一种遥控机器人进行格斗的方法及系统与流程
本发明属于机器人控制领域，具体是一种遥控机器人进行格斗的方法及系统。
背景技术：
近几年，机器人格斗在国内引起了热潮，各类机器人格斗赛事接二连三的上演并受到追捧，甚至相关的综艺节目也开始萌现。格斗机器人文化发展已久，以美国90年代的真人秀类型机械车对战赛为代表,如博茨大战、机器人大擂台、机器人争霸等等。
机器人格斗不仅仅是一项娱乐活动，研究专门的格斗机器人或研究利用机器人进行格斗，对机器人的平衡、耐冲击性、抗疲劳等性能的发展和进步有着巨大的促进作用。因此，机器人格斗领域是机器人研究的重要领域。
对机器人格斗的动作识别及控制是机器人格斗核心的研究领域之一。目前通过识别手臂动作控制机器人的方法大致有两种：一种是通过采集安装于机器人手臂上的运动传感器的运动轨迹的方法，一种是基于光学动作捕捉的图像识别的方法。基于运动传感器的方法比于光学动作捕捉成本低廉，响应速度较快，且对捕捉环境的适应性强，但识别错误率较高，误差较大。
技术实现要素：
本发明要解决的问题是提供一种遥控机器人进行格斗的方法及系统，该方法和系统不仅成本低、响应速度快、对环境的适应性强，而且识别正确率高、误差小。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种遥控机器人进行格斗的方法，使用遥控装置控制机器人做出格斗动作，具体包括以下步骤：
1)建立机器人标准格斗动作数据库，所述标准格斗动作数据库包括每个格斗动作在特定时间内的加速度、角速度特征值，每个格斗动作的起点阈值、终点阈值、运动时间、运动距离和运动角度。
2)采集所述遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值；根据所述遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值，计算出一定时间内所述遥控装置在一个坐标系内x、y、z轴的加速度能量合值和角速度能量合值；当所述遥控装置在x、y、z轴的加速度能量合值或角速度能量合值大于格斗动作启动阈值时，判定当前时刻t0为所述格斗动作的起点时间。通过计算加速度和角速度能量合值，而不是单一坐标轴上能量值，能更准确地提取出遥控装置的基于加速度和角速度的运动能量，从而更全面的捕捉到遥控装置直线运动，弧线运动，或其它不规则运动的起点时间，该时间也是所述遥控装置所遥控的机器人格斗动作的起点。
(3)当判定所述格斗动作的起点时间后，实时计算并记录遥控装置在x、y、z轴方向的加速度变化速率、角速度变化速率、运动距离和角度。
(4)继续采集所述遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值；根据所述遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值，计算出一定时间内所述遥控装置在一个坐标系内x、y、z轴的加速度能量合值和角速度能量合值；当所述遥控装置在x、y、z轴的加速度能量合值小于或等定格斗动作终点阈值，且角速度能量合值小于或等定格斗动作终点阈值时，判定当前时刻tn为所述格斗动作的终点时间，具体来讲，如果若
5)机器人接收遥控装置的加速度变化速率、角速度变化速率、运动时间、运动距离和角度数据，判断所述遥控装置的运动时间、运动距离和运动角度是否在标准格斗动作的动作时间、动作距离和动作角度限值范围内；如果所述遥控装置的运动时间、运动距离和运动角度在标准格斗动作的动作时间、动作距离和动作角度限值范围内，机器人根据接收的遥控装置的运动数据，与所述标准格斗动作数据库进行比对，匹配到特定的格斗动作，然后完成特定的格斗动作。
进一步的，采集到所述遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值之后，通过一阶低通滤波器，在动态的运动环境中分离出重力加速度，从而计算出重力加速度在x、y、z轴方向的分量，消除重力干扰，其差分方程描述为：
其中，
进一步的，所述遥控在x、y、z轴的加速度能量合值和角速度能量合值分别为：
其中，eα、eω分别为加速度能量合值和角速度能量合值，m为消除环境噪声及用户抖动而设定的采样次数，
进一步的，所述步骤3)中加速度变化速率和角速度变化速率运算公式为：
其中，
进一步的，所述步骤3)中遥控装置的运动距离计算公式为：
其中，
所述遥控装置的运动角度计算公式为：
其中，∠φx、∠φy、∠φz分别为遥控装置在x、y、z轴方向的运动角度。
