CN110694286B

CN110694286B - 一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法

Info

Publication number: CN110694286B
Application number: CN201911069319.9A
Authority: CN
Inventors: 佘莹莹; 林琳; 刘华辉; 陈锦
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2020-11-10
Anticipated expiration: 2039-11-05
Also published as: CN110694286A

Abstract

一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，涉及木偶表演。包括以下步骤：1)机械臂结构设计：根据真人肢体骨骼和掌中木偶整体构造，设计出机械臂各个子关节的基础原型，映射为具体的电机构件进行拼装；在操控时，将木偶直接包裹在机械臂小臂部分上；2)机械臂动作仿真；3)通讯指令转化：根据系统的通讯协议，将三维仿真的关键帧姿态结果转化为相应的指令格式；4)建立、存储及调用机械臂动作库；5)控制机械臂模拟掌中木偶表演。引入机械臂作为掌中木偶戏表演的物质载体，实现该传统技艺的人机迁移，可应用于表演、展示、教学等多个互动场景，为探索开创非物质文化遗产的数字化保护与传播提供新模式。

Description

一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法

技术领域

本发明涉及木偶表演，尤其是涉及一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法。

背景技术

传统掌中木偶戏表演技艺的对外传播主要以剧团巡回演出为主，受到极大的人力条件限制；且当代观众已经不满足于被动观看掌中木偶表演，更希望参与到操纵木偶的体验中，而传统掌中木偶戏缺乏提供可互动的方式。在考虑戏剧交互化的过程中，一些现有方法使用了虚拟现实技术，结合动作捕捉设备来操纵虚拟掌中木偶。但实际演示效果中，这些方法弱化了传统掌中木偶制作工艺表现出的艺术价值，缺乏直观的掌中木偶表演视觉体验。

中国专利CN201120133417.7公开机器人控制的木偶表演装置，包括控制器、连接所述控制器的电机、杖头木偶、提线木偶，其特征在于，还包括连接所述电机的杖头木偶机械操纵臂和提线木偶机械操纵臂、以及连接所述控制器的喷水装置和语音播放装置。通过控制器控制电机以及舵机，使杖头木偶、提线木偶、以及兽首木偶在机械操纵臂的控制下进行惟妙惟肖的表演，并结合音频播放装置播放语音和音乐，其舞台结构新颖、表演形式创新，能带给人们较高的视觉享受。

发明内容

本发明的目的在于提供引入机械臂作为掌中木偶戏表演的物质载体，实现该传统技艺的人机迁移，可应用于表演、展示、教学等多个互动场景，为探索开创非物质文化遗产的数字化保护与传播提供新模式的一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法。

本发明包括以下步骤：

1)机械臂结构设计：根据真人肢体骨骼和掌中木偶整体构造，设计出机械臂各个子关节的基础原型，映射为具体的电机构件进行拼装；

2)机械臂动作仿真；

3)通讯指令转化：根据系统的通讯协议，将三维仿真的关键帧姿态结果转化为相应的指令格式；

4)建立、存储及调用机械臂动作库；

5)将木偶直接包裹在机械臂小臂部分，控制机械臂模拟掌中木偶表演。

在步骤1)中，所述机械臂可包括底座、大臂部分和小臂部分；大臂部分的下端设在底座上，大臂部分的上端与小臂部分相连；大臂部分用于控制木偶整体的刚体位移运动，大臂部分设有3根臂杆和6个活动关节，在6个活动关节内分别设有大型步进电机；活动关节用于模拟表演者的上肢，包含肩部、肘部和腕部，6个活动关节的6个自由度为每个部位提供了两个关节轴向的旋转能力；小臂部分用于控制木偶头部和四肢的旋转运动，小臂部分设有与大臂连接的支架、7根臂杆和6个步进电机，对应木偶整体构造，包含头部、肩部、臂部和腿部，共有7个自由度。

在步骤2)中，所述机械臂动作仿真的具体方法可为：利用三维仿真软件对机械臂建模，分析各个关节的运动范围和运动轴向，并绑定反向动力学系统进行木偶表演姿势的调整；基于机械臂关节的轴向，提炼出两个单局部方向维度的基本动作：螺旋和屈伸，使所有木偶表演动作都可以表示为这两个维度基本动作(屈伸和螺旋)的加权向量组合，方便机械臂通讯指令的计算。

