CN112959319A - 一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置及方法，MIDI音频输入设备接收用户输入的指令，向控制设备传输MIDI音频文件，MIDI音频文件包括基于内设规则分别表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的三个八度；控制设备根据机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令生成多自由度机器人的每个自由度上的运动轨迹曲线，根据运动轨迹曲线发送控制指令给机器人。将多自由度机器人的路径控制带入到MIDI的标准体系中，降低多自由度机器人的使用门槛，能让非专业人员以一种安全，容错率极高的方法对多自由度机器人动作进行编辑与控制，优化用户体验。

Description

一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置及方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置及方法。

背景技术

随着机器人在文旅娱乐领域的广泛应用，传统工业领域中对于多自由度机器人的控制方法开始出现其弊端。如图1所示为现有技术中的一种编辑多自由度机器人运动数据的工作流程图，结合图1可知，现有技术中编辑多自由度机器人运动数据的方法包括：S1，连接机器人与示教器。S2，预先手动规划并计算机器人行走路径的关键点。S3，人工操作示教器操作机器人依次单步经过关键点并记录位置，手动编辑运动速度。S4，复现机器人运动并评价运动效果，手动记录修改点。S5，使用示教器依次调整运动关键点和速度并更新位置；重复步骤S3-S5操作直到调试出满意运动后保存运动数据。

多自由度机器人在工业使用时的运动轨迹规划经常涉及空间坐标系转换、运动学解算、矩阵计算等专业知识。并在控制时使用配套的示教器作为输入设备。使得执行使用任务时有较高的使用门槛和技术知识要求，且使用不同生产商设备时，因示教器的形态不同增加学习成本。

而文旅娱乐领域中使用多自由度并联机器人主要时追求其动态效果，即体感效果，并不需要考虑更深层次的空间坐标系转换、运动学解算、矩阵计算等知识。且使用示教器作为输入设备时，想要达到文旅娱乐行业中重视的高频率高响应的动作效果非常繁琐，调试时会浪费大量时间在数学参数的计算上。因此，这个矛盾点成为多自由度机器人在非传统工业领域应用时的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置及方法，解决现有技术中编辑多自由度机器人动作数据复杂的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置，包括：MIDI音频输入设备和控制设备；

所述MIDI音频输入设备接收用户输入的指令，向所述控制设备传输MIDI音频文件，所述MIDI音频文件包括基于内设规则分别表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的三个八度；

所述控制设备根据所述机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令生成多自由度机器人的每个自由度上的运动轨迹曲线，根据所述运动轨迹曲线发送控制指令给机器人。

一种快速编辑多自由度机器人动作数据的方法，包括：

步骤1，通过所述MIDI音频输入设备1接收用户输入的指令，向所述控制设备传输MIDI音频文件，所述MIDI音频文件包括基于内设规则分别表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的三个八度；

步骤2，根据所述机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令生成多自由度机器人的每个自由度上的运动轨迹曲线，根据所述运动轨迹曲线发送控制指令给机器人。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置及方法，类比MIDI标准中，对于乐器、音符、演奏的这样一种配合关系，将多自由度机器人的路径控制带入到MIDI的标准体系中，即用乐器代表多自由度机器人、音符代表多自由度机器人中的每一个自由度的特征运动曲线、演奏代表多自由度机器人中每一种自由度特征运动曲线的动作组合，操作者不需要考虑更深层次的空间坐标系转换、运动学解算、矩阵计算等知识，即可达到文旅娱乐行业中重视的高频率高响应的动作效果，同时降低多自由度机器人的使用门槛，能让非专业人员以一种安全，容错率极高的方法对多自由度机器人动作进行编辑与控制，优化用户体验。。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述控制设备还包括音频编辑单元；

根据机器人接收到所述运动轨迹曲线后实时的运动情况，所述音频编辑单元接收操作人员的编辑指令，对表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的每个音阶的频响曲线进行调试编辑。

