专利名称：机械皮影结构及其运动角度和移动定位的控制方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人控制方法，具体涉及一种机械皮影结构及其运动角度和移动定位的控制方法。
背景技术：
皮影戏是一种用灯光照射兽皮或纸板做成的人物剪影以表演故事的民间戏剧，用于表演的皮影人的四肢和头部是分别雕成的，用绳线联缀而成，在透光的幕布上由竹棍操纵进行表演。但这种极富中国乡土特色的传统民间艺术正面临着失传的窘境，技艺纯熟的表演者越来越少，只能通过摄录影像资料进行流传。皮影戏这种形式的傀儡艺术是可以通过机械装置进行操控的，代替真人演绎，也能进行现场表演，但简单的机械操控只能呆板地拉拽线、绳，表现动作单一，缺乏感染力，失去了皮影戏本该有的灵动性和精彩度。
发明内容
本发明的目的是提供一种对皮影机器人的运动进行精确计算和控制的机械皮影结构及其运动角度和移动定位的控制方法。本发明所采用的技术方案是
一种机械皮影结构，设置有人偶，其特征在于
所述的人偶固定于由机械臂和舵机组成的联动架的自由端，机械皮影结构联动架固定在履带式移动底盘上，履带式移动底盘底部设置有光电开关；
所述的履带式移动底盘设置在有机玻璃戏台的导轨上，戏台下方设置有光栅尺。所述的舵机的驱动和履带式移动底盘的驱动通过Intel Atom平台EMB-4650工控板控制；
所述的光电开关采集的感应信息通过MSP430F149超低功耗单片机计算后反馈到Intel Atom 平台 EMB-4650 工控板。一种机械皮影结构运动角度的控制方法，其特征在于
由以下步骤实现
步骤一读取虚拟皮影关键点的像素位移；
步骤二 将像素位移值带入点对点映射方程组计算出机械臂各舵机需要转动的角度； 步骤三根据舵机转动的角度，同时对舵机的运动速度进行插值量化；
步骤四Intel Atom平台通过串口控制机械臂各个舵机平滑地转过相应的角度。步骤三中，对舵机的运动速度进行插值量化处理，是用多个舵机的变速运动合成节点的匀速运动，算法中使用Accuracy变量来控制速度量化精度，常规为3mm。机械皮影结构移动定位的控制方法，其特征在于
由以下步骤实现
步骤一光电开关即HJS18-G12DPK漫反射式红外传感器对光栅尺等间距黑白条纹进行采样，当传感器检测到白条纹时，传感器信号端输出高电平，检测到黑条纹时，发射出的红外光被黑色条纹接收，传感器信号端输出低电平； 步骤二 在机械皮影结构移动的过程中，通过MSP430F149单片机的IO中断对光电开关输出的上升、下降沿进行计数，计数值乘以条纹宽度即可算出皮影机器人移动的距离；步骤三在机械皮影结构前后两端都设置接近开关，当前后接近开关检测到戏台两端及其他机械皮影结构上安装的感应铁片时，接近开关将输出一个上升沿触发MSP430F149单片机的IO中断，单片机将位置计数值清零；
步骤四MSP430F149每次更新机械皮影结构的移动距离及碰撞检测的状态时均会修改ModBus协议栈中的寄存器的值；
步骤五Intel Atom平台通过RS232串口读取ModBus协议栈上的值，即可得知皮影机器人移动的距离及碰撞检测的情况。本发明具有以下优点
本发明所描述的方法是皮影运动控制结构的方法，皮影控制结构通过点对点空间映射算法来保证控制结构按照预想的运动轨迹和运动速度进行运动，此外皮影控制结构的横向移动使用皮影移动定位底盘控制方法进行控制。本发明能够保证皮影表演结构以非常真实的效果运动，使机器人表演皮影戏更加活灵活现，生动活泼，进而能够更好地宣传和弘扬皮影戏这一传统艺术，真正做到对皮影艺术传承的作用。