一种遥控机器人进行格斗的系统，包括遥控装置、机器人和机器人标准格斗动作数据库模块，所述遥控装置包括加速度传感器；所述遥控装置包括微处理器运算单元、加速度传感器、角速度传感器和无线收发模块；所述机器人包括机器人主控子系统、机器人运动控制子系统、机器人运动子系统和无线收发模块；所述机器人标准格斗动作数据库模块设置在遥控装置、机器人或独立的存储装置中。
进一步的，所述微处理器运算单元包括重力加速度分量计算模块，所述重力加速度分量计算模块用于计算重力加速度在x、y、z轴方向的分量。
进一步的，所述微处理器运算单元还包括加速度能量合值和角速度能量合值计算模块，所述加速度能量合值和角速度能量合值计算模块用于计算加速度能量合值和角速度能量合值。
进一步的，所述微处理器运算单元还包括加速度变化速率和角速度变化速率计算模块，所述加速度变化速率和角速度变化速率计算模块用于计算加速度变化速率和角速度变化速率。
进一步的，所述微处理器运算单元还包括运动距离和运动角度计算模块，所述运动距离和运动角度计算模块用于计算运动距离和运动角度。
本发明公开的一种遥控机器人进行格斗的方法及系统，通过实时采集安装于遥控装置内部的加速度传感器和角速度传感器信号值。当判断出运动的起点后，遥控装置内的运算单元开始计算并记录运动数据变化速率、运动时间、距离和角度等数据；当判断出运动的终点后，遥控装置将相应的运动数据变化速率、运动时间、距离和角度等相关数据通过遥控装置内的无线模块发送给机器人，机器人接收到运动数据后，通过限值判断出是否是有效动作，然后再判断动作类型，并执行相应的格斗动作。本发明的方法和系统，实现的成本低，响应速度快，对环境的适应性强，能够适用各种复杂环境；且对遥控装置动作的识别误差小，识别正确率高。
附图说明
图1为本发明一个实施例中遥控装置的组成示意图；
图2为本发明一个实施例中机器人组成示意图；
图3为本发明一个实施例中遥控装置控制流程图；
图4为本发明一个实施例中机器人判断遥控装置动作流程图；
图5为本发明一个实施例中，遥控机器人做出“向前出直拳”动作时，遥控装置在x轴方向的加速度变化率示意图；
图6为本发明一个实施例中，遥控机器人做出“左右挥动”动作时，遥控装置在z轴的角速度变化率示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种遥控机器人进行格斗的方法及系统进行详细说明。
如图3和4所示，一种遥控机器人进行格斗的方法，使用遥控装置控制机器人做出格斗动作，具体包括以下步骤：
1)建立机器人标准格斗动作数据库，标准格斗动作数据库包括每个格斗动作在特定时间内的加速度、角速度特征值，每个格斗动作的起点阈值、终点阈值、运动时间、运动距离和运动角度。连接遥控装置和机器人，一般采用无线连接，遥控装置一般为遥控手柄。
2)采集遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值；根据遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值，计算出一定时间内遥控装置在一个坐标系内x、y、z轴的加速度能量合值和角速度能量合值；当遥控装置在x、y、z轴的加速度能量合值或角速度能量合值大于格斗动作启动阈值时，判定当前时刻t0为格斗动作的起点时间。通过计算加速度和角速度能量合值，而不是单一坐标轴上能量值，能更准确地提取出遥控装置的基于加速度和角速度的运动能量，从而更全面的捕捉到遥控装置直线运动，弧线运动，或其它不规则运动的起点时间，该时间也是遥控装置所遥控的机器人格斗动作的起点。
(3)当判定特定格斗动作的起点时间后，实时计算并记录遥控装置在x、y、z轴方向的加速度变化速率、角速度变化速率、运动距离和角度。
(4)继续采集遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值；根据遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值，计算出一定时间内遥控装置在一个坐标系内x、y、z轴的加速度能量合值和角速度能量合值；当遥控装置在x、y、z轴的加速度能量合值小于或等于格斗动作终点阈值，且角速度能量合值小于或等于格斗动作终点阈值时，判定当前时刻tn为格斗动作的终点时间，具体来讲，如果若