进一步，所述音频编辑单元接收操作人员的编辑指令的输入端包括：编辑功能按钮和走带控制按钮；

所述编辑功能按钮为所述机器人的运动动作编辑或微调的功能键；

所述走带控制按钮用于复现编辑运动、快进、快退、倒带和暂停。

进一步，所述音频编辑单元还包括显示屏；所述显示屏用于显示状态和提示信息。

进一步，所述MIDI音频输入设备的第一组八度输入端用于输入所述机器人的自由度位置控制指令，第二组八度输入端用于输入所述机器人的自由度位置速度控制指令，第三组八度输入端用于输入所述机器人的自由度加速度控制指令；

每一组八度输入端都是上一组八度输入端的运动微分。

进一步，每一组八度输入端包括至少12个指令输入端，分别对应绕空间xyz轴旋转和沿xyz轴位移的6个自由度的正负两个方向。

进一步，所述控制设备将MIDI音频文件的声音的响度、音调、音色分别对应机器人运动的振幅、频率、特征。

采用上述进一步方案的有益效果是：类比MIDI标准中，对于乐器、音符、演奏的这样一种配合关系，将多自由度机器人的路径控制带入到MIDI的标准体系中，有了这样的对应关系之后，参照普通乐器制作MIDI音色库的方法，制作出代表多自由度机器人运动方式的动作库。将这个动作库视作音色库并导入到任何一个专业音频制作软件中，实现音频编辑与多自由度机器人动作的链接；使用MIDI输入设备，使用多自由度机器人的音色库，用类似演奏、编辑制作音频文件的方式，实现编辑多自由度机器人动作数据的功能。实现一种直观有效的方式对多自由度机器人的运动路径进行规划与编辑。

附图说明

图1为现有技术中的一种编辑多自由度机器人运动数据的工作流程图；

图2为本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置的实施例的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种编辑多自由度机器人运动数据的工作流程图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、MIDI音频输入设备，2、控制设备，3、机器人。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图2所示为本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置的实施例的示意图，由图2可知，本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置包括：MIDI音频输入设备1和控制设备2。

MIDI音频输入设备1和控制设备2之间使用MIDI协议传输演奏数据；

控制设备2和机器人之间使用MIDI格式文件保存和传输数据。

MIDI音频输入设备1接收用户输入的指令，向控制设备2传输MIDI音频文件，MIDI音频文件包括基于内设规则分别表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的三个八度。

控制设备2根据机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令生成多自由度机器人的每个自由度上的运动轨迹曲线，根据运动轨迹曲线发送控制指令给机器人3，实现机器人的动作数据的快速编辑，不限至于机器人类型，可适用于串联、并联、Delta、Stewart等形式。

MIDI(Musical Instrument Digital Interface)乐器数字接口，是20世纪80年代初为解决电声乐器之间的通信问题而提出的。MIDI是编曲界最广泛的音乐标准格式。MIDI传输的不是声音信号，而是音符、控制参数等指令,它指示MIDI设备要做什么，怎么做，如演奏哪个音符、多大音量等。它们被统一表示成MIDI消息(MIDI Message)。

本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置，类比MIDI标准中，对于乐器、音符、演奏的这样一种配合关系，将多自由度机器人的路径控制带入到MIDI的标准体系中，即用乐器代表多自由度机器人、音符代表多自由度机器人中的每一个自由度的特征运动曲线、演奏代表多自由度机器人中每一种自由度特征运动曲线的动作组合即使用标准协议MIDI输入设备，为多自由度机器人动作数据参数的提供强度、持续时间、频率等数据，，且使用MIDI设备进行数据(运动轨迹、运动参数)编辑，使用MIDI标准进行存储、传输。

操作者不需要考虑更深层次的空间坐标系转换、运动学解算、矩阵计算等知识，即可达到文旅娱乐行业中重视的高频率高响应的动作效果，同时降低多自由度机器人的使用门槛，能让非专业人员以一种安全，容错率极高的方法对多自由度机器人动作进行编辑与控制，优化用户体验。

实施例1

本发明提供的实施例1为本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置的实施例，结合图1可知，本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置的实施例包括：MIDI音频输入设备1和控制设备2；控制设备2还包括音频编辑单元。

