CN114012744A - 一种皮影控制机器人和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种皮影控制机器人和系统，其中机器人包括往复运动机构和若干个皮影控制子机构，若干个皮影控制子机构活动连接于往复运动机构，皮影控制子机构包括背板和多个轴转动部，轴转动部与皮影的活动关节一一对应，轴转动部用于驱动活动关节绕轴旋转；使得皮影的多个活动关节灵活运动，进而能使皮影做出多样且灵活的动作，该皮影控制机器人还具有稳定性高、响应快和精度高的优点。

Description

一种皮影控制机器人和系统

技术领域

本发明涉及自动化控制领域，特别是一种皮影控制机器人和系统。

背景技术

目前，皮影戏是一种独具特色的表演艺术形式，其表演的形式是借助灯光照射于影幕，并配以音响，由艺人结合故事说唱，同时操纵皮影表演各种动作，由此产生艺术效果。

皮影戏的表演对表演者要求十分高，对表演者负担重。表演者要用数根竹棍操纵皮影人偶，同时嘴巴兼顾说、念、打、唱，脚下还要制动锣鼓。这要求表演者不仅需要手脚功夫绝妙高超，还需要嘴上功夫了得，表演形式复杂。

发明内容

本发明的目的在于至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种皮影控制机器人和系统。

本发明解决其问题所采用的技术方案是：

本发明的第一方面，一种皮影控制机器人，所述皮影控制机器人用于控制皮影运动，所述皮影具有多个活动关节；所述皮影控制机器人包括：

往复运动机构；

若干个皮影控制子机构，若干个所述皮影控制子机构活动连接于所述往复运动机构，所述皮影控制子机构包括背板和与所述背板连接的多个轴转动部，所述轴转动部与所述活动关节一一对应，所述轴转动部用于驱动所述活动关节绕轴旋转。

根据本发明的第一方面，所述往复运动机构包括第一导轨和第一滑块，所述第一滑块滑动连接于所述第一导轨，所述皮影控制子机构与所述第一滑块连接。

根据本发明的第一方面，所述往复运动机构包括第二导轨、第二滑块、第三导轨和第三滑块，所述第二滑块滑动连接于所述第二导轨，所述第三导轨与所述第二滑块连接，所述第三滑块滑动连接于所述第三导轨，所述皮影控制子机构与所述第三滑块连接；所述第二滑块的运动方向与所述第三滑块的运动方向垂直。

根据本发明的第一方面，所述轴转动部包括第一转动控制部，所述第一转动控制部包括第一驱动件和第一连接件，所述第一驱动件的输出轴与所述第一连接件连接。

根据本发明的第一方面，所述轴转动部包括第二转动控制部，所述第二转动控制部包括第二驱动件、第二连接件、第三驱动件和第三连接件；所述第二驱动件的输出轴与所述第二连接件的一端连接，所述第二连接件的另一端设置有所述第三驱动件，所述第三驱动件的输出轴与所述第三连接件连接。

根据本发明的第一方面，所述第一连接件的两端均设置有皮影固定件。

根据本发明的第一方面，所述第二连接件的一端以及所述第三连接件的两端均设置有皮影固定件。

根据本发明的第一方面，所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件为舵机。

根据本发明的第一方面，所述背板的上部的两侧均设置有第二转动控制部，所述背板的下部的两侧均设置有第一转动控制部。

本发明的第二方面，一种皮影控制系统，包括上位机、通信装置和如本发明的第一方面所述的皮影控制机器人，所述皮影控制机器人还包括主控器，所述主控器通过所述通信装置与所述上位机通信连接。

上述方案至少具有以下的有益效果：将皮影安装在皮影控制子机构上，并使轴转动部与所述活动关节一一对应安装，往复运动机构带动皮影控制子机构以及皮影控制子机构上的皮影往复运动，轴转动部主动驱动活动关节绕轴旋转，使得皮影的多个活动关节灵活运动，进而能使皮影按照设定程序做出多样且灵活的动作，该皮影控制机器人还具有稳定性高、响应快和精度高的优点。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一种皮影控制机器人的结构图；

