專利名稱：機械皮影結(jié)構(gòu)及其運動角度和移動定位的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機器人控制方法，具體涉及一種機械皮影結(jié)構(gòu)及其運動角度和移動定位的控制方法。
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行表演。但這種極富中國鄉(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行流傳。皮影戲這種形式的傀儡藝術(shù)是可以通過機械裝置進行操控的，代替真人演繹，也能進行現(xiàn)場表演，但簡單的機械操控只能呆板地拉拽線、繩，表現(xiàn)動作單一，缺乏感染力，失去了皮影戲本該有的靈動性和精彩度。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對皮影機器人的運動進行精確計算和控制的機械皮影結(jié)構(gòu)及其運動角度和移動定位的控制方法。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是
一種機械皮影結(jié)構(gòu)，設(shè)置有人偶，其特征在于
所述的人偶固定于由機械臂和舵機組成的聯(lián)動架的自由端，機械皮影結(jié)構(gòu)聯(lián)動架固定在履帶式移動底盤上，履帶式移動底盤底部設(shè)置有光電開關(guān)；
所述的履帶式移動底盤設(shè)置在有機玻璃戲臺的導(dǎo)軌上，戲臺下方設(shè)置有光柵尺。所述的舵機的驅(qū)動和履帶式移動底盤的驅(qū)動通過Intel Atom平臺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超低功耗單片機計算后反饋到Intel Atom 平臺 EMB-4650 工控板。一種機械皮影結(jié)構(gòu)運動角度的控制方法，其特征在于
由以下步驟實現(xiàn)
步驟一讀取虛擬皮影關(guān)鍵點的像素位移；
步驟二 將像素位移值帶入點對點映射方程組計算出機械臂各舵機需要轉(zhuǎn)動的角度； 步驟三根據(jù)舵機轉(zhuǎn)動的角度，同時對舵機的運動速度進行插值量化；
步驟四Intel Atom平臺通過串口控制機械臂各個舵機平滑地轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。步驟三中，對舵機的運動速度進行插值量化處理，是用多個舵機的變速運動合成節(jié)點的勻速運動，算法中使用Accuracy變量來控制速度量化精度，常規(guī)為3mm。機械皮影結(jié)構(gòu)移動定位的控制方法，其特征在于
由以下步驟實現(xiàn)
步驟一光電開關(guān)即HJS18-G12DPK漫反射式紅外傳感器對光柵尺等間距黑白條紋進行采樣，當(dāng)傳感器檢測到白條紋時，傳感器信號端輸出高電平，檢測到黑條紋時，發(fā)射出的紅外光被黑色條紋接收，傳感器信號端輸出低電平； 步驟二 在機械皮影結(jié)構(gòu)移動的過程中，通過MSP430F149單片機的IO中斷對光電開關(guān)輸出的上升、下降沿進行計數(shù)，計數(shù)值乘以條紋寬度即可算出皮影機器人移動的距離；步驟三在機械皮影結(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)檢測到戲臺兩端及其他機械皮影結(jié)構(gòu)上安裝的感應(yīng)鐵片時，接近開關(guān)將輸出一個上升沿觸發(fā)MSP430F149單片機的IO中斷，單片機將位置計數(shù)值清零；
步驟四MSP430F149每次更新機械皮影結(jié)構(gòu)的移動距離及碰撞檢測的狀態(tài)時均會修改ModBus協(xié)議棧中的寄存器的值；
步驟五Intel Atom平臺通過RS232串口讀取ModBus協(xié)議棧上的值，即可得知皮影機器人移動的距離及碰撞檢測的情況。本發(fā)明具有以下優(yōu)點
本發(fā)明所描述的方法是皮影運動控制結(jié)構(gòu)的方法，皮影控制結(jié)構(gòu)通過點對點空間映射算法來保證控制結(jié)構(gòu)按照預(yù)想的運動軌跡和運動速度進行運動，此外皮影控制結(jié)構(gòu)的橫向移動使用皮影移動定位底盤控制方法進行控制。本發(fā)明能夠保證皮影表演結(jié)構(gòu)以非常真實的效果運動，使機器人表演皮影戲更加活靈活現(xiàn)，生動活潑，進而能夠更好地宣傳和弘揚皮影戲這一傳統(tǒng)藝術(shù)，真正做到對皮影藝術(shù)傳承的作用。