5)机器人接收遥控装置的加速度变化速率、角速度变化速率、运动时间、运动距离和角度数据，判断遥控装置的运动时间、运动距离和运动角度是否在标准格斗动作的动作时间、动作距离和动作角度限值范围内；如果遥控装置的运动时间、运动距离和运动角度在标准格斗动作的动作时间、动作距离和动作角度限值范围内，机器人根据接收的遥控装置的运动数据，与所述标准格斗动作数据库进行比对，匹配到特定的格斗动作，然后完成特定的格斗动作。遥控装置的运动时间、运动距离和运动角度在概括的标准格斗动作的动作时间、动作距离和动作角度限值范围内，只是判断是否有效动作的依据之一，机器人还需将加速度和角速度变化速率轨迹，与标准格斗动作库中的某个格斗动作的运动轨迹的多个特征值相比对，当遥控器加速度和角速度变化速率轨迹中的多个点符合标准特征库中的多个特征值时，即可充分判断出遥控装置的动作类型。所谓匹配，是指某个轨迹点的值根据比对要求大于，小于或等于某个特征值。通过与多个特征值的比对，判断出遥控器的运动轨迹是否与标准动作库中某个动作的运动轨迹一致或相似。然后确定并执行该格斗动作。
采集到遥控装置的加速度传感器信号值和陀螺仪传感器角速度信号值之后，通过一阶低通滤波器，在动态的运动环境中分离出重力加速度，从而计算出重力加速度在x、y、z轴方向的分量，消除重力干扰，其差分方程描述为：
其中，
遥控在x、y、z轴的加速度能量合值和角速度能量合值分别为：
其中，eα、eω分别为加速度能量合值和角速度能量合值，m为消除环境噪声及用户抖动而设定的采样次数，
步骤3)中加速度变化速率和角速度变化速率运算公式为：
其中，
步骤3)中遥控装置的运动距离计算公式为：
其中，
遥控装置的运动角度计算公式为：
其中，∠φx、∠φy、∠φz分别为遥控装置在x、y、z轴方向的运动角度。
如图4所示，机器人判断遥控装置的运动时间tn-t0、运动距离sx，sy，sz和运动角度∠φx、∠φy、∠φz是否在格斗标准动作时间、距离、角度限值范围内的公式如下：
tmin≤tn-t0≤tmax(18)
其中tmin,tmax为格斗运动时间限值，通过引人时间限制的判断依据可滤除遥控装置的异常抖动以及缓慢运动的非格斗动作；
图5显示的是控制机器人“向前出直拳”时，遥控装置在x轴方向的加速度变化速率曲线，其中，a、b、c所圈的6个点a1αx,a2αx,b1αx,b2αx,c1αx,c2αx为“向前出直拳”这个动作在格斗动作库中的6个特征值，当特定时间δt内，遥控装置在x轴方向的加速度变化速率曲线依次穿过这6个特征值点时，且其它轴方向的加速度和角速度变化速率同时满足相应的标准格斗动作库中相应的特征值时，判定遥控装置的动作轨迹为“向前出直拳”。
同样，图6显示的是控制机器人“左右挥动”，遥控装置在z轴方向的角速度变化速率曲线，其中，e、f所圈的4个点e1ωx,e2ωx,f1ωx,f2ωx为“左右挥动”这个动作在标准格斗动作库中的4个特征值，当特定时间δt内，遥控装置在z轴方向的角速度变化速率曲线依次穿过这4个特征值点时，且其它轴方向的加速度变化速率和角速度变化速率同时满足相应的标准格斗动作库中相应的多个特征值时，判定遥控装置的动作轨迹为“左右挥动”。机器人主控系统通过综合运动时间、运动距离、运动角度，以及加速度和角速度变化速率轨迹，可准确的判断出遥控装置的运动轨迹及运动类型，从而控制机器人精确的完成格斗动作。若机器人主控系统判断出动作有效，则机器人开始规划运动路径和时间，并结合传感器反馈的情况，控制手臂完成相应的格斗动作。
本发明的实施例中还公开了一种控制遥控机器人进行格斗的系统，包括遥控装置、机器人和机器人标准格斗动作数据库模块，如图1所示，遥控装置包括加速度传感器。遥控装置包括微处理器运算单元、加速度传感器、角速度传感器和无线收发模块。如图2所示，机器人包括机器人主控子系统、机器人运动控制子系统、机器人运动子系统和无线收发模块。机器人运动子系统一般包括手臂伺服控制单元、手指伺服控制单元、颈部及腰部伺服控制单元和腿部或地盘伺服控制单元。机器人标准格斗动作数据库模块设置在遥控装置、机器人或独立的存储装置中。
微处理器运算单元包括重力加速度分量计算模块，重力加速度分量计算模块用于计算重力加速度在x、y、z轴方向的分量。
微处理器运算单元还包括加速度能量合值和角速度能量合值计算模块，加速度能量合值和角速度能量合值计算模块用于计算加速度能量合值和角速度能量合值。
微处理器运算单元还包括加速度变化速率和角速度变化速率计算模块，加速度变化速率和角速度变化速率计算模块用于计算加速度变化速率和角速度变化速率。
微处理器运算单元还包括运动距离和运动角度计算模块，运动距离和运动角度计算模块用于计算运动距离和运动角度。
本发明具体应用途径很多，以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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