图2是本发明实施例一种皮影控制系统的结构图；

图3是图1中的第二转动控制部的结构图；

图4是图1中的第一转动控制部的结构图；

图5是本发明实施例一种皮影控制机器人的极坐标示意图。

具体实施方式

本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，本发明的第一方面的实施例，提供了一种皮影控制机器人10，皮影控制机器人10应用于控制皮影运动，皮影具有多个活动关节。

需要说明的是，皮影通常包括躯干部和多个活动关节，活动关节与躯干部转动连接，或者一个活动关节与另一个活动关节转动连接，从而实现皮影的灵活运动，使得皮影戏中的皮影人偶栩栩如生。

皮影控制机器人10包括往复运动机构100和若干个皮影控制子机构200。其中，若干个皮影控制子机构200活动连接于往复运动机构100，皮影控制子机构200包括背板210和与背板210连接的多个轴转动部，轴转动部与活动关节一一对应，轴转动部用于驱动活动关节绕轴旋转。

每个皮影控制子机构200控制一个皮影人偶的活动。

在该实施例中，将皮影操控由人手操控转换为机械操控；将皮影安装在皮影控制子机构200上，并使轴转动部与活动关节一一对应安装，往复运动机构100带动皮影控制子机构200以及皮影控制子机构200上的皮影往复运动，轴转动部主动驱动活动关节绕轴旋转，使得皮影的多个活动关节灵活运动，进而能使皮影做出多样且灵活的动作，该皮影控制机器人10还具有稳定性高、响应快和精度高的优点。

当然，在皮影表演中，可以是其中一部分皮影人偶由皮影控制机器人10操控，另一部分皮影人偶依然由表演者人手操控，提高了与表演者的互动性和娱乐性，也分担了表演者的负担。

在一个实施例中，往复运动机构100包括第一导轨110和第一滑块120，第一滑块120滑动连接于第一导轨110，皮影控制子机构200与第一滑块120一一对应地连接。在该实施例中，第一导轨110横向设置，第一滑块120及与第一滑块120连接的皮影控制子机构200沿第一导轨110横向滑动，则能使得皮影控制子机构200上的皮影人偶相对于幕布横向移动。

在另一个实施例中，往复运动机构100包括第二导轨、第二滑块、第三导轨和第三滑块，第二滑块滑动连接于第二导轨，第三导轨与第二滑块连接，第三滑块滑动连接于第三导轨，皮影控制子机构200与第三滑块连接；第二滑块的运动方向与第三滑块的运动方向垂直。在该实施例中，第三导轨可以有多个，皮影控制子机构200与第三导轨一一对应地设置。第二导轨横向设置，第三导轨垂直设置，第二导轨和第三导轨共同作用，能控制皮影控制子机构200以及皮影人偶在平行于幕布的平面上任意运动。

当然，第一导轨110、第二导轨和第三导轨均为电动导轨，电动导轨包括设有履带的轨道、联轴器和电机，电机通过联轴器与履带传动连接，并控制履带转动，从而驱动滑块沿轨道运动。

参照图1和图4，本发明的第一方面的某些实施例，轴转动部包括第一转动控制部220，第一转动控制部220包括第一驱动件221和第一连接件222，第一驱动件221的输出轴与第一连接件222连接。另外，第一驱动件221设置在背板210上。

参照图1和图3，本发明的第一方面的某些实施例，轴转动部包括第二转动控制部230，第二转动控制部230包括第二驱动件231、第二连接件232、第三驱动件233和第三连接件234；第二驱动件231的输出轴与第二连接件232的一端连接，第二连接件232的另一端设置有第三驱动件233，第三驱动件233的输出轴与第三连接件234连接。另外，第二驱动件231设置在背板210上。