在步骤3)中，所述根据系统的通讯协议，将三维仿真的关键帧姿态结果转化为相应的指令格式，其中小臂部分的通讯协议为：初始设置每个步进电机的原点坐标，ID1：左臂，原点0x78；ID2：左肩，原点0x78；ID3：头，原点0x78；ID4：右肩，原点0x78；ID5：右臂，原点0x78；ID6：左腿，原点0x78；ID7：右腿，原点0x78，输入的指令为运动终点位置坐标以及该过程的运动时间；通过对运动时间的控制，可以控制机械上部分的运动速度；该方式需要精准计算每个步骤的运动时间，以及各个步进电机之间的协调配合；大臂部分的机械控制不仅可以通过坐标完成步进电机的运动，同时其也可以采用各个电机的位移量加减来控制，例如：JS1.jointAngle[5]-＝10；表示第4关节逆时针运动10个单位；各个关节可以控制运动速度，也可以控制其加速度，完成精美的设备控制；由于该部分设备速度较快，需要保证机械不过界，确保机械稳定性。

在步骤4)中，所述建立、存储及调用机械臂动作库的具体方法可为：整理出演员在表演中常用的动作集，建立机械臂动作库，包含相应动作的姿态及通讯指令，便于表演编排的数据复用，提高工作效率；在系统使用过程中，可以不断新增动作库指令；其流程为：在动作库中检索目标表演序列的分解动作，若存在于动作库中，则直接调用其通讯指令；否则重复步骤2)和3)，并将新指令存储至机械臂动作库中。

在步骤5)中，所述控制机械臂模拟掌中木偶表演的具体方法可为：机械臂控制系统的通讯模块使用wifi模块以及有线网络端口实现数据传输，用户可以直接使用网线连接客户端电脑与通讯模块或者连接同一个局域网完成通讯连接；客户端发出通讯指令，通讯模块接收并向机械控制模块发出通讯指令，机械控制模块获取通讯指令并进行解码，对指令进行通讯协议的确认，计算各个步进电机运动的时间以及速度，并控制其运动；步进电机带动整个机械臂运动，模拟掌中木偶表演；同时，在代码层人为设定每个步进电机的限位，实时监控运动数据，当超过限位时，机械停止运动，进行设备保护。

与现有技术相比，本发明具有以下突出的优点：

1、本发明可突破人力限制，完成枯燥动作的助演；支持实时互动表演的功能，适用于展示、教学等多个互动场景；分析真实表演的运动规律，解构表演动作与形态，使编排设计更合理。

2、本发明操作掌中木偶的载体由木偶表演艺人转变为可控机械装置；提出了掌中木偶戏表演的层级关系；构建机械臂动作库便于表演编排的数据复用，提高工作效率。

3、本发明利用机械臂仿真掌中木偶的结构设计，由机械臂仿真掌中木偶的动作分解方法；建立掌中木偶戏机械臂动作库，用于存储与调用。

附图说明

图1为本发明实施例的三维仿真流程图。

图2为本发明实施例的机械臂控制流程图。

图3为本发明实施例的机械臂结构组成示意图。

图4为本发明实施例的机械臂大臂部分结构组成示意图。

图5为本发明实施例的机械臂小臂部分结构组成示意图。

图6为本发明实施例的机械臂大臂部分屈伸动作示意图。

图7为本发明实施例的机械臂大臂部分螺旋动作示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1～2，本发明实施例所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，主要包括机械臂主体结构设计、机械臂动作仿真和机械臂控制三个部分，具体步骤如下：

1)机械臂结构设计：

根据真人肢体骨骼和掌中木偶整体构造，设计出机械臂各个子关节的基础原型，映射为具体的电机构件进行拼装，主要分为大臂和小臂两部分；参见图3～5，机械臂包括大臂部分1、小臂部分2和底座3；大臂部分1的下端设在底座3上，大臂部分1的上端与小臂部分2相连；

