CN105904460A - 一种实时仿人舞蹈机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实时仿人舞蹈机器人控制系统，属于机器人技术领域。包括：机器人主控制器模块、电机舵机控制器模块、空间位置传感器模块、无线数据发送模块、无线数据接收模块；其中：空间位置传感器检测到的空间位置变化信息传输至与所述无线数据发送模块连接的第一微处理器；第一微处理器控制无线数据发送模块将位置变化信息发送出去；无线数据接收模块接收无线数据发送模块发送的空间位置变化信息；机器人主控制器模块对信息综合处理，与所述电机舵机控制器模块进行通信，控制各个部位的电机舵机进行相应的动作，使得舞蹈机器人跟随人体的动作而动作。本发明所提出的方案可以使舞蹈机器人实时模仿人体舞蹈动作，较为智能化，应用范围广泛。

Description

一种实时仿人舞蹈机器人控制系统

技术领域

本发明涉及一种实时仿人舞蹈机器人控制系统，属于机器人技术领域。

背景技术

仿人机器人(Humanoid Robot)，又称为人形机器人，是一种外形似人，具有与人类相近的运动能力和一定智能的特种机器人。自从第一台仿人机器人Wabot-1诞生以来，仿人机器人已经成为一个结合机械，电子，计算机编程，传感技术，材料，控制技术，人工智能技术等多个领域的综合性高难度研究方向，是一个国家高科技实力和发展水平的重要标志。机器人舞蹈具有很强的观赏性，我们希望机器人能够像人类一样做出复杂而且灵活的动作，要求机器人做出连贯复杂的舞蹈动作就需要对其各个自由度进行合理的设计安排。

舞蹈机器人是众多机器人的中一种，现有舞蹈机器人只是外型像人，一般都只具有固定的舞姿，而不是根据人体动作实时模仿人体舞蹈动作。

发明内容

本发明针对上述问题，本发明提供了一种实时仿人舞蹈机器人控制系统。该系统实时采集人体舞蹈动作信息，经过处理器数据处理，控制舞蹈机器人舵机控制器动作，实时做出人体舞蹈动作。

本发明是这样实现的，

一种实时仿人舞蹈机器人控制系统，该系统包括：

机器人主控制器模块、电机舵机控制器模块、空间位置传感器模块、无线数据发送模块、无线数据接收模块；其中：

空间位置传感器模块为N个，安装在机器人装有舵机的部位对应于人体的关节附近，所述空间位置传感器检测到的空间位置变化信息传输至与所述无线数据发送模块连接的第一微处理器；第一微处理器控制无线数据发送模块将位置变化信息发送出去；

无线数据接收模块包括有第二微处理器，所述第二微处理器将该模块工作模式设置为接收模式，接收无线数据发送模块发送的空间位置变化信息；

机器人主控制器模块具有第三微处理器，所述机器人主控制器模块通过所述第三微处理器接受接收到无线数据发送模块发送来的数据后，对信息综合处理，与所述电机舵机控制器模块进行通信，控制各个部位的电机舵机进行相应的动作，使得舞蹈机器人跟随人体的动作而动作。

进一步地，第一微处理器接收到空间位置传感器模块传输的空间位置信息，进行处理，确认有变化后，将无线数据发送模块设置为发送模式，之后第一微处理器内运行的发送端主程序调用无线发送子程序，将人体动作的空间位置信息数据发送出去，等待接收端接收，如果发送不成功，会一直发送，直至成功。

进一步地，无线发送子程序的实现空间位置变化信息数据的发送，调用无线发送子程序后，所述无线发送子程序写本机身份到寄存器TX_ADDR，写0通道接收地址到RX_ADDR_P0，设置自动应答允许，设置0通道允许接收，配置自动重发次数，选择通信频道，配置发送参数，选择通道0有效数据宽度，设置模块配置寄存器到发送模式，将要传送的数据写入发送缓冲寄存器，将引脚CE置1，则进入发送状态。

进一步地，接收端主程序调用无线接收子程序接收传输来的信息数据，之后无线数据接收模块中的第二微处理器与机器人主控制器模块中的第三微处理器进行通信，由机器人主控制器对数据进行综合分析与处理，指示电机舵机控制器模块工作，电机舵机控制器模块的主程序调用电机舵机动作子程序，使得机器人做出相应的动作。

进一步地，无线接收子程序接收空间传感器模块发送的空间位置变化信息数据，由第二微处理器控制无线数据传输模块实现。无线接收子程序的基本流程：写发送机身份地址到寄存器0通道接收地址RX_ADDR_P0，设置自动应答允许，设置0通道允许接收数据，选择通信频道，选择通道0有效数据宽度，配置发送参数，设置模块配置寄存器到发送模式，将引脚CE置1，则进入接收状态。

