CN1683122A - 使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置 - Google Patents

Abstract

使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，包括机器人，其特点是，还包括一参与者操作系统、一中央控制计算机系统、以及设在机器人内部的机器人执行系统；参与者操作系统包括参与者操作界面及与其双向连接的参与者操作控制单元；中央控制计算机系统包括中央控制单元及分别与其双向连接的管理操作单元、系统运行单元、系统安全单元、存储单元、接口单元；中央控制单元与参与者操作控制单元双向连接。机器人执行系统包括一接口单元及与其双向连接的执行机构，该接口单元并与中央控制计算机系统双向连接。游客自选观摩机器人跳舞的节目，既享受到机器人跳舞带来的乐趣和神奇，也感受高科技的无穷魅力，激发探索高科技领域的强烈愿望，达到科技教育的目的。

Description

使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，尤其涉及一种使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置。

技术背景

科技是第一生产力，提高全民族的科技素质是强国富民的基本国策，尤其对青少年从小进行高科技实现、形象教育使他们感受高科技无穷奥妙，激发他们对高科技知识的兴趣，培养创新意识，这是祖国的希望，民族的未来。上海科技馆就是上海市政府投资兴建的科技教育基地。把科学性与娱乐性相结合，创造出具有高科技技术含量的展品是国际上近些年来的新兴产业。现代工业机器人技术现在已发展到相当高的水平，能精确地重复空间定位，能变速空间运动，能经编程实现逻辑程序控制，能与外部计算机数据通讯等等。与现代化的自动控制系统与计算机编程控制相结合，可以得到惊人的效果。但是现有的机器人技术都是给人一种远距离的感觉，真正与平民百姓相结合的很少或几乎没有，因此机器人技术往往给人一种高深莫测的感觉。

发明内容

本发明是为了开发一种适合科技馆、博览馆等公共场所使用，由游客参与的，集科学性与娱乐性相结合的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置。游客通过按键操作鼠标随心选择观摩机器人跳舞的节目，既享受到机器人跳舞带来的乐趣和神奇，同时也感受高科技的无穷魅力，激发探索高科技领域的强烈愿望，达到科技教育的目的。

为实现这样的目的，本发明采用的技术方案是：使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，包括机器人，其特点是，还包括一参与者操作系统、一中央控制计算机系统、以及设在机器人内部的机器人执行系统；

所述的参与者操作系统包括参与者操作界面、参与者操作控制单元；所述参与者操作界面与参与者操作控制单元双向连接；所述的参与者操作控制单元与中央控制计算机系统双向连接；

所述的中央控制计算机系统包括中央控制单元、管理操作单元、系统运行单元、系统安全单元、存储单元以及接口单元；所述的中央控制单元用于对总体的资源和功能进行安排协调，程序自动控制各执行系统，并根据各执行系统反馈的信息作出反应，该中央控制单元与参与者操作控制单元双向连接，该中央控制单元并与管理操作单元、系统运行单元、系统安全单元双向连接；所述的管理操作单元、系统运行单元与存储单元双向连接；所述的系统运行单元、系统安全单元与接口单元双向连接；

