀態(tài)時(shí)均會(huì)修改ModBus協(xié)議棧中的寄存器的值； 步驟五Intel Atom平臺(tái)通過RS232串口讀取ModBus協(xié)議棧上的值，即可得知皮影機(jī)器人移動(dòng)的距離及碰撞檢測(cè)的情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機(jī)械皮影結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)角度和移動(dòng)定位的控制方法。皮影戲可通過機(jī)械裝置進(jìn)行操控，但表現(xiàn)動(dòng)作單一，缺乏感染力。本發(fā)明的運(yùn)動(dòng)角度控制方法讀取虛擬皮影關(guān)鍵點(diǎn)的像素位移，計(jì)算出機(jī)械臂舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，同時(shí)對(duì)舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行插值量化，IntelAtom平臺(tái)通過串口控制機(jī)械臂各個(gè)舵機(jī)平滑地轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度；移動(dòng)定位控制方法對(duì)光柵尺條紋進(jìn)行采樣，通過MSP430F149單片機(jī)的IO中斷對(duì)輸出的上升、下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，算出移動(dòng)距離，IntelAtom平臺(tái)讀取ModBus協(xié)議棧上的值，得知移動(dòng)的距離及碰撞檢測(cè)的情況。本發(fā)明對(duì)皮影人偶的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算后可準(zhǔn)確角度和定位，控制靈活，響應(yīng)靈敏，反饋及時(shí)。
文檔編號(hào)A63J19/00GK102626554SQ20121008371
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月27日
發(fā)明者付少鋒, 劉鑫, 張靜媛, 朱萌, 王浩然, 王美月 申請(qǐng)人:付少鋒, 劉鑫, 朱萌, 王浩然