圖I為本發(fā)明系統(tǒng)組成圖。圖2為機械臂和數(shù)字舵機的配合圖。圖3為機械皮影結(jié)構(gòu)運動角度控制方法的流程圖。圖4為機械臂三維模型示意圖。圖5為機械臂幾何模型示意圖。圖6為機械皮影結(jié)構(gòu)移動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，5-光電開關(guān)，6_光柵尺，7_機械臂，8-舵機，9-導(dǎo)軌，10-履帶式移動底盤。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施方式
對本發(fā)明進行詳細的說明。本發(fā)明所述的一種機械皮影結(jié)構(gòu)，將牽引皮影人偶I運動的竹竿用由機械控制的聯(lián)動架來代替。聯(lián)動架有三個機械臂組，每一組由機械臂7和舵機8組成，左右臂組有三個自由度，中臂有四個自由度，人偶I固定于三個機械臂組的自由端。聯(lián)動架固定在履帶式移動底盤10上，履帶式移動底盤10底部設(shè)置有光電開關(guān)5 ;履帶式移動底盤10設(shè)置在有機玻璃戲臺4的導(dǎo)軌9上，戲臺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)傳感器檢測到白條紋時，傳感器信號端輸出高電平，檢測到黑條紋時，發(fā)射出的紅外光被黑色條紋接收，傳感器信號端輸出低電平。舵機8的驅(qū)動和履帶式移動底盤10的驅(qū)動通過IntelAtom平臺EMB-4650工控板控制；光電開關(guān)5采集的感應(yīng)信息通過MSP430F149超低功耗單片機計算后反饋到Intel Atom平臺EMB-4650工控板。履帶式移動底盤10移動方向的兩端設(shè)置有接近開關(guān)2 ;履帶式移動底盤10移動方向的兩端和戲臺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超低功耗單片機計算后反饋到Intel Atom平臺EMB-4650工控板。該設(shè)置時為了避免皮影機器人在移動的過程中移動到戲臺的兩端，或者有多個皮影人物同臺演出的時候發(fā)生相撞。當(dāng)前后金屬接近開關(guān)2檢測到戲臺兩端及其他皮影機器人上安裝的感應(yīng)鐵片3時，金屬接近開關(guān)2將輸出一個上升沿觸發(fā)MSP430F149單片機的IO中斷，單片機將位置計數(shù)值清零，同時反饋到Intel Atom平臺EMB-4650工控板,發(fā)送停止命令給皮影機器人，使其停止移動。
機械皮影結(jié)構(gòu)運動角度的控制方法，由以下步驟實現(xiàn)
步驟一讀取虛擬皮影關(guān)鍵點的像素位移；
步驟二 將像素位移值帶入點對點映射方程組計算出機械臂各舵機需要轉(zhuǎn)動的角度；步驟三根據(jù)舵機轉(zhuǎn)動的角度，同時對舵機的運動速度進行插值量化，對舵機的運動速度進行插值量化處理，是用多個舵機的變速運動合成節(jié)點的勻速運動，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平臺通過串口控制機械臂(7)各個舵機(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軸方向運動，簡為S的長度變化?；谶@種等價關(guān)系，S變長會使計算的幕布超前于實際幕布位置，即對應(yīng)的Z坐標減小。此時問題簡化成平面坐標(X，y)映射到舵機角度α、β、Θ的問題。(2)由面面垂直的性質(zhì)可得，坐標(X，y)投影到垂直幕布的平面上的坐標為(0，I)。以操作棍L4投影到垂直幕布平面的線段為14為例，其長度
14 =、/l4·2
3號舵機角度Θ
X
Θ -~axcsm(——)
L4
(3)將模型簡化為二維幾何問題，如圖5所示，即舞臺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關(guān)系
計算I號和2號舵機角度
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，用來對舵機角度a、β進行修正，SP