所述的机器人执行系统包括一接口单元、机器人控制单元以及至少一个执行机构；所述的执行机构与机器人控制单元双向连接，该接口单元与中央控制计算机系统的接口单元双向连接；中央控制计算机系统通过接口向机器人控制单元传递控制命令以及参数，机器人控制单元根据该控制命令以及参数控制执行机构的舞蹈动作。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，所述的中央控制计算机系统通过接口单元向机器人控制单元传递的控制命令以及参数包括启动、停止、暂停、预编动作模块调用、运动坐标值、运动速度值、运动方式等等。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，所述的执行机构由伺服电机单元与其连接的机械臂构成。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，所述的管理操作单元用于提供管理员操作界面以及各项功能。管理功能包括：舞曲新增、删除、编辑。还具有监视机器人、游客操作界面各项状态报警信息等功能；该管理操作单元包括一管理员操作界面、一动作库管理模块、一舞曲管理模块、一舞曲节拍生成模块、一舞蹈动作指令生成模块；所述的管理员操作界面分别与动作库管理模块、舞曲管理模块、舞曲节拍生成模块双向连接，所述的舞曲节拍生成模块与舞蹈动作指令生成模块双向连接。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，所述的系统运行单元包括灯光/音响/动作同步控制模块、动作输出模块、灯光控制模块、舞曲播放控制模块；所述的灯光/音响/动作同步控制模块的输入端分别与管理操作单元的舞曲节拍生成模块以及舞曲播放控制模块的输出端连接，该灯光/音响/动作同步控制模块的输出端与动作输出模块的输入端连接，该灯光/音响/动作同步控制模块还与灯光控制模块双向连接。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，所述的系统安全单元用于处理各项安全事务，对各项状况信息和型号作判断，如果出现安全隐患或者故障立即作出相应反应，并且通知中央控制模块作进一步处理；该系统安全单元包括系统安全动态侦测模块、系统安全智能评估模块、系统安全预防处理模块，所述的系统安全动态侦测模块与系统安全智能评估模块双向连接，系统安全智能评估模块与系统安全预防处理模块双向连接。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，所述的存储单元用于为舞曲和动作编排等信息提供存放空间，以便于应用和维护更新等管理；该存储单元包括动作库和舞曲注册库，其中：所述的动作库与管理操作单元的管理员操作界面双向连接，该动作库的输出端与系统运行单元的动作输出模块的输入端连接；所述的舞曲注册库与管理操作单元的舞曲管理模块双向连接，与系统运行单元的动作输出模块双向连接，该舞曲注册库的输出端还与系统运行单元的灯光/音响/动作同步控制模块的输入端连接。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，所述的接口单元用于为中央计算机控制系统提供各种与其他设备通讯的方法和途径；该接口单元分别与系统运行单元的动作输出模块和舞曲播放控制模块以及与系统安全单元的系统安全预防处理模块双向连接；该接口单元还与机器人执行系统的接口单元双向连接。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，还包括一信号隔离和处理单元，设在中央计算机控制系统和机器人执行系统之间，该信号隔离和处理单元中包括一接口单元、一信号处理模块以及一机器人通讯模块，所述的信号处理模块以及机器人通讯模块分别与接口单元双向连接，该接口单元又与中央计算机控制系统和机器人执行系统的接口单元双向连接。

上述使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其中，还包括一灯光系统和一音响系统，设置在舞台的适当位置，分别与信号隔离和处理单元的接口单元双向连接。

由于本发明采用了以上的技术方案，工业机器人的动作根据音乐节奏进行动作，机器人随音乐节奏变化而产生动作的变化，时而表现柔和；时而表现舒缓；时而表现强烈；富有节奏感。通过自动控制与计算机编程程序可以使工业机器人按照人的意愿完成运动，并且具有时间上和空间上双重的精确度。在软件平台上调节音乐节奏的快慢，可以控制机器人动作的速度快慢，随之产生变化。

附图说明

本发明的具体结构由以下的实施例及其附图进一步给出。

图1是本发明使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置的总体结构示意图。

图2是本发明使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置的总体控制部件电方框图。

图3是图2的中央计算机处理系统内部结构展开时的总体结构方框图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，包括机器人1，还包括一参与者操作系统2、一中央控制计算机系统3、以及设在机器人内部的机器人执行系统4。本实施例中机器人由三台工业机器人构成，每台机器人的底部固定在表演场地上，根据音乐节奏进行跳舞表演，其旋转表演的最大半径是R。机器人拟人化的动作与随音乐节奏变化而产生动作的变化，时而表现柔和；时而表现舒缓；时而表现强烈；富有节奏感。通过自动控制与计算机编程程序可以使工业机器人按照人的意愿完成运动，并且具有时间上和空间上双重的精确度。通过设计，三台机器人将完成人类所无法表现的整齐划一的舞蹈表演。配合炫目的灯光幻影与震撼的音响效果，给参与者带来高科技的享受。

请参阅图2、图3，其中图2是简图，图3是本实用新型机器人跳舞互动装置总体方框图。通过对一组工业机器人动作的编辑，赋予它们优美的舞蹈动作，体现人们是可以通过自动控制与计算机程序编辑的手段来实现机器人动作与音乐的协调统一。并且机器人表演的舞蹈节目可以根据需要，对曲目进行反复的编辑，增添新表演内容。