图I为本发明系统组成图。图2为机械臂和数字舵机的配合图。图3为机械皮影结构运动角度控制方法的流程图。图4为机械臂三维模型示意图。图5为机械臂几何模型示意图。图6为机械皮影结构移动位移控制方法的流程图。图中，I-人偶，2-接近开关，3-感应铁片，4-戏台，5-光电开关，6_光栅尺，7_机械臂，8-舵机，9-导轨，10-履带式移动底盘。
具体实施例方式下面结合具体实施方式
对本发明进行详细的说明。本发明所述的一种机械皮影结构，将牵引皮影人偶I运动的竹竿用由机械控制的联动架来代替。联动架有三个机械臂组，每一组由机械臂7和舵机8组成，左右臂组有三个自由度，中臂有四个自由度，人偶I固定于三个机械臂组的自由端。联动架固定在履带式移动底盘10上，履带式移动底盘10底部设置有光电开关5 ;履带式移动底盘10设置在有机玻璃戏台4的导轨9上，戏台4下方设置有光栅尺6，光栅尺6上具有等间距黑白条纹，当传感器检测到白条纹时，传感器信号端输出高电平，检测到黑条纹时，发射出的红外光被黑色条纹接收，传感器信号端输出低电平。舵机8的驱动和履带式移动底盘10的驱动通过IntelAtom平台EMB-4650工控板控制；光电开关5采集的感应信息通过MSP430F149超低功耗单片机计算后反馈到Intel Atom平台EMB-4650工控板。履带式移动底盘10移动方向的两端设置有接近开关2 ;履带式移动底盘10移动方向的两端和戏台4的边界上设置有感应铁片3 ;接近开关2采集的感应信息通过MSP430F149超低功耗单片机计算后反馈到Intel Atom平台EMB-4650工控板。该设置时为了避免皮影机器人在移动的过程中移动到戏台的两端，或者有多个皮影人物同台演出的时候发生相撞。当前后金属接近开关2检测到戏台两端及其他皮影机器人上安装的感应铁片3时，金属接近开关2将输出一个上升沿触发MSP430F149单片机的IO中断，单片机将位置计数值清零，同时反馈到Intel Atom平台EMB-4650工控板,发送停止命令给皮影机器人，使其停止移动。
机械皮影结构运动角度的控制方法，由以下步骤实现
步骤一读取虚拟皮影关键点的像素位移；
步骤二 将像素位移值带入点对点映射方程组计算出机械臂各舵机需要转动的角度；步骤三根据舵机转动的角度，同时对舵机的运动速度进行插值量化，对舵机的运动速度进行插值量化处理，是用多个舵机的变速运动合成节点的匀速运动，算法中使用Accuracy变量来控制速度量化精度，常规为3mm ；
步骤四Intel Atom平台通过串口控制机械臂(7)各个舵机(8)平滑地转过相应的角度。具体过程为
(I)如图4所示，将Z轴方向运动，简为S的长度变化。基于这种等价关系，S变长会使计算的幕布超前于实际幕布位置，即对应的Z坐标减小。此时问题简化成平面坐标(X，y)映射到舵机角度α、β、Θ的问题。(2)由面面垂直的性质可得，坐标(X，y)投影到垂直幕布的平面上的坐标为(0，I)。以操作棍L4投影到垂直幕布平面的线段为14为例，其长度
14 =、/l4·2
3号舵机角度Θ
X
Θ -~axcsm(——)
L4
(3)将模型简化为二维几何问题，如图5所示，即舞台在垂直幕布的平面上的二维投影。其中OA表示水平面，OC表示幕布所在平面可知边长关系
计算I号和2号舵机角度
Y
OU = ZCAD= arclanC—)
= ZCAB= IMVJCXtsi-)
2x^LSxJiC
￡K —= ￡K| + OLy — AfE
+BC ~AC )-&β.2xABxJSC