權(quán)利要求
1.一種機械皮影結(jié)構(gòu)，設(shè)置有人偶(1)，其特征在于 所述的人偶(I)固定于由機械臂(7)和舵機(8)組成的聯(lián)動架的自由端，機械皮影結(jié)構(gòu)聯(lián)動架固定在履帶式移動底盤(10)上，履帶式移動底盤(10)底部設(shè)置有光電開關(guān)(5)； 所述的履帶式移動底盤(10)設(shè)置在有機玻璃戲臺(4)的導(dǎo)軌(9)上，戲臺(4)下方設(shè)置有光柵尺(6)； 所述的舵機(8)的驅(qū)動和履帶式移動底盤(10)的驅(qū)動通過Intel Atom平臺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超低功耗單片機計算后反饋到Intel Atom 平臺 EMB-4650 工控板。
2.一種機械皮影結(jié)構(gòu)運動角度的控制方法，其特征在于 由以下步驟實現(xiàn) 步驟一讀取虛擬皮影關(guān)鍵點的像素位移； 步驟二 將像素位移值帶入點對點映射方程組計算出機械臂(7)各舵機(8)需要轉(zhuǎn)動的角度； 步驟三根據(jù)舵機轉(zhuǎn)動的角度，同時對舵機(8)的運動速度進行插值量化； 步驟四Intel Atom平臺通過串口控制機械臂(7)各個舵機(8)平滑地轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機械皮影結(jié)構(gòu)運動角度的控制方法，其特征在于 步驟三中，對舵機(8)的運動速度進行插值量化處理，是用多個舵機的變速運動合成節(jié)點的勻速運動，算法中使用Accuracy變量來控制速度量化精度，常規(guī)為3mm。
4.機械皮影結(jié)構(gòu)移動定位的控制方法，其特征在于 由以下步驟實現(xiàn) 步驟一光電開關(guān)即HJS18-G12DPK漫反射式紅外傳感器對光柵尺(6)等間距黑白條紋進行采樣，當(dāng)傳感器檢測到白條紋時，傳感器信號端輸出高電平，檢測到黑條紋時，發(fā)射出的紅外光被黑色條紋接收，傳感器信號端輸出低電平； 步驟二 在機械皮影結(jié)構(gòu)移動的過程中，通過MSP430F149單片機的IO中斷對光電開關(guān)輸出的上升、下降沿進行計數(shù)，計數(shù)值乘以條紋寬度即可算出皮影機器人移動的距離；步驟三在機械皮影結(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)檢測到戲臺兩端及其他機械皮影結(jié)構(gòu)上安裝的感應(yīng)鐵片(3)時，接近開關(guān)(2)將輸出一個上升沿觸發(fā)MSP430F149單片機的IO中斷，單片機將位置計數(shù)值清零； 步驟四MSP430F149每次更新機械皮影結(jié)構(gòu)的移動距離及碰撞檢測的狀態(tài)時均會修改ModBus協(xié)議棧中的寄存器的值； 步驟五Intel Atom平臺通過RS232串口讀取ModBus協(xié)議棧上的值，即可得知皮影機器人移動的距離及碰撞檢測的情況。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機械皮影結(jié)構(gòu)及其運動角度和移動定位的控制方法。皮影戲可通過機械裝置進行操控，但表現(xiàn)動作單一，缺乏感染力。本發(fā)明的運動角度控制方法讀取虛擬皮影關(guān)鍵點的像素位移，計算出機械臂舵機轉(zhuǎn)動角度，同時對舵機的運動速度進行插值量化，IntelAtom平臺通過串口控制機械臂各個舵機平滑地轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度；移動定位控制方法對光柵尺條紋進行采樣，通過MSP430F149單片機的IO中斷對輸出的上升、下降沿進行計數(shù)，算出移動距離，IntelAtom平臺讀取ModBus協(xié)議棧上的值，得知移動的距離及碰撞檢測的情況。本發(fā)明對皮影人偶的運動進行準確計算后可準確角度和定位，控制靈活，響應(yīng)靈敏，反饋及時。
文檔編號A63J19/00GK102626554SQ20121008371
公開日2012年8月8日 申請日期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 申請人:付少鋒, 劉鑫, 朱萌, 王浩然