当然在其他实施例中，第二转动控制部230包括第二驱动件231、第二连接件232和第三驱动件233，通过第三驱动件233直接与皮影人偶的关节转动连接。

本发明的第一方面的某些实施例，背板210的上部的两侧均设置有第二转动控制部230，背板210的下部的两侧均设置有第一转动控制部220。即上方两侧的两个第二转动控制部230分别对皮影人偶的两只手进行控制，下方两侧的两个第一转动控制部220分别对皮影人偶的两只脚进行控制。

则第一驱动件221能控制皮影人偶的髋关节转动，使皮影人偶的脚部活动关节绕第一驱动件221的输出轴转动，进而控制皮影人偶的脚部动作。第二驱动件231和第三驱动件233分别控制皮影人偶的肩关节和肘关节转动，使皮影人偶的臂膀活动关节绕第二驱动件231的输出轴转动和皮影人偶的手臂活动关节绕第三驱动件233的输出轴转动，进而控制皮影人偶的手部动作。

当然在其他实施例中，第二转动控制部230也能用于对脚部动作进行控制；则第二驱动件231和第三驱动件233分别控制皮影人偶的髋关节和膝盖关节转动，使得脚部动作更灵活多样。

当然在其他实施例中，对于轴转动部可以包括更多数量的驱动件和连接件，例如三个驱动件和三个连接件依次连接，则可以对应肩关节、肘关节和腕关节分别进行控制，使得皮影人物肢体动作更灵活多样。另外，多个连接件之间也可以成树状结构，即例如一个连接件的同一端设有两个驱动件，两个驱动件分别驱动两个不同的连接件转动，三个连接件形成Y型的树状结构。树状结构的轴转动部能适应更多样的人物活动需求。

当然，针对不同皮影人偶，只需要根据皮影人偶关节排布设计对应的皮影机器人背板，在使用不同的皮影人偶时，更换对应的皮影背板即可，从而使皮影控制机器人兼容性强，适用的人偶模型更丰富，能兼容多种不同皮影人偶控制。

本发明的第一方面的某些实施例，第一连接件222的两端均设置有皮影固定件240。另外，第二连接件232的一端以及第三连接件234的两端均设置有皮影固定件240。具体地，皮影固定件240为细长的杆状物，通过皮影固定件240与皮影连接，使驱动件驱动皮影关节转动；杆状物与驱动件的输出轴同轴。通过细长的杆状物连接皮影，可以使得皮影控制子机构200远离皮影人偶，则皮影人偶映在幕布上的时候，皮影控制子机构200远离幕布，皮影控制子机构200的影子不会映在幕布上而影响观感。

具体地，第一驱动件221、第二驱动件231和第三驱动件233为舵机。

参照图5，对于该皮影控制机器人通过极坐标控制各驱动件的转动角度。例如对于如图所示的具有六个驱动件的皮影控制机器人，背板210上的舵机以舵机旋转轴做O点做极点，以O点竖直向下L轴做极轴，形成2个肩关节和2个髋关节极坐标系；而第二转动控制部230上，肘关节舵机则以舵机旋转轴做O点做极点，O点沿舵机连接件向外的方向做L轴为极轴，形成2个肘关节极坐标系，在控制皮影模型动作表演时，分别向两个肘关节舵机、两个肩关节舵机、两个髋关节舵机输入θ1、θ2、θ3、θ4、θ5、θ6的旋转角度。

参照图2，本发明的第二方面的实施例，提供了一种皮影控制系统。皮影控制系统包括上位机30、通信装置20和如本发明的第一方面的实施例的皮影控制机器人10，皮影控制机器人10还包括主控器11，主控器11通过通信装置20与上位机30通信连接。

主控器11与皮影控制机器人10的各驱动器电连接，主控器11向各驱动器输出控制信号，并根据各驱动器的反馈信号调节控制信号。例如，主控器11向舵机发送舵机旋转信号，以控制各舵机的旋转角度。主控器11向电动导轨发送距离控制信号和速率控制信号，以控制滑块的运动距离和运动速率。具体地，主控器11采用stm32系列的处理器。

