CN112045672A - 一种智元素体感机器人系统及操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智元素体感机器人系统，包括上位机和智元素开发平台，所述智元素开发平台包括智元素体感机器人、智元素控制系统以及无线姿态模块，所述上位机包括姿态解算算法、体感控制模块、投影模式与技能模式合并模块，所述智元素体感机器人包括控制器、传感器、动力模块、供电模块以及信号传输模块。本发明针对比赛情况，以便于操作，争取在比赛中获胜为目的而提出，解决了灵活操作和快捷操作难以并存的问题，减轻了操作者的负担，对机器人舵机进限位，在一定程度上防止万向节死锁现象的出现，牺牲了一定的观赏性换来更大的实用价值，在实际比赛中也取得了一定成绩，具有一定实用性。

Description

一种智元素体感机器人系统及操作方法

技术领域

本发明属于废物处理技术领域，具体涉及一种智元素体感机器人系统及操作方法。

背景技术

在一定的地域运用工程技术和艺术手段，通过改造地形(或进一步筑山、叠石、理水)种植树木花草、营造建筑和布置园路等途径创作而成的美的自然环境和游憩境域，就称为园林。园林包括庭园、宅园、小游园、花园、公园、植物园、动物园等，随着园林学科的发展，还包括森林公园、风景名胜区、自然保护区或国家公园的游览区以及休养胜地。

但是，在现有技术中，在建筑施工的过程中会产生大量的植物废弃物，这时需要运输车将产生的垃圾运走，但是一般工地的运输车运输能力有限，在运输能力不够的情况下就会将产生的垃圾放置在工地一旁，等运输车来再将垃圾运送至车上，这样不仅工作效率低下，而且浪费大量人力。

为此，我们提出一种智元素体感机器人系统及操作方法来解决现有技术中存在的问题，使其工作效率得到提高，省时省力，降低企业生产劳动成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智元素体感机器人系统及操作方法，以解决上述背景技术中提出现有技术中不仅工作效率低下，而且浪费大量人力的问题。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种智元素体感机器人系统，包括上位机和智元素开发平台，所述智元素开发平台包括智元素体感机器人、智元素控制系统以及无线姿态模块，所述上位机包括姿态解算算法、体感控制模块、投影模式与技能模式合并模块，所述智元素体感机器人包括控制器、传感器、动力模块、供电模块以及信号传输模块，所述无线姿态模块包括HI221GW接收器和HI221无线姿态模块，所述智元素体感机器人与上位机通过无线姿态模块和信号传输模块信号连接。

优选的，所述HI221GW接收器，拥有一个GWCH属性，可通过AT+GWCH指令配置，GWCH属性决定了接收器的信道号，另外可以透传指令给无线姿态模块，所述HI221无线姿态模块拥有GWCH和ID两个属性，GWCH决定了HI221的信道号，只有HI221模块的GWCH和接收器的GWCH属性相同时，模块和接收器才能直接通讯。

优选的，所述姿态解算算法在系统初始化阶段，系统读取人体关节上姿态模块的初始四元数，并计算人体关节上姿态模块的初始偏置四元数；在系统工作阶段，系统读取人体关节上姿态模块的实时四元数，并计算人体关节上姿态模块的实时绝对偏置四元数；计算人体关节上姿态模块的实时相对偏置四元数；计算人体关节在三轴方向上的相对运动角度；计算机器人关节两个舵机的数字量值。

优选的，所述体感控制模块对机器人关节舵机进行限位，以防止万向节死锁的情况发生，通过姿态解算算法，将人体关节运动状态转换成机器人关节舵机值，并将舵机值通过wifi发送给机器人，从而实现人体对机器人的体感控制。

优选的，所述上位机采用微软的WPF开发，采用了mvvm开发模式，实现了界面设计与底层运算分离。

优选的，所述投影模式与技能模式合并模块将人体关节上的无线姿态模块是数据进行转换，最终转换成舵机值并发送给舵机，而技能模式则是读取此时舵机值，当舵机值在人为设定好的范围内时调用相应的动作文件，这两种模式的函数分别在于两个单选框中，即选中其中一个时另一个将无法使用，将其赋予优先级并且赋予同一个单选框中，即可实现两种模式合并并且不需频繁手动切换。

优选的，所述控制器和传感器通过人体左手控制机器人底盘前进，后退，旋转，左移，右移，匀速，加速运动和停止；通过右手控制机器人右手，实现武器的挥击，对敌方发动攻击；通过右脚的踮起和抬脚，分别控制机器人底盘的前进后退移动模式和左右移动模式；通过左脚的脚尖朝向以及踮起，抬脚控制机器人的技能释放；通过固定机器人左手，保护机器人身上的受击传感器，防止被敌方击到。

