CN104950689A - 面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统 - Google Patents

Abstract

一种面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统包括机器人模型（10）、连接该机器人模型（10）的仿真环境模块（20）、连接所述仿真环境模块（20）的规划器模块（30）以及传感检测模块（40）。本发明是基于多功能机器人仿真分析软件Webots的仿真分析系统，它可以很好的解决仿真通用性差的问题，该系统集建模、编程、仿真、程序移植为一体，可以实现三维模型以及虚拟环境的建立、控制程序的编写，具有物理引擎和各种内置传感器,能够在物理环境下实现传感检测,使仿真效果更加真实可靠。

Description

面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统

技术领域

本发明涉及机器人的运动仿真分析，尤其适用于具有复杂绚丽舞台效果的表演机器人仿真分析。

背景技术

党的十八大报告提出扎实推进社会主义文化强国建设，强调要促进文化和科技融合，发展新型文化业态，提高文化产业规模化、集约化、专业化水平，增强文化整体实力和竞争力，推动文化事业全面繁荣、文化产业快速发展。科技创新是文化发展的重要动力，文化与科技融化是增强文化产业核心竞争力的重要途径。文化与科技的融合，推动着人类的文明与进步，科技是文化的重要内容，科技创新与文化传播承载着人类文明发展的重大成果。

促进文化与科技的融合，是国家文化强国和深圳文化强市战略规划的重要内容。文化与科技融合是文化产业整体升级转型的重要突破口和指导思想。目前世界文化产业的主要份额集中在美、英、法、德、日、韩、新加坡这些经济发达国家。美国、日本、英国、德国和法国5个国家的文化市场规模占全球2/3的份额，其中美国占43％,欧盟占34％，日本占10％，韩国占5％，我国约占4％。深圳文化创意产业以年均近25％的速度发展，2012年实现增加值1150亿元，占GDP比重由2003年近3％提高到9％，位居全国城市前列，成为全市支柱产业、战略性新兴产业和带动经济快速健康发展的重要引擎，为中国文化发 展探索了一条成功道路。

机器人戏剧是文化与科技高度融合的典范，是新的艺术表现形式。与传统的由真人演员表演的戏剧不同，机器人戏剧完全由机器人或机器人与真人共同演绎，是文化与科技高度融合的典范，使普通群众真正认识、了解高科技的机器人技术，并享受到机器人带来的艺术大餐。通过机器人表演的戏剧，不但能欣欣丰富广大人民群众的娱乐生活，还能到达科学普及的目的。它不仅着眼于感知、决策与执行高技术完成有益于人类的服务工作，有望培育新的战略性新兴产业，具有很强的技术辐射性与带动性。

戏剧表演机器人涉及多机器人协调与人机交互，研究多个不同类型的表演机器人之间、机器人与人之间同台表演的协调规划与控制方法，解决机器人与真人演员、观众进行互动的可靠性、安全性问题。表演机器人是一个在感知、思维、执行和决策方面全面模拟人类活动的机器智能系统，它是信息技术和人工智能学科的综合试验场，可以全面地检验信息技术和人工智能领域的成果以及它们之间的相互关系。表演机器人集机器视觉技术、机电一体化、智能控制技术、仿真技术、计算机技术、无线通讯技术于一体。

机器人研发只做实物验证存在一定的风险，并且具有设计具有周期长，研究经费昂贵的缺陷。因此，采用计算机虚拟仿真技术来辅助设计研究是必不可少的环节。

目前，在机器人科研领域有不少仿真系统，但都存在这样或者那样的缺陷：基于Matlab的仿真分析系统主要进行数值计算和验证， 其中的VR-slink模块可以完成三维虚拟环境的建立，但是环境简单，操作繁琐，并且只能实现运动仿真，不具有物理仿真效果；基于OpenGL的仿真分析系统，虽然可以实现较好的建模效果，也没有物理仿真效果；基于Adams的仿真分析系统，可以建立很好的物理模型，进行物理仿真，但其侧重点是某种特殊条件下的物理性能仿真，通用性差。

在专利申请方面，申请号为2011202738426的专利提出了一种基于虚拟现实技术的变电站巡检机器人仿真系统，数据通信和处理模块，但并未提及仿真环境的建立和在巡检过程中避障以及越障方面的处理措施；申请号为2014101853001的专利提出了一种机器人仿真系统，该系统以数学机器人模型作为仿真对象，并且不涉及机器人与环境的交互作用；申请号为2014104861828的专利提出了一种液压驱动六足机器人仿真系统及仿真方法，该系统着重研究分析了六足机器人与地面之间的接触力关系，功能比较单一。