可以在上位机30对皮影控制机器人10的运行控制程序进行编辑，通过通信装置20将皮影控制机器人10的运行控制程序录入至主控器11中，主控器11根据运行控制程序控制皮影控制机器人10运动，实现自动化控制。对应不同的皮影故事，皮影人物的运动不同，因此对应的运行控制程序也不相同。另外，通过上位机30可以对皮影控制机器人10的运行参数和运行状态进行监控。上位机30还可以运行有深度学习网络，对皮影控制机器人10反馈的运行参数进行学习，并不断优化运行控制程序的参数，进而使得运行控制程序对皮影控制机器人10的运动控制更加精准。

可以在上位机30设置人工控制模式，通过即时输入对驱动件的控制命令，直接控制每个关节的旋转来达到动作，实现即时控制皮影控制机器人10运动。

可以设置语音识别模块，通过语音输入部件例如麦克风输入语音信息，然后通过语音识别模块对输入的语音信息进行解释识别得到对驱动件的控制命令，控制每个关节的旋转来达到动作，实现语音控制。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种皮影控制机器人，其特征在于，所述皮影控制机器人用于控制皮影运动，所述皮影具有多个活动关节；所述皮影控制机器人包括：

往复运动机构；

若干个皮影控制子机构，若干个所述皮影控制子机构活动连接于所述往复运动机构，所述皮影控制子机构包括背板和与所述背板连接的多个轴转动部，所述轴转动部与所述活动关节一一对应，所述轴转动部用于驱动所述活动关节绕轴旋转。

2.根据权利要求1所述的一种皮影控制机器人，其特征在于，所述往复运动机构包括第一导轨和第一滑块，所述第一滑块滑动连接于所述第一导轨，所述皮影控制子机构与所述第一滑块连接。

3.根据权利要求1所述的一种皮影控制机器人，其特征在于，所述往复运动机构包括第二导轨、第二滑块、第三导轨和第三滑块，所述第二滑块滑动连接于所述第二导轨，所述第三导轨与所述第二滑块连接，所述第三滑块滑动连接于所述第三导轨，所述皮影控制子机构与所述第三滑块连接；所述第二滑块的运动方向与所述第三滑块的运动方向垂直。

4.根据权利要求1所述的一种皮影控制机器人，其特征在于，所述轴转动部包括第一转动控制部，所述第一转动控制部包括第一驱动件和第一连接件，所述第一驱动件的输出轴与所述第一连接件连接。

5.根据权利要求4所述的一种皮影控制机器人，其特征在于，所述轴转动部包括第二转动控制部，所述第二转动控制部包括第二驱动件、第二连接件、第三驱动件和第三连接件；所述第二驱动件的输出轴与所述第二连接件的一端连接，所述第二连接件的另一端设置有所述第三驱动件，所述第三驱动件的输出轴与所述第三连接件连接。

6.根据权利要求4所述的一种皮影控制机器人，其特征在于，所述第一连接件的两端均设置有皮影固定件。

7.根据权利要求5所述的一种皮影控制机器人，其特征在于，所述第二连接件的一端以及所述第三连接件的两端均设置有皮影固定件。

8.根据权利要求5所述的一种皮影控制机器人，其特征在于，所述第一驱动件、所述第二驱动件和所述第三驱动件为舵机。

9.根据权利要求5所述的一种皮影控制机器人，其特征在于，所述背板的上部的两侧均设置有所述第二转动控制部，所述背板的下部的两侧均设置有所述第一转动控制部。

10.一种皮影控制系统，其特征在于，包括上位机、通信装置和如权利要求1至9任一项所述的皮影控制机器人，所述皮影控制机器人还包括主控器，所述主控器通过所述通信装置与所述上位机通信连接。

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