进一步地，舵机动作子程序在无线数据模块接收到人体动作的空间位置变化信息数据后，电机舵机进行动作，使机器人做出应用的动作，电机舵机动作子程序步骤为：第二微处理器读取无线数据接收模块接收到的人体动作信息数据后，将数据传输至机器人主控制器模块，由其中的ARM微处理器和CPLD芯片完成数据处理及编译工作，数据处理结果由其中的ARM微处理器和电机舵机驱动电路执行。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：

现有舞蹈机器人一般都只具有固定的舞姿，一般只有事先设定的几种舞蹈动作，种类固定且单一，舞蹈机器人的智能化程度较低。而本发明所提出的方案不仅可以实现上述功能，还可以使舞蹈机器人实时模仿人体舞蹈动作，较为智能化，应用范围广泛。

附图说明

图1是本发明控制系统的结构原理方框示意图；

图2是本发明实施例提供的空间位置传感器模块与微处理器的连接图；

图3是本发明实施例提供的无线数据发送模块或无线数据接收模块与微处理器连接电路；

图4是本发明实时仿人舞蹈机器人控制系统的基本流程图；

图5是发送端主程序流程图；

图6为无线发送子程序的流程图；

图7为接收端主程序流程图；

图8为无线接收子程序的流程图；

图9为电机舵机动作子程序。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，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。

参见图1，一种实时仿人舞蹈机器人控制系统包括：

机器人主控制器模块、电机舵机控制器模块、空间位置传感器模块、无线数据发送模块、无线数据接收模块；其中：

空间位置传感器模块为N个，安装在机器人装有舵机的部位对应于人体的关节附近，所述空间位置传感器检测到的空间位置变化信息传输至与所述无线数据发送模块连接的第一微处理器；第一微处理器控制无线数据发送模块将位置变化信息发送出去；

无线数据接收模块包括有第二微处理器，第二微处理器将该模块工作模式设置为接收模式，接收无线数据发送模块发送的空间位置变化信息；

机器人主控制器模块具有第三微处理器，机器人主控制器模块通过所述第三微处理器接受接收到无线数据发送模块发送来的数据后，对信息综合处理，与所述电机舵机控制器模块进行通信，控制各个部位的电机舵机进行相应的动作，使得舞蹈机器人跟随人体的动作而动作。

仿人舞蹈机器人的自由度为N，机器人的自由度越大，机器人越灵活，也就更加容易再现人体的舞蹈动作。通过N个舵机对机器人的各个关节进行操控，使机器人能够做出多种动作，并能够更加逼真的模仿人的舞蹈动作。在机器人装有舵机的部位对应于人体的关节附近安装上N个空间位置传感器模块。空间位置传感器模块的安装部位要和机器人舵机一致，且安装的空间位置传感器模块数量越多，这样机器人对人体舞蹈动作模仿的越准确。人体做出舞蹈动作后，与之相关的部位的空间位置将要发生变化。空间位置传感器模块检测到的变化信息传输至无线数据发送模块中的第二微处理器，第一微处理器控制无线数据发送模块将位置变化信息发送出去。此时，无线数据接收模块开始工作，第二微处理器将该模块工作模式设置为接收模式，接收无线数据发送模块发送的空间位置变化信息。微处理器4接收到无线数据发送模块发送来的数据后，对信息综合处理后，与电机舵机控制器模块进行通信，控制各个部位的电机舵机进行相应的动作，使得舞蹈机器人跟随人体的动作而动作，如此循环往复。各个微处理器对接收的信息实时处理，驱动机器人各个部位进行相应动作，和人体舞蹈动作保持一致，这样单一的动作连贯起来，就构成了舞蹈机器人优美的舞姿。

第一微处理器和第二微处理器选用51系列单片机STRC89C52，第四微处理器选用C8051F410系列单片机，如图1所示。

机器人主控制器模块选用ARM微处理器和CPLD芯片。ARM微处理器作为第三微处理器采用STM32F104系列芯片，其主频高达72MHz，内置高速存储器(512KB的闪存和64KB的SRAM)，具有1.25Mips/MHz的指令执行速度，为复杂算法的加载提供了硬件基础，它具有112个通用输入输出口。CPLD复杂可编程逻辑器件用于指令编译并寻址，主要功能是为ARM微处理器节省接口，减少ARM微处理器发送指令时占用的时间，为ARM微处理器运算位姿算法，节省时间，使系统响应速度快，控制更加精准。ARM微处理器与CPLD复杂可编程逻辑单元通信，并将指令串传输给CPLD复杂可编程逻辑单元输入接口，CPLD复杂可编程逻辑单元将指令串译码，并输出给单片机，单片机控制步进电机驱动芯片，驱动步进电机动作，步进电机动作的状态由信号反馈单元反馈给单片机，实现闭环控制，电机舵机控制器模块由C8051F410系列单片机和THB6064H驱动芯片组成。