所述的参与者操作系统2包括参与者操作界面21、参与者操作控制单元22；所述参与者操作界面与参与者操作控制单元22双向连接；所述的参与者操作控制单元22与中央控制计算机系统双向连接。

所述的中央控制计算机系统3包括中央控制单元31、管理操作单元32、系统运行单元33、系统安全单元34、存储单元3535以及接口单元36。中央控制单元31用于对总体的资源和功能进行安排协调，程序自动控制各执行系统，并根据各执行系统反馈的信息作出反应。该中央控制单元31与参与者操作控制单元22双向连接，该中央控制单元31并与管理操作单元32、系统运行单元33、系统安全单元34双向连接；所述的管理操作单元32、系统运行单元33与存储单元35双向连接；所述的系统运行单元33、系统安全单元34与接口单元双向连接。其中，所述的管理操作单元32用于提供管理员操作界面321以及各项功能。管理功能包括：舞曲新增、删除、编辑。还具有监视机器人、游客操作界面各项状态报警信息等功能。管理操作单元32包括一管理员操作界面321、一动作库351管理模块322、一舞曲管理模块323、一舞曲节拍生成模块324、一舞蹈动作指令生成模块325和一指令文本326；所述的管理员操作界面321分别与动作库351管理模块322、舞曲管理模块323、舞曲节拍生成模块324双向连接，所述的舞曲节拍生成模块324的输出分别与系统运行单元33的灯光/音响/动作同步控制模块331和舞蹈动作指令生成模块325的输入端连接，指令文本326与舞蹈动作指令生成模块325双向连接。中央控制系统实时地向机器人控制单元42传递不同的参数和调用不同的预编动作模块实现舞蹈动作。这些参数的值和动作模块的顺序可以是预先编译好的，也可以是根据情况实时分析得出的。

所述的系统运行单元33用于各项执行系统包括机器人系统、灯光系统、音响系统和游客操作系统。该单元包括灯光/音响/动作同步控制模块331、动作输出模块332、灯光控制模块333、舞曲播放控制模块334；其中：灯光/音响/动作同步控制模块331的输入端分别与管理操作单元32的舞曲节拍生成模块324以及舞曲播放控制模块334的输出端连接，该灯光/音响/动作同步控制模块331的输出端与动作输出模块332的输入端连接，该灯光/音响/动作同步控制模块331还与灯光控制模块333双向连接。

所述的系统安全单元34用于处理各项安全事务，对各项状况信息和型号作判断，如果出现安全隐患或者故障立即作出相应反应，并且通知中央控制模块作进一步处理。该系统安全单元34包括系统安全动态侦测模块341、系统安全智能评估模块342、系统安全预防处理模块343，其中：系统安全动态侦测模块341与系统安全智能评估模块342双向连接，系统安全智能评估模块342与系统安全预防处理模块343双向连接。

所述的存储单元35用于为舞曲和动作编排等信息提供存放空间，以便于应用和维护更新等管理。该存储单元35包括动作库351和舞曲注册库352，其中：动作库351与管理操作单元32的管理员操作界面321双向连接，该动作库351的输出端与系统运行单元33的动作输出模块332的输入端连接；舞曲注册库352与管理操作单元32的舞曲管理模块323双向连接，与系统运行单元33的动作输出模块332双向连接，该舞曲注册库352的输出端还与系统运行单元33的灯光/音响/动作同步控制模块331的输入端连接。

所述的机器人执行系统4包括一接口单元41、机器人控制单元42以及至少一个执行机构43；执行机构43由伺服电机单元与其连接的机械臂构成，其与机器人控制单元42双向连接，接口单元与中央控制计算机系统的接口单元双向连接；中央控制计算机通过接口向机器人控制单元42传递控制命令以及参数，机器人控制单元42根据该控制命令以及参数控制执行机构43的舞蹈动作。中央控制计算机通过接口向机器人控制单元42传递的控制命令以及参数包括启动、停止、暂停、预编动作模块调用、运动坐标值、运动速度值、运动方式等等。

所述的接口单元有多个，包括中央计算机控制系统3内的接口单元36和机器人执行系统中的接口单元41，用于为中央计算机控制系统3提供各种与其他设备通讯的方法和途径。其中中央计算机控制系统3中的接口单元36分别与系统运行单元33的动作输出模块332和舞曲播放控制模块334以及与系统安全单元34的系统安全预防处理模块343双向连接。