大臂部分1用于控制木偶整体的刚体运动，用于模拟表演者的上肢，包含肩部、肘部和腕部，其六个自由度为每个部位提供了两个关节轴向的旋转能力；大臂部分设有3根臂杆11和6个活动关节12，在6个活动关节12内分别设有大型步进电机；活动关节用于模拟表演者的上肢，包含肩部、肘部和腕部，6个活动关节12的6个自由度为每个部位提供了两个关节轴向的旋转能力；

小臂部分2用于控制木偶头部和四肢的旋转运动，用于模拟木偶表演，包含七个自由度，表演时将木偶直接包裹在小臂部分上。小臂部分设有与大臂连接的支架23、7根臂杆21和6个步进电机22，对应木偶整体构造，包含头部、肩部、臂部和腿部，共有7个自由度。机械臂在操控时将木偶直接包裹在小臂部分2上。

2)机械臂动作仿真：利用三维仿真软件对机械臂建模，分析各个关节的运动范围和运动轴向，并绑定反向动力学系统进行木偶表演姿势的调整。基于机械臂关节的轴向，提炼出两个单局部方向维度的基本动作：螺旋和屈伸(参见图6和7)，使所有木偶表演动作都可以表示为这两个维度基本动作(屈伸和螺旋)的加权向量组合，方便机械臂通讯指令的计算。

一般流程为：输入目标表演序列，根据表演逻辑，人为分解基本动作，并采样机械臂的单一动作的关键帧姿态，每个关键帧姿态由所有机械臂结构和对应结构的运动状态进行多维表示，一组关键帧代表一个基本动作序列。

3)通讯指令转化：根据系统的通讯协议，将三维仿真的关键帧姿态结果转化为相应的指令格式。

其中小臂部分的通讯协议为：初始设置每个步进电机的原点坐标，ID1：左臂，原点0x78；ID2：左肩，原点0x78；ID3：头，原点0x78；ID4：右肩，原点0x78；ID5：右臂，原点0x78；ID6：左腿，原点0x78；ID7：右腿，原点0x78，输入的指令为运动终点位置坐标以及该过程的运动时间。通过对运动时间的控制，可以控制机械上部分的运动速度。该方式需要精准计算每个步骤的运动时间，以及各个步进电机之间的协调配合。

大臂部分的机械控制不仅可以通过坐标完成步进电机的运动，同时其也可以采用各个电机的位移量加减来控制，例如：JS1.jointAngle[5]-＝10；表示第4关节逆时针运动10个单位。各个关节可以控制运动速度，也可以控制其加速度，完成精美的设备控制。由于该部分设备速度较快，需要保证机械不过界，确保机械稳定性。

4)存储及调用机械臂动作库：在动作库中检索目标表演序列的分解动作，若存在于动作库中，则直接调用其通讯指令；否则遵循步骤2)和3)中的采样关键帧姿态和通讯指令转化过程，并将新指令存储至机械臂动作库中。

5)机械臂控制：

机械臂控制系统的通讯模块使用wifi模块以及有线网络端口实现数据传输，用户可以直接使用网线连接客户端电脑与通讯模块或者连接同一个局域网完成通讯连接。客户端发出通讯指令，通讯模块接收并向机械控制模块发出通讯指令，机械控制模块获取通讯指令并进行解码，对指令进行通讯协议的确认，计算各个步进电机运动的时间以及速度，并控制其运动；步进电机带动整个机械臂运动，模拟掌中木偶表演。同时，在代码层人为设定每个步进电机的限位，实时监控运动数据，当超过限位时，机械停止运动，进行设备保护。

1.客户端的默认开发环境为VC 2015。

2.通讯模块使用wifi模块以及有线网络端口实现数据传输，用户可以直接使用网线连接客户端电脑与通讯模块或者连接同一个局域网完成通讯连接。

3.机械控制模块，主要功能为获取通讯指令，对指令进行通讯协议的确认，计算各个步进电机运动的时间以及速度，并控制其运动。在运动过程中保证机械设备的不过界，完成设备保护功能。

4.运动模块包括了两个部分，小臂部分的7个小型步进电机，用于控制布袋木偶的双手，双脚以及头部的运动。大臂部分的6个大型的步进电机，各个步进电机协同工作，在保证互不干扰的情况下，完成整体姿态的变化。两个部分需要人为进行协调工作，利用特定的节奏完成布袋木偶的表演。