其中Λ α、Λ β分别为a、β固定偏移量，用来对舵机角度a、β进行修正，SP
权利要求
1.一种机械皮影结构，设置有人偶(1)，其特征在于 所述的人偶(I)固定于由机械臂(7)和舵机(8)组成的联动架的自由端，机械皮影结构联动架固定在履带式移动底盘(10)上，履带式移动底盘(10)底部设置有光电开关(5)； 所述的履带式移动底盘(10)设置在有机玻璃戏台(4)的导轨(9)上，戏台(4)下方设置有光栅尺(6)； 所述的舵机(8)的驱动和履带式移动底盘(10)的驱动通过Intel Atom平台EMB-4650工控板控制； 所述的光电开关(5)采集的感应信息通过MSP430F149超低功耗单片机计算后反馈到Intel Atom 平台 EMB-4650 工控板。
2.一种机械皮影结构运动角度的控制方法，其特征在于 由以下步骤实现 步骤一读取虚拟皮影关键点的像素位移； 步骤二 将像素位移值带入点对点映射方程组计算出机械臂(7)各舵机(8)需要转动的角度； 步骤三根据舵机转动的角度，同时对舵机(8)的运动速度进行插值量化； 步骤四Intel Atom平台通过串口控制机械臂(7)各个舵机(8)平滑地转过相应的角度。
3.根据权利要求2所述的机械皮影结构运动角度的控制方法，其特征在于 步骤三中，对舵机(8)的运动速度进行插值量化处理，是用多个舵机的变速运动合成节点的匀速运动，算法中使用Accuracy变量来控制速度量化精度，常规为3mm。
4.机械皮影结构移动定位的控制方法，其特征在于 由以下步骤实现 步骤一光电开关即HJS18-G12DPK漫反射式红外传感器对光栅尺(6)等间距黑白条纹进行采样，当传感器检测到白条纹时，传感器信号端输出高电平，检测到黑条纹时，发射出的红外光被黑色条纹接收，传感器信号端输出低电平； 步骤二 在机械皮影结构移动的过程中，通过MSP430F149单片机的IO中断对光电开关输出的上升、下降沿进行计数，计数值乘以条纹宽度即可算出皮影机器人移动的距离；步骤三在机械皮影结构前后两端都设置接近开关(2)，当前后接近开关(2)检测到戏台两端及其他机械皮影结构上安装的感应铁片(3)时，接近开关(2)将输出一个上升沿触发MSP430F149单片机的IO中断，单片机将位置计数值清零； 步骤四MSP430F149每次更新机械皮影结构的移动距离及碰撞检测的状态时均会修改ModBus协议栈中的寄存器的值； 步骤五Intel Atom平台通过RS232串口读取ModBus协议栈上的值，即可得知皮影机器人移动的距离及碰撞检测的情况。
全文摘要
本发明涉及一种机械皮影结构及其运动角度和移动定位的控制方法。皮影戏可通过机械装置进行操控，但表现动作单一，缺乏感染力。本发明的运动角度控制方法读取虚拟皮影关键点的像素位移，计算出机械臂舵机转动角度，同时对舵机的运动速度进行插值量化，IntelAtom平台通过串口控制机械臂各个舵机平滑地转过相应的角度；移动定位控制方法对光栅尺条纹进行采样，通过MSP430F149单片机的IO中断对输出的上升、下降沿进行计数，算出移动距离，IntelAtom平台读取ModBus协议栈上的值，得知移动的距离及碰撞检测的情况。本发明对皮影人偶的运动进行准确计算后可准确角度和定位，控制灵活，响应灵敏，反馈及时。
文档编号A63J19/00GK102626554SQ20121008371
公开日2012年8月8日 申请日期2012年3月27日 优先权日2012年3月27日
发明者付少锋, 刘鑫, 张静媛, 朱萌, 王浩然, 王美月 申请人:付少锋, 刘鑫, 朱萌, 王浩然