为了保证信号传输的可靠性，本发明还包括一信号隔离和处理单元5，设在中央计算机控制系统3和机器人执行系统4之间，该信号隔离和处理单元5中包括一接口单元51、一信号处理模块52以及一机器人通讯模块53，所述的信号处理模块52以及机器人通讯模块53分别与接口单元双向连接，该接口单元又与中央计算机控制系统3和机器人执行系统4的接口单元41双向连接。

为了增加观摩效果，本发明使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置还包括分别与信号隔离和处理单元的接口单元双向连接一灯光系统6和一音响系统7，该灯光系统6和一音响系统7安装在舞台的适当位置。

机器人舞蹈动作与音乐时间协调性控制：要指挥机器人动作一首完整的曲目时，只要按照舞曲的风格，在舞蹈动作模块库351中寻找相近风格的舞蹈动作程序，再从此类音乐时间控制模块的时间程序中取出不同节奏的动作模块，按照时序排列，加以整合与微调，生成新的机器人舞蹈动作。

下面以欲安装在科技馆中的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置为例进一步解释其动作的要领，其中参与者为游客。

机器人舞蹈中止、恢复与更新程序控制：在游客观赏机器人跳舞的过程中，可以通过游客操作平台，命令机器人改跳另一首舞曲。机器人接收到游客操作平台的命令后，首先停止当前的舞蹈，然后恢复到初始状态。最后重新开始新的舞蹈。

舞蹈节奏控制：对每个舞蹈段落分开独立程序，每一种舞蹈段落又设计了快、中、慢不同节奏的时速调整。

机器人跳舞动作编辑平台：选择合适的歌曲——选择音乐的格式及节拍自动采集平台——MIDI文件保存的是不同乐曲的播放指令，选择MIDI文件作为音乐格式可以由计算机程序自动取出音乐的节拍发生点——或手动采集音乐节拍的平台(如果音乐的格式不是MIDI文件，音乐编辑平台含有手动采集音乐节拍平台，该平台通过取出音乐段的时间及该时间段的节拍个数来计算节拍时间间隔，保存在文件中，这种方法依赖于用户并且会产生误差)——音乐节拍的手动调整(手动采集的音乐节拍，可能与真实的音乐节拍有差距，在新的音乐编辑平台里，可以通过音乐解码控制音乐的播放，同时读出保存在文件中的音乐节拍，并以滑块的形式显示在屏幕上，通过上面显示当前播放的音乐位置，下面显示音乐节拍的位置，很容易观察到音乐节拍点与滑块的差异，程序提供用户接口允许用户拖动滑块进行节拍点的调整，反复操作，直到音乐的节拍点非常准确为止，重新保存节拍文件)

机器人动作仿真：在机器人动作三维动画仿真软件中读入生成的机器人时序，运行该时序，观察机器人的动作；该仿真软件能显示出机器人动作每一步的执行时间，由于机器人自身特性的限制，机器人的动作执行时间可能与要求的运行时间有差异(该时间由音乐节拍间隔决定)。调整该指令的机器人动作速度，单步运行该步，直到运行时间等于节拍间隔。

机器人动作控制中心：机器人动作控制中心提供给管理及操作人员用于现场的操作与控制，它独立于音乐编辑平台、仿真软件。三台工业机器人与计算机现代控制技术结合，使机器人在音乐的伴奏下翩翩起舞。游客可以走到操作台前面，选择自己喜爱的舞曲，然后观看机器人按照自己的要求跳舞。一支舞蹈结束以后，机器人恢复静止的姿态，并向游客致谢：“谢谢您观看我们的表演。请您到操作台选择新的舞曲，让我们再次为大家表演。”游客可以选择新的舞曲，并再一次饶有兴趣地观看机器人的舞蹈。

游客通过按键操作鼠标随心选择观摩机器人跳舞的节目，既享受到机器人跳舞带来的乐趣和神奇，同时也感受到高科技的无穷魅力，激发探索高科技领域的强烈愿望，达到科技教育的目的。

Claims (10)

1、使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，包括机器人，其特征在于，还包括一参与者操作系统、一中央控制计算机系统、以及设在机器人内部的机器人执行系统；