本发明提出一种智元素体感机器人系统的操作方法，包括以下步骤：

S1、在系统初始化阶段，系统读取人体关节上姿态模块的初始四元数，并计算人体关节上姿态模块的初始偏置四元数，系统通过串口连接无线姿态模块接收器的方式，从串口中读取无线姿态模块传回来的数据，并且将数据存在数组中，系统初始化过程中已将初始四元数读取，后续运动都将以初始四元数为参考坐标；

S2、在系统工作阶段，系统读取人体关节上姿态模块的实时四元数，并计算人体关节上姿态模块的实时绝对偏置四元数，该步骤作用在于算出实时绝对偏置四元数，目的是为算出实时相对四元数做准备；

S3、计算人体关节上姿态模块的实时相对偏置四元数，得出实时相对偏置四元数，即可算出此时的动作坐标相对于初始坐标的值，这个值表征此时坐标与初始坐标的相对偏移；

S4、计算人体关节在三轴方向上的相对运动角度，将上述的相对偏移转换为相对运动角度，为后续得出舵机由初始坐标转到此时坐标的舵机值做准备；

S5、计算机器人关节两个舵机的数字量值，该步骤为将相对运动角度转换为舵机值，将该值发送给舵机即可让体感机器人复现人体动作。

本发明的技术效果和优点：本发明提出的一种智元素体感机器人系统及操作方法，与现有技术相比，具有以下有点：

本发明针对比赛情况，以便于操作，争取在比赛中获胜为目的而提出，解决了灵活操作和快捷操作难以并存的问题，减轻了操作者的负担，对机器人舵机进限位，在一定程度上防止万向节死锁现象的出现，牺牲了一定的观赏性换来更大的实用价值，在实际比赛中也取得了一定成绩，具有一定实用性。

附图说明

图1为本发明的机器人结构示意图；

图2为本发明的姿态解算算法流程图；

图3为本发明的数据流向示意图；

图4为本发明的操作方式整体程序示意图。

图中：1、控制器；2、传感器；3、动力模块；4、供电模块；5、信号传输模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了如图1-4所示的一种智元素体感机器人系统，包括上位机和智元素开发平台，智元素开发平台包括智元素体感机器人、智元素控制系统以及无线姿态模块，上位机包括姿态解算算法、体感控制模块、投影模式与技能模式合并模块，上位机采用微软的WPF开发，采用了mvvm开发模式，实现了界面设计与底层运算分离，上位机软件是使用方式为填入ip地址和队伍名称，选择相应的接收器端口后点击开始，并在智元素控制系统绑定机器人即可，机器人舵机值和四元数输出会实时反应在上位机右方，智元素体感机器人包括控制器1、传感器2、动力模块3、供电模块4以及信号传输模块5，智元素体感机器人与上位机通过无线姿态模块和信号传输模块信号连接。

无线姿态模块包括HI221GW接收器和HI221无线姿态模块，HI221GW接收器，拥有一个GWCH属性，可通过AT+GWCH指令配置，GWCH属性决定了接收器的信道号，另外可以透传指令给无线姿态模块，HI221无线姿态模块拥有GWCH和ID两个属性，GWCH决定了HI221的信道号，只有HI221模块的GWCH和接收器的GWCH属性相同时，模块和接收器才能直接通讯。

姿态解算算法在系统初始化阶段，系统读取人体关节上姿态模块的初始四元数，并计算人体关节上姿态模块的初始偏置四元数；在系统工作阶段，系统读取人体关节上姿态模块的实时四元数，并计算人体关节上姿态模块的实时绝对偏置四元数；计算人体关节上姿态模块的实时相对偏置四元数；计算人体关节在三轴方向上的相对运动角度；计算机器人关节两个舵机的数字量值。