MIDI音频输入设备1接收用户输入的指令，向控制设备2传输MIDI音频文件，MIDI音频文件包括基于内设规则分别表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的三个八度。

优选的，MIDI音频输入设备的第一组八度输入端用于输入机器人的自由度位置控制指令，第二组八度输入端用于输入机器人的自由度位置速度控制指令，第三组八度输入端用于输入机器人的自由度加速度控制指令；如果使用的MIDI音频输入设备有更多八度，依次类推。

每一组八度输入端都是上一组八度输入端的运动微分。即每一组八度按键的含义是上一组八度按键的数学含义上的微分关系。第一组按键对应位置，第二组按键对应速度(速度是位置相对时间的微分)，第三组按键对应加速度(加速度是速度相对时间的微分)，以此类推。

MIDI音频输入设备有多种输入硬件，不仅限旋钮，打击垫，键盘等，这些硬件对应的功能，均是在PC上的音频编辑软件中可以设置的，是一种自由度非常高的输入设备，所以哪种硬件的哪个按钮绑定为编辑功能是不固定的，本发明图1提供的实施例中，选择支持MIDI乐器数字接口的某型便携式MIDI音乐键盘作为动作编辑输入设备。每组八度输入端为每组八度按键。

进一步的，每一组八度输入端包括至少12个指令输入端，分别对应绕空间xyz轴旋转和沿xyz轴位移的6个自由度的正负两个方向。

所有的机器人运动都是在空间坐标系中的运动，从运动学上看至多是6个自由度，即绕空间xyz轴旋转和沿xyz轴位移。每个自由度有正负两个方向，也就是需要12个键进行控制。键盘上，每一组八度由7个白键和5个黑键组成，可以一一对应所有自由度和其正负方向。

控制设备2根据机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令生成多自由度机器人的每个自由度上的运动轨迹曲线，根据运动轨迹曲线发送控制指令给机器人3。

根据机器人3接收到运动轨迹曲线后实时的运动情况，音频编辑单元接收操作人员的编辑指令，对表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的每个音阶的频响曲线进行调试编辑。

本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置，类比MIDI标准中，对于乐器、音符、演奏的这样一种配合关系，将多自由度机器人的路径控制带入到MIDI的标准体系中，有了这样的对应关系之后，参照普通乐器制作MIDI音色库的方法，制作出代表多自由度机器人运动方式的动作库。将这个动作库视作音色库并导入到任何一个专业音频制作软件中，实现音频编辑与多自由度机器人动作的链接。

最后，使用MIDI输入设备，使用多自由度机器人的音色库，用类似演奏、编辑制作音频文件的方式，实现编辑多自由度机器人动作数据的功能。实现一种直观有效的方式对多自由度机器人的运动路径进行规划与编辑。

进一步的，音频编辑单元接收操作人员的编辑指令的输入端包括：编辑功能按钮和走带控制按钮。

编辑功能按钮为机器人的运动动作编辑或微调的功能键。

走带控制按钮用于复现编辑运动、快进、快退、倒带和暂停等。

优选的，音频编辑单元还包括显示屏；显示屏用于显示状态和提示信息。

进一步的，控制设备2将MIDI音频文件的声音的响度、音调、音色分别对应机器人运动的振幅、频率、特征。

通过操作MIDI音频输入设备，进行编辑、录入、预览机器人动作效果；

使用音频编辑软件导出中录入的MIDI数据，完成动作的保存与再现。

如图3所示为本发明实施例提供的一种编辑多自由度机器人运动数据的工作流程图。该工作流程即为基于本分明实施例提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置的实施例编辑多自由度机器人运动数据的工作流程图。

实施例2

本发明提供的实施例2为本发明提供的一种快速编辑多自由度机器人动作数据的方法的实施例，包括：

步骤1，通过MIDI音频输入设备接收用户输入的指令，向控制设备传输MIDI音频文件，MIDI音频文件包括基于内设规则分别表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的三个八度。

优选的，MIDI音频输入设备的第一组八度输入端用于输入机器人的自由度位置控制指令，第二组八度输入端用于输入机器人的自由度位置速度控制指令，第三组八度输入端用于输入机器人的自由度加速度控制指令；每一组八度输入端都是上一组八度输入端的运动微分。