空间位置传感器模块可选用GY-29-ADXL345数字加速度模块。其中的ADXL345是一款小而薄的超低功耗3轴加速度计，分辨率高(13位)，测量范围达±16g。数字输出数据为16位二进制补码格式，可通过SPI(3线或4线)或I2C数字接口访问。ADXL345非常适合移动设备应用。它可以在倾斜检测应用中测量静态重力加速度，还可以测量运动或冲击导致的动态加速度。其高分辨率(3.9mg/LSB)，能够测量不到1.0°的倾斜角度变化。该器件提供多种特殊检测功能。活动和非活动检测功能通过比较任意轴上的加速度与用户设置的阈值来检测有无运动发生。敲击检测功能可以检测任意方向的单振和双振动作。空间位置传感器模块与第一微处理器U1的连接图如图2所示，GY-29-ADXL345数字加速度模块通过集成电路总线IIC与第一微处理器U1进行通信，所以空间位置传感器模块中引脚10、引脚11经电阻直接接5V直流电源电压。空间位置传感器模块的引脚18、引脚19接晶振，晶振的振荡频率频率为11.0592MHz。可以在第一微处理器的P0口外接LCD1602显示电路，用以显示GY-29-ADXL345数字加速度模块传输的数据，即x、y、z空间坐标轴上的加速度。

无线数据发送模块和无线数据接收模块U8可选择NRF24L01芯片。NRF24L01芯片为2.4GHz全球开放ISM频段，最大0dBm发射功率，支持六路通道的数据接收，低工作电压，2Mbps高速率，由于空中传输时间很短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象；125频点，满足多点通信和跳频通信需要；内置2.4GHz天线，体积小巧；当工作在应答模式通信时，快速的空中传输及启动时间，极大的降低了电流消耗。NRF24L01集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，比如：自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等。无线数据发送模块与无线数据接收模块的硬件电路是相同的，只是软件层面设置不同。无线数据发送模块与无线数据接收模块U8与单片机(微处理器)连接电路如图3所示。以无线数据发送模块为例，无线数据发送模块引脚9接单片机复位电路。无线数据发送模块的引脚18和引脚19接晶振，构成单片机的时钟，控制处理信息的节拍。单片机P2口控制NRF24L01无线通信模块。需要注意的是，如果51系列单片机用P0口控制该模块，需要加10K的上拉电阻来分压，否则容易造成模块烧毁，51系列单片机其他I/O口与NRF24L01无线通信模块连接时，则不需要这样操作。NRF24L01无线数据发送和接收模块有五个状态：掉电模式、发射模式、接收模式、待机状态1、待机状态2，模式的切换由信号输入和控制端子IRQ、MISO、CSN、SCK、MOSI、CE，配合寄存器共同完成。

图4为实时仿人舞蹈机器人控制系统的基本流程，下面详细进行介绍。人体做出舞蹈动作，需要注意的是人体的很多部位已经放置了多个空间位置传感器。人体的舞蹈动作会引起空间位置传感器收集到的信息的变化。第一微处理器通过P1.0和P1.1与空间位置传感器模块的与SDA(SPI数据I/O,IIC数据线)、SCL(串行通信时钟)端子相连接收到空间位置传感器模块传输的空间位置信息，进行处理，确认有变化后，将无线数据发送模块设置为发送模式，之后第一微处理器内运行的发送端主程序主程序调用无线发送子程序，就可以将人体动作的空间位置信息数据发送出去，等待接收端接收。如果发送不成功，会一直发送，直至成功。上述处理是在人体上的空间位置传感器模块和无线数据发送模块中的第一微处理器内运行的。

发送端主程序流程图如图5所示。无线数据传输模块的工作模式由芯片模式控制端引脚CE和模块内的寄存器PWR_UP和PRIM_RX一起控制。如果引脚CE、寄存器PWR_UP和PRIM_RX都上电，则工作模式为接收模式。如果引脚CE、寄存器PWR_UP上电，寄存器PRIM_RX掉电，则工作在发送模式。如果引脚CE、寄存器PWR_UP上电，寄存器PRIM_RX由上电状态到掉电状态切换，则工作模式一直未发送模式，直至数据发送完成。

无线发送子程序的主要功能是实现空间位置变化信息数据的发送，由微处理器1控制无线数据发送模块实现数据发送。无线发送子程序的基本流程是写本机身份(写Tx节点的地址)到寄存器TX_ADDR，写0通道接收地址(写Rx节点的地址)到寄存器RX_ADDR_P0，设置自动应答允许，设置0通道允许接收，配置自动重发次数，选择通信频道(发送机与接收机需在一个频道)，配置发送参数，选择通道0有效数据宽度，设置模块配置寄存器到发送模式，将要传送的数据写入发送缓冲寄存器，将引脚CE置1，则进入发送状态，无线发送子程序的流程图，如图6所示。