发明内容

本发明采用物理环境下的仿真技术，建立机器人于环境的相互作用关系，可以有效解决现有技术中存在的文所述的仿真和通用性能差的技术问题。

本发明为解决上述技术问题而设计的这种面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统包括机器人模型、连接该机器人模型的仿真环境模块、所述仿真环境模块的规划器模块以及传感检测模块。

本发明所述的传感检测模块包括关节角度传感器、关节角速度传 感器、关节角加速度传感器、关节力矩传感器、视觉单元以及距离传感器。

本发明所述规划器模块包括坐标系模块、步态规划模块以及步态选择模块，所述步态选择模块连接所述传感检测模块，所述坐标系模块以及步态选择模块分别控制步态规划模块，所述步态规划模块连接所述仿真环境模块。其中所述步态规划模块规划有三角运动步态和对角运动步态，行走动作包括直线前行或后退，还包括定点转动以及侧行。

本发明所述仿真环境模块仿真环境中的墙壁、河流、泥沙、石块、凹坑或/和桌椅。

本发明的机器人仿真系统还包括用于控制所述规划器模块的模式设置模块，所述模式设置模块包括自主控制模式以及遥操作模式。

进一步本发明机器人仿真系统还包括用于机器人模型中关节变量和关节模块之间通讯连接的数据接口模块以及设置于机器人模型与仿真环境模块的代码移植单元。

进一步本发明所述机器人模型以父子关系原则建立，包括作为父节点的机器人系统，作为子节点并分别连接父节点的腿Ⅰ、腿Ⅱ、腿Ⅲ、腿Ⅳ以及状态监测传感器，每条腿又向下关联关节Ⅰ、关节Ⅱ及关节Ⅲ子节点，各关节节点更进一步向下关联伺服机构以及传感器的子节点，传感器的子节点又包括力/力矩、角度、角速度以及角加速度检测节点，所述状态监测传感器的子节点有图像监测节点、距离监 测节点以及GPS节点。

本发明表演机器人仿真分析系统与上述专利所描述的仿真分析系统存在很大的差异性，无论是机器人本身还是机器人的运动环境都有很大的不同。本发明可以简单快速的搭建表演机器人的仿真环境，得到良好的环境渲染效果；该系统不仅可以实现运动上的仿真，还可以完成物理状态条件下的仿真，使得仿真结果更加真实可靠，为表演机器人提供数据支持；能够加载虚拟相机、距离传感器、力/力矩传感器、编码器、加速度计、GPS这些传感检测元件，实现对机器人自身状态和所处环境状态的检测；具有自主控制和遥操作两种控制模式，可以根据需要进行模式的切换；系统具有步态调整、检障、避障和越障的控制策略，实现不同条件下的步态调整、避障和越障；可以实时的将状态数据进行输出保存，供后续分析备份；系统仿真调试合格后，可以实现代码向物理样机的移植。本发明是基于多功能机器人仿真分析软件Webots的仿真分析系统，它可以很好的解决以上问题，该系统集建模、编程、仿真、程序移植为一体，可以实现三维模型以及虚拟环境的建立、控制程序的编写、具有物理引擎以及各种内置的传感器可以在物理环境下实现传感检测，使仿真效果更加真实可靠。

附图说明

图1是本发明表演机器人仿真系统的总体方案示意图。

图2是本发明表演机器人仿真系统腿部运动机构示意图。

图3是本发明表演机器人仿真系统机器人结构示意简图。

图4是本发明表演机器人仿真系统运动步态示意图。

图5是本发明表演机器人仿真系统数据接口模块的示意图。

图6是本发明表演机器人模型架构示意图。

图7是本发明表演机器人仿真系统避障过程的控制示意图。

具体实施方式

结合上述附图说明本发明的具体实施例。

由图1中可知，本发明面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统包括机器人模型10、连接该机器人模型10的仿真环境模块20、所述仿真环境模块20的规划器模块30以及传感检测模块40。本发明的仿真环境模块20以及传感检测模块40可以实现三维模型以及虚拟环境的建立，将机器人所感应到的环境因素反馈到规划器模块30中，并实时控制机器人完成物理仿真动作，本发明具有物理引擎以及各种内置的传感器可以在物理环境下实现传感检测使仿真效果更加真实可靠。