步骤2)～4)为本发明实施例的三维仿真程图步骤，流程图见图1，机械臂控制流程图见图2。

本发明基于传统掌中木偶表演中的人-偶交互原型，通过分析真人表演和机械臂操作的映射关系，从而设计出具体的机械臂结构并利用三维仿真技术模拟出传统木偶表演的姿态，实现表演逻辑层——动作分解层——数据指令层的仿真技术架构。通过整理出演员在表演中常用的动作集，建立相应的机械臂动作库，便于表演编排的数据复用，提高工作效率。

Claims

1.一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)机械臂结构设计：根据真人肢体骨骼和掌中木偶整体构造，设计出机械臂各个关节的基础原型，映射为具体的电机构件进行拼装；

2)机械臂动作仿真：利用三维仿真软件对机械臂建模，分析各个关节的运动范围和运动轴向，并绑定反向动力学系统进行木偶表演姿势的调整；基于机械臂关节的轴向，提炼出两个单局部方向维度的基本动作：螺旋和屈伸，使所有木偶表演动作都表示为这两个维度基本动作的加权向量组合，方便机械臂通讯指令的计算；

4)建立、存储及调用机械臂动作库；

5)控制机械臂模拟掌中木偶表演。

2.如权利要求1所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于在步骤1)中，所述机械臂包括底座、大臂部分和小臂部分；大臂部分的下端设在底座上，大臂部分的上端与小臂部分相连；大臂部分用于控制木偶整体的刚体位移运动，大臂部分设有3根臂杆和6个活动关节，在6个活动关节内分别设有大型步进电机；活动关节用于模拟表演者的上肢，包含肩部、肘部和腕部，6个活动关节的6个自由度为每个部位提供了两个关节轴向的旋转能力；小臂部分用于控制木偶头部和四肢的旋转运动，小臂部分设有与大臂连接的支架、7根臂杆和6个步进电机，对应木偶整体构造，包含头部、肩部、臂部和腿部，共有7个自由度。

3.如权利要求1所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于在步骤3)中，所述根据系统的通讯协议，将三维仿真的关键帧姿态结果转化为相应的指令格式，其中小臂部分的通讯协议为：初始设置每个步进电机的原点坐标，ID1：左臂，原点0x78；ID2：左肩，原点0x78；ID3：头，原点0x78；ID4：右肩，原点0x78；ID5：右臂，原点0x78；ID6：左腿，原点0x78；ID7：右腿，原点0x78，输入的指令为运动终点位置坐标以及运动过程的运动时间；通过对运动时间的控制，控制机械上部分的运动速度；需要精准计算每个步骤的运动时间，以及各个步进电机之间的协调配合；大臂部分的机械控制通过坐标完成步进电机的运动，或采用各个电机的位移量加减来控制；各个关节通过控制运动速度和加速度，完成设备控制；由于部分设备速度较快，需要保证机械不过界，确保机械稳定性。

4.如权利要求1所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于在步骤4)中，所述建立、存储及调用机械臂动作库的具体方法为：整理出演员在表演中常用的动作集，建立机械臂动作库，包含相应动作的姿态及通讯指令，便于表演编排的数据复用，提高工作效率；在系统使用过程中，不断新增动作库指令；其流程为：在动作库中检索目标表演序列的分解动作，若存在于动作库中，则直接调用其通讯指令；否则重复步骤2)和3)，并将新指令存储至机械臂动作库中。

5.如权利要求1所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于在步骤5)中，所述控制机械臂模拟掌中木偶表演的具体方法为：机械臂控制系统的通讯模块使用wifi模块以及有线网络端口实现数据传输，用户直接使用网线连接客户端电脑与通讯模块或者连接同一个局域网完成通讯连接；客户端发出通讯指令，通讯模块接收并向机械控制模块发出通讯指令，机械控制模块获取通讯指令并进行解码，对指令进行通讯协议的确认，计算各个步进电机运动的时间以及速度，并控制其运动；步进电机带动整个机械臂运动，模拟掌中木偶表演；同时，在代码层人为设定每个步进电机的限位，实时监控运动数据，当超过限位时，机械停止运动，进行设备保护。