体感控制模块对机器人关节舵机进行限位，以防止万向节死锁的情况发生，通过姿态解算算法，将人体关节运动状态转换成机器人关节舵机值，并将舵机值通过wifi发送给机器人，从而实现人体对机器人的体感控制。控制器和传感器通过人体左手控制机器人底盘前进，后退，旋转，左移，右移，匀速，加速运动和停止；通过右手控制机器人右手，实现武器的挥击，对敌方发动攻击；通过右脚的踮起和抬脚，分别控制机器人底盘的前进后退移动模式和左右移动模式；通过左脚的脚尖朝向以及踮起，抬脚控制机器人的技能释放；通过固定机器人左手，保护机器人身上的受击传感器，防止被敌方击到，通过固定机器人左手，保护机器人身上的受击传感器，防止被敌方击到，具体实施方案为在系统初始化阶段给舵机输入人为设定的值，从而取消无线姿态模块对舵机的控制。此外，在实际比赛中，机器人左手臂的实用意义不大，因为一般使用右手持有武器，故左手臂是不能对敌方造成伤害的，只有防御这个作用，而操作者长期将手臂悬在空中进行防御也是消耗体力以及浪费资源的，故对机器人左手进行固定，通过人体左手控制机器人底盘移动，具体实现方式为将左手上的无线姿态模块的四元数输出转换为欧拉角，即将俯仰角作为控制机器人加速度的指标，将偏航角作为机器人旋转速度的指标。在此我们只需要对其角度进行换算成电机值并将该值发送给电机即可。当左手手腕向前方提起时，无线姿态模块俯仰角正向增大，将其角度作为电机正向加速度发送给机器人，正向角度越大底盘正向加速度越大，底盘反向加速度同理，机器人旋转也是同理，在此不再赘述。此外，通过右脚抬起可以切换机器人移动方式，即左手手腕提起时，其俯仰角可以作为机器人向左的加速度指标进行输入，此时机器人不能前进后退，只能左右移动，即通过右脚的踮起和抬脚，可以分别控制机器人底盘的前进后退移动模式和左右移动模式，具体实现方式为设置一个标志位进行前进后退和左右移动模式的选择；

通过右手控制机器人右手，值得注意的是，人体的手臂有7个自由度，而机器人手臂只有4个，因此牺牲了3个自由度，在一定意义上也是为了在不影响赛事的情况下节省成本，因此人体也要在机器人可操作的自由度内操控机器人，即要在模仿机器人肢体运动的情况下对机器人进行操控，否则机器人的舵机值会产生突变而导致机器人复现人体动作的过程中出错。人体手腕以及手臂传感器上的俯仰角分别控制机器人手腕和机器人手臂的上下摆动，人体手腕的横滚角和手臂的偏航角分别控制机器人手腕的转动和机器人手臂的收张。

投影模式与技能模式合并模块将人体关节上的无线姿态模块是数据进行转换，最终转换成舵机值并发送给舵机，而技能模式则是读取此时舵机值，当舵机值在人为设定好的范围内时调用相应的动作文件，这两种模式的函数分别在于两个单选框中，即选中其中一个时另一个将无法使用，将其赋予优先级并且赋予同一个单选框中，即可实现两种模式合并并且不需频繁手动切换。

本发明提出一种智元素体感机器人系统的操作方法，包括以下步骤：

S1、在系统初始化阶段，系统读取人体关节上姿态模块的初始四元数，并计算人体关节上姿态模块的初始偏置四元数，系统通过串口连接无线姿态模块接收器的方式，从串口中读取无线姿态模块传回来的数据，并且将数据存在数组中，系统初始化过程中已将初始四元数读取，后续运动都将以初始四元数为参考坐标；

S2、在系统工作阶段，系统读取人体关节上姿态模块的实时四元数，并计算人体关节上姿态模块的实时绝对偏置四元数，该步骤作用在于算出实时绝对偏置四元数，目的是为算出实时相对四元数做准备，参考以下公式；

S3、计算人体关节上姿态模块的实时相对偏置四元数，得出实时相对偏置四元数，即可算出此时的动作坐标相对于初始坐标的值，这个值表征此时坐标与初始坐标的相对偏移；

S4、计算人体关节在三轴方向上的相对运动角度，将上述的相对偏移转换为相对运动角度，为后续得出舵机由初始坐标转到此时坐标的舵机值做准备；

S5、计算机器人关节两个舵机的数字量值，该步骤为将相对运动角度转换为舵机值，将该值发送给舵机即可让体感机器人复现人体动作。

实施例1

S1、在系统初始化阶段，系统读取人体关节上姿态模块的初始四元数，并计算人体关节上姿态模块的初始偏置四元数，系统通过串口连接无线姿态模块接收器的方式，从串口中读取无线姿态模块传回来的数据，并且将数据存在数组中，系统初始化过程中已将初始四元数读取，后续运动都将以初始四元数为参考坐标，参考以下公式

q′₁＝q′₁₀+iq′₁₁+jq′₁₂+kq′₁₃

q′₂＝q′₂₀+iq′₂₁+jq′₂₂+kq′₂₃；

S2、在系统工作阶段，系统读取人体关节上姿态模块的实时四元数，并计算人体关节上姿态模块的实时绝对偏置四元数，该步骤作用在于算出实时绝对偏置四元数，目的是为算出实时相对四元数做准备，参考以下公式