由图1至图3和图6中可知，所述的传感检测模块40包括关节角度传感器41、关节角速度传感器42、关节角加速度传感器43、关节力矩传感器44、视觉单元45(相机)以及距离传感器46。该模块用于定义各传感器的配置、控制、反馈函数。配置函数用于激活传感器，并对传感器进行初始化；控制函数是对相应关节状态进行控制；反馈函数是将各传感器的测量信息以相应的变量形式进行表示，并反馈给步态选择机制。下表分别为关节控制/状态检测函数表(表一)和机器人与环境间的状态监测相关函数表(表二)：

表一

函数名称	含义
		wb_servo_set_force()	关节力矩输入
wb_servo_enable_motor_force_feedback()	关节力矩传感器使能
		wb_servo_get_motor_force_feedback()	关节力矩反馈
wb_servo_set_position()	给定关节目标位置
		servo_enable_position()	角度传感器使能
servo_get_position()	关节角度测量
		wb_gyro_enable()	角速度传感器使能
wb_gyro_get_values()	角速度测量
		wb_accelerometer_enable()	角加速度传感器使能
wb_accelerometer_get_values()	角加速度测量

(表二)

wb_camera_enable()	相机使能
		wb_camera_get_width()	图像显示窗口宽度设置
wb_camera_get_height()	图像显示窗口高度设置
		wb_distance_sensor_enable()	传感器使能
wb_distance_sensor_get_value()	距离检测
		wb_gps_enable()	GPS使能
wb_gps_get_values()	GPS检测

通过视觉单元45(相机)将四足机器人观察到的场景通过显示窗口显示出来，并将检测结果传回到规划器模块。距离传感器检测机器人与周围环境的距离，提供机器人周围的环境数据，为步态选择提供判断依据。

由图1至图4和图7中可知，所述规划器模块30包括坐标系模块31、步态规划模块32以及步态选择模块33，所述步态选择模块33连接所述传感检测模块40，所述坐标系模块31以及步态选择模块33分别控制步态规划模块32，所述步态规划模块32连接所述仿真环 境模块20。而在所述步态规划模块32中规划有三角运动步态和对角运动步态，行走动作包括直线前行或后退，还包括定点转动以及侧行多种步态和动作。表三为外设控制函数表：

表三

函数	含义
		wb_robot_keyboard_enable()	外设使能
wb_robot_keyboard_get_key()	外设控制

步态选择模块包括自主步态选择和手动步态选择。自主选择根据视觉或者红外传感器的数据，根据已经写好的控制策略进行自主步态选择，以实现步态的切换；手动步态选择是人根据视觉传感器和红外距离传感器的反馈数据进行判断，通过外部输入设备进行手动操作，完成机器人的控制。

为适应不同的任务需求，需要在机器人整体坐标系统的基础上，有针对性的规划机器人的行走步态及行走动作。该模块包含的运动步态有三角运动步态和对角运动步态，行走动作包括直线前行、后退、定点转动、侧行，能够根据机器人所处环境条件实现避障、越障、转弯这些基本任务。

坐标系模块31建立了机器人腿部运动机构的坐标系统，如图1所示，该系统用于描述腿部三个关节之间的相对位姿关系，将此位姿关系用于机器人的正逆运动学求解。单个腿部坐标系统只是机器人整体坐标系统的一部分，在腿部坐标系的基础上建立起机器人的整体坐标系统结构，用于机器人的步态规划，如图1所示。正逆运动学求解是在如图1所示的坐标系统基础上，根据足端坐标系在根部坐标系的 位姿状态，求取为达到目标姿态腿部各关节的运动角度。

具体计算如下：

θ₁＝arctan2(P_y/P_x)

θ₂＝α₂-β₂

${\mathrm{\θ}}_3=-\arccos \frac{A-l_2^2-l_3^2}{2l_2{l}_3}$

其中，

$A={(\sqrt{P_x^2+P_y^2}-l_1)}^2+{P_z}^2$

${\mathrm{\α}}_2=\arccos \frac{{l_2}^2+A-l_3^2}{2l_2\sqrt{A}}$

${\mathrm{\β}}_2=\arccos \frac{\sqrt{P_x^2+P_y^2}-l_1}{\sqrt{A}}$

l₁、l₂、l₃分别为连杆长度，P_x、_Py、P_z是足端在根关节坐标系下的位置坐标。θ₁、θ₂、θ₃分别表示根关节、髋关节和膝关节的关节角。

本发明中仿真环境模块20仿真环境中的墙壁、河流、泥沙、石块、凹坑或/和桌椅。

由图1中可知，该机器人仿真系统还包括用于控制所述规划器模块30的模式设置模块50，所述模式设置模块50包括自主控制模式以及遥操作模式。模式设置模块用于设置机器人在运动过程中控制形式，分为自主控制模式和遥控操作控制模式。自主控制模式就是机器人在运动过程中根据从传感器传回来的状态数据，自主判断机器人下一个状态的运动步态是动作形式，并进行步态和行走动作的切换；遥控操作模式，是用户根据当前机器人的环境状态，手动控制机器人下一步的运动形式。