所述的参与者操作系统包括参与者操作界面、参与者操作控制单元；所述参与者操作界面与参与者操作控制单元双向连接；所述的参与者操作控制单元与中央控制计算机系统双向连接；

所述的中央控制计算机系统包括中央控制单元、管理操作单元、系统运行单元、系统安全单元、存储单元以及接口单元；所述的中央控制单元用于对总体的资源和功能进行安排协调，程序自动控制各执行系统，并根据各执行系统反馈的信息作出反应，该中央控制单元与参与者操作控制单元双向连接，该中央控制单元并与管理操作单元、系统运行单元、系统安全单元双向连接；所述的管理操作单元、系统运行单元与存储单元双向连接；所述的系统运行单元、系统安全单元与接口单元双向连接；

所述的机器人执行系统包括一接口单元、机器人控制单元以及至少一个执行机构；所述的执行机构与机器人控制单元双向连接，该接口单元与中央控制计算机系统的接口单元双向连接；中央控制计算机系统通过接口向机器人控制单元传递控制命令以及参数，机器人控制单元根据该控制命令以及参数控制执行机构的舞蹈动作。

2、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，所述的中央控制计算机系统通过接口单元向机器人控制单元传递的控制命令以及参数包括启动、停止、暂停、预编动作模块调用、运动坐标值、运动速度值、运动方式等等。

3、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，所述的执行机构由伺服电机单元与其连接的机械臂构成。

4、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，所述的管理操作单元用于提供管理员操作界面以及各项功能。管理功能包括：舞曲新增、删除、编辑。还具有监视机器人、游客操作界面各项状态报警信息等功能；该管理操作单元包括一管理员操作界面、一动作库管理模块、一舞曲管理模块、一舞曲节拍生成模块、一舞蹈动作指令生成模块；所述的管理员操作界面分别与动作库管理模块、舞曲管理模块、舞曲节拍生成模块双向连接，所述的舞曲节拍生成模块与舞蹈动作指令生成模块双向连接。

5、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，所述的系统运行单元包括灯光/音响/动作同步控制模块、动作输出模块、灯光控制模块、舞曲播放控制模块；所述的灯光/音响/动作同步控制模块的输入端分别与管理操作单元的舞曲节拍生成模块以及舞曲播放控制模块的输出端连接，该灯光/音响/动作同步控制模块的输出端与动作输出模块的输入端连接，该灯光/音响/动作同步控制模块还与灯光控制模块双向连接。

6、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，所述的系统安全单元用于处理各项安全事务，对各项状况信息和型号作判断，如果出现安全隐患或者故障立即作出相应反应，并且通知中央控制模块作进一步处理；该系统安全单元包括系统安全动态侦测模块、系统安全智能评估模块、系统安全预防处理模块，所述的系统安全动态侦测模块与系统安全智能评估模块双向连接，系统安全智能评估模块与系统安全预防处理模块双向连接。

7、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，所述的存储单元用于为舞曲和动作编排等信息提供存放空间，以便于应用和维护更新等管理；该存储单元包括动作库和舞曲注册库，其中：所述的动作库与管理操作单元的管理员操作界面双向连接，该动作库的输出端与系统运行单元的动作输出模块的输入端连接；所述的舞曲注册库与管理操作单元的舞曲管理模块双向连接，与系统运行单元的动作输出模块双向连接，该舞曲注册库的输出端还与系统运行单元的灯光/音响/动作同步控制模块的输入端连接。

8、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，所述的接口单元用于为中央计算机控制系统提供各种与其他设备通讯的方法和途径；该接口单元分别与系统运行单元的动作输出模块和舞曲播放控制模块以及与系统安全单元的系统安全预防处理模块双向连接；该接口单元还与机器人执行系统的接口单元双向连接。

9、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，还包括一信号隔离和处理单元，设在中央计算机控制系统和机器人执行系统之间，该信号隔离和处理单元中包括一接口单元、一信号处理模块以及一机器人通讯模块，所述的信号处理模块以及机器人通讯模块分别与接口单元双向连接，该接口单元又与中央计算机控制系统和机器人执行系统的接口单元双向连接。

10、根据权利要求1所述的使机器人随音乐节奏跳舞的互动装置，其特征在于，还包括一灯光系统和一音响系统，设置在舞台的适当位置，分别与信号隔离和处理单元的接口单元双向连接。