T′＝q′₁₀ ²+q′₁₁ ²+q′₁₂ ²+q′₁₃ ²

S3、计算人体关节上姿态模块的实时相对偏置四元数，得出实时相对偏置四元数，即可算出此时的动作坐标相对于初始坐标的值，这个值表征此时坐标与初始坐标的相对偏移，参考以下公式

K＝Δq₀ ²+Δq₁ ²+Δq₂ ²+Δq₃ ²

S4、计算人体关节在三轴方向上的相对运动角度，将上述的相对偏移转换为相对运动角度，为后续得出舵机由初始坐标转到此时坐标的舵机值做准备，参考以下公式

S5、计算机器人关节两个舵机的数字量值，该步骤为将相对运动角度转换为舵机值，将该值发送给舵机即可让体感机器人复现人体动作。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种智元素体感机器人系统，包括上位机和智元素开发平台，其特征在于：所述智元素开发平台包括智元素体感机器人、智元素控制系统以及无线姿态模块，所述上位机包括姿态解算算法、体感控制模块、投影模式与技能模式合并模块，所述智元素体感机器人包括控制器、传感器、动力模块、供电模块以及信号传输模块，所述无线姿态模块包括HI221GW接收器和HI221无线姿态模块，所述智元素体感机器人与上位机通过无线姿态模块和信号传输模块信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种智元素体感机器人系统，其特征在于：所述HI221GW接收器，具有GWCH属性，通过AT+GWCH指令配置，所述HI221无线姿态模块拥有GWCH和ID两个属性。

3.根据权利要求1所述的一种智元素体感机器人系统，其特征在于：所述体感控制模块对机器人关节舵机进行限位，通过姿态解算算法，将人体关节运动状态转换成机器人关节舵机值，并将舵机值通过wifi发送给机器人。

4.根据权利要求1所述的一种智元素体感机器人系统，其特征在于：所述上位机的界面采用WPF。

5.根据权利要求1所述的一种智元素体感机器人系统，其特征在于：所述投影模式与技能模式合并模块将人体关节上的无线姿态模块是数据进行转换，最终转换成舵机值并发送给舵机。

6.根据权利要求1所述的一种智元素体感机器人系统，其特征在于：所述控制器和传感器控制机器人底盘的前进后退移动模式和左右移动模式。

7.一种权利要求1所述的智元素体感机器人系统的操作方法，其特征在于：所述姿态解算算法在系统初始化阶段，系统读取人体关节上姿态模块的初始四元数，并计算人体关节上姿态模块的初始偏置四元数；在系统工作阶段，系统读取人体关节上姿态模块的实时四元数，并计算人体关节上姿态模块的实时绝对偏置四元数；计算人体关节上姿态模块的实时相对偏置四元数；计算人体关节在三轴方向上的相对运动角度；计算机器人关节两个舵机的数字量值。

8.一种权利要求1所述的智元素体感机器人系统的操作方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、在系统初始化阶段，系统读取人体关节上姿态模块的初始四元数，并计算人体关节上姿态模块的初始偏置四元数，系统通过串口连接无线姿态模块接收器的方式，从串口中读取无线姿态模块传回来的数据，并且将数据存在数组中，系统初始化过程中已将初始四元数读取，后续运动都将以初始四元数为参考坐标；

S2、在系统工作阶段，系统读取人体关节上姿态模块的实时四元数，并计算人体关节上姿态模块的实时绝对偏置四元数，该步骤作用在于算出实时绝对偏置四元数，目的是为算出实时相对四元数做准备；

S3、计算人体关节上姿态模块的实时相对偏置四元数，得出实时相对偏置四元数，即可算出此时的动作坐标相对于初始坐标的值，这个值表征此时坐标与初始坐标的相对偏移；

S4、计算人体关节在三轴方向上的相对运动角度，将上述的相对偏移转换为相对运动角度，为后续得出舵机由初始坐标转到此时坐标的舵机值做准备；

S5、计算机器人关节两个舵机的数字量值，该步骤为将相对运动角度转换为舵机值，将该值发送给舵机即可让体感机器人复现人体动作。

Images