由图5中可知，该机器人仿真系统还包括数据接口模块60。数据接口模块用于给控制程序中的关节变量和机器人模型中的关节模块建立通信接口，使得关节运动随着相应的关节变量值的变化而变化，从而实现机器人的行走运动。

由图1中可知，该机器人仿真系统还包括设置于机器人模型10与仿真环境模块20的代码移植单元70。当仿真数据达到期望要求后，将仿真代码移植到四足机器人物理样机上进行运行调试，从而降低直接实物验证造成的风险。表四为代码头文件及初始化/预定义函数表：

表四

表五为相关头文件列表

表五

相关头文件
	#include<webots/robot.h>
#include<webots/servo.h>
	#include<webots/camera.h>
#include<webots/distance sensor.h>
	#include<stdio.h>
#include<webots/gps.h>

由图6中可知，所述机器人模型10以父子关系原则建立，包括作为父节点的机器人系统，作为子节点并分别连接父节点的腿Ⅰ、腿Ⅱ、腿Ⅲ、腿Ⅳ以及状态监测传感器，每条腿又向下关联关节Ⅰ、关 节Ⅱ及关节Ⅲ子节点，各关节子节点更进一步向下关联伺服机构以及传感器子节点，传感器的子节点又包括力/力矩、角度、角速度以及角加速度检测节点，所述状态监测传感器的子节点有图像监测节点、距离监测节点以及GPS节点。

本发明中还包括数据输出模块，将机器人在仿真过程中的仿真数据进行输出和保存，以备后处理分析和存档。表六为数据输出函数表：

表六

函数	含义
		FILE*fp	定义文件指针
fp＝fopen(“*.txt”,“w”)	指向文件.txt文件
		fprintf(fp,“％f”,*)	向文件写程序
fclose(fp)	关闭文件

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：该机器人仿真系统包括机器人模型（10）、连接该机器人模型（10）的仿真环境模块（20）、连接所述仿真环境模块（20）的规划器模块（30）以及传感检测模块（40）。

2.根据权利要求1所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：所述的传感检测模块（40）包括关节角度传感器（41）、关节角速度传感器（42）、关节角加速度传感器（43）、关节力矩传感器（44）、视觉单元（45）以及距离传感器（46）。

3.根据权利要求1所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：所述规划器模块（30）包括坐标系模块（31）、步态规划模块（32）以及步态选择模块（33），所述步态选择模块（33）连接所述传感检测模块（40），所述坐标系模块（31）以及步态选择模块（33）分别控制步态规划模块（32），所述步态规划模块（32）连接所述仿真环境模块（20）。

4.根据权利要求3所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：所述步态规划模块（32）规划有三角运动步态和对角运动步态，行走动作包括直线前行或后退，还包括定点转动以及侧行。

5.根据权利要求1所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：所述仿真环境模块（20）仿真环境中的墙壁、河流、泥沙、石块、凹坑或/和桌椅。

6.根据权利要求1至5中任一项所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：该机器人仿真系统还包括用于控制所述规划器模块（30）的模式设置模块（50）。

7.根据权利要求6所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：所述模式设置模块（50）包括自主控制模式以及遥操作模式。

8.根据权利要求1至5中任一项所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：该机器人仿真系统还包括用于机器人模型中关节变量和关节模块之间通讯连接的数据接口模块（60）。

9.根据权利要求1至5中任一项所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：该机器人仿真系统还包括设置于机器人模型（10）与仿真环境模块（20）的代码移植单元（70）。

10.根据权利要求1至5中任一项所述面向机器人戏剧的表演机器人仿真系统，其特征在于：所述机器人模型（10）以父子关系原则建立，包括作为父节点的机器人系统，作为子节点并分别连接父节点的腿Ⅰ、腿Ⅱ、腿Ⅲ、腿Ⅳ以及状态监测传感器，每条腿又向下关联关节Ⅰ、关节Ⅱ及关节Ⅲ子节点，各关节子节点更进一步向下关联伺服机构以及传感器子节点，传感器的子节点又包括力/力矩、角度、角速度以及角加速度检测节点，所述状态监测传感器的子节点有图像监测节点、距离监测节点以及GPS节点。