每一组八度输入端包括至少12个指令输入端，分别对应绕空间xyz轴旋转和沿xyz轴位移的6个自由度的正负两个方向。

步骤2，根据机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令生成多自由度机器人的每个自由度上的运动轨迹曲线，根据运动轨迹曲线发送控制指令给机器人。

优选的，步骤2之后还包括：

步骤3，根据机器人接收到运动轨迹曲线后实时的运动情况，音频编辑单元接收操作人员的编辑指令，对表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的每个音阶的频响曲线进行调试编辑。

音频编辑单元接收操作人员的编辑指令的输入端包括：编辑功能按钮和走带控制按钮。

编辑功能按钮为机器人的运动动作编辑或微调的功能键。

走带控制按钮用于复现编辑运动、快进、快退、倒带和暂停。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (10)

1.一种快速编辑多自由度机器人动作数据的装置，其特征在于，所述装置包括：MIDI音频输入设备和控制设备；

所述MIDI音频输入设备接收用户输入的指令，向所述控制设备传输MIDI音频文件，所述MIDI音频文件包括基于内设规则分别表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的三个八度；

所述控制设备根据所述机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令生成多自由度机器人的每个自由度上的运动轨迹曲线，根据所述运动轨迹曲线发送控制指令给机器人。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制设备还包括音频编辑单元；

根据机器人接收到所述运动轨迹曲线后实时的运动情况，所述音频编辑单元接收操作人员的编辑指令，对表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的每个音阶的频响曲线进行调试编辑。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述音频编辑单元接收操作人员的编辑指令的输入端包括：编辑功能按钮和走带控制按钮；

所述编辑功能按钮为所述机器人的运动动作编辑或微调的功能键；

所述走带控制按钮用于复现编辑运动、快进、快退、倒带和暂停。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述音频编辑单元还包括显示屏；所述显示屏用于显示状态和提示信息。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述MIDI音频输入设备的第一组八度输入端用于输入所述机器人的自由度位置控制指令，第二组八度输入端用于输入所述机器人的自由度位置速度控制指令，第三组八度输入端用于输入所述机器人的自由度加速度控制指令；

每一组八度输入端都是上一组八度输入端的运动微分。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，每一组八度输入端包括至少12个指令输入端，分别对应绕空间xyz轴旋转和沿xyz轴位移的6个自由度的正负两个方向。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制设备将MIDI音频文件的声音的响度、音调、音色分别对应机器人运动的振幅、频率、特征。

8.一种快速编辑多自由度机器人动作数据的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，通过所述MIDI音频输入设备1接收用户输入的指令，向所述控制设备传输MIDI音频文件，所述MIDI音频文件包括基于内设规则分别表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的三个八度；

步骤2，根据所述机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令生成多自由度机器人的每个自由度上的运动轨迹曲线，根据所述运动轨迹曲线发送控制指令给机器人。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤2之后还包括：

步骤3，根据机器人接收到所述运动轨迹曲线后实时的运动情况，所述音频编辑单元接收操作人员的编辑指令，对表示机器人自由度位置控制指令、机器人自由度位置速度控制指令和机器人自由度加速度控制指令的每个音阶的频响曲线进行调试编辑；

所述音频编辑单元接收操作人员的编辑指令的输入端包括：编辑功能按钮和走带控制按钮；

所述编辑功能按钮为所述机器人的运动动作编辑或微调的功能键；

所述走带控制按钮用于复现编辑运动、快进、快退、倒带和暂停。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述MIDI音频输入设备的第一组八度输入端用于输入所述机器人的自由度位置控制指令，第二组八度输入端用于输入所述机器人的自由度位置速度控制指令，第三组八度输入端用于输入所述机器人的自由度加速度控制指令；每一组八度输入端都是上一组八度输入端的运动微分；

每一组八度输入端包括至少12个指令输入端，分别对应绕空间xyz轴旋转和沿xyz轴位移的6个自由度的正负两个方向。

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