接收端程序流程图如图7所示。无线数据接收端的任务是人体舞蹈动作做出后，无线数据发送模块发送人体动作空间位置变化信息，无线数据接收模块接收传输来的信息数据，之后无线数据接收模块中的第二微处理器2与机器人主控制器模块中的第三微处理器进行通信，由舞蹈机器人主控制器对数据进行综合分析与处理，指示第四微处理器和电机舵机驱动电路工作，主程序调用电机舵机动作子程序，使得机器人做出相应的动作，从而整体实时实现人体做出舞蹈动作时仿人舞蹈机器人做出相同的动作。图7中接收端主程序调用了无线接收子程序和电机舵机动作子程序。

无线接收子程序的主要功能是接收空间位置传感器模块发送的空间位置变化信息数据，由模块中的第二微处理器控制NRF24L01无线数据传输模块实现。无线接收子程序的基本流程是写发送机身份地址到寄存器0通道接收地址RX_ADDR_P0，设置自动应答允许，设置0通道允许接收数据，选择通信频道(发送机与接收机需在一个频道)，选择通道0有效数据宽度，配置发送参数(低噪放大器增益、发射功率、无线速率不变)，设置模块配置寄存器到发送模式，将引脚CE置1，则进入接收状态。无线发送子程序的流程图，如图8所示。

舵机动作子程序的主要功能是在无线数据模块接收到人体动作的空间位置变化信息数据后，电机舵机进行动作，使机器人做出应用的动作。电机舵机动作子程序的基本流程图如图9所示，第二微处理器读取无线数据接收模块接收到的人体动作信息数据后，将数据传输至机器人主控制器模块，由其中的ARM微处理器和CPLD芯片完成数据处理及编译工作，数据处理结果由第四微处理器和电机舵机驱动电路执行。

Claims (6)

1.一种实时仿人舞蹈机器人控制系统，其特征在于，该系统包括：机器人主控制器模块、电机舵机控制器模块、空间位置传感器模块、无线数据发送模块、无线数据接收模块；其中：

空间位置传感器模块为N个，安装在机器人装有舵机的部位对应于人体的关节附近，所述空间位置传感器检测到的空间位置变化信息传输至与所述无线数据发送模块连接的第一微处理器；第一微处理器控制无线数据发送模块将位置变化信息发送出去；

无线数据接收模块包括有第二微处理器，所述第二微处理器将该模块工作模式设置为接收模式，接收无线数据发送模块发送的空间位置变化信息；

机器人主控制器模块具有第三微处理器，所述机器人主控制器模块通过所述第三微处理器接受接收到无线数据发送模块发送来的数据后，对信息综合处理，与所述电机舵机控制器模块进行通信，控制各个部位的电机舵机进行相应的动作，使得舞蹈机器人跟随人体的动作而动作。

2.按照权利要求1所述的实时仿人舞蹈机器人控制系统，其特征在于，

第一微处理器接收到空间位置传感器模块传输的空间位置信息，进行处理，确认有变化后，将无线数据发送模块设置为发送模式，之后第一微处理器内运行的发送端主程序调用无线发送子程序，将人体动作的空间位置信息数据发送出去，等待接收端接收，如果发送不成功，会一直发送，直至成功。

3.按照权利要求2所述的实时仿人舞蹈机器人控制系统，其特征在于，无线发送子程序的实现空间位置变化信息数据的发送，调用无线发送子程序后，所述无线发送子程序写本机身份到寄存器TX_ADDR，写0通道接收地址到RX_ADDR_P0，设置自动应答允许，设置0通道允许接收，配置自动重发次数，选择通信频道，配置发送参数，选择通道0有效数据宽度，设置模块配置寄存器到发送模式，将要传送的数据写入发送缓冲寄存器，将引脚CE置1，则进入发送状态。

4.按照权利要求1所述的实时仿人舞蹈机器人控制系统，其特征在于，

接收端主程序调用无线接收子程序接收传输来的信息数据，之后无线数据接收模块中的第二微处理器与机器人主控制器模块中的第三微处理器进行通信，由机器人主控制器对数据进行综合分析与处理，指示电机舵机控制器模块工作，电机舵机控制器模块的主程序调用电机舵机动作子程序，使得机器人做出相应的动作。

5.按照权利要求4所述的实时仿人舞蹈机器人控制系统，其特征在于，无线接收子程序接收空间传感器模块发送的空间位置变化信息数据，由第二微处理器控制无线数据传输模块实现。无线接收子程序的基本流程：写发送机身份地址到寄存器0通道接收地址RX_ADDR_P0，设置自动应答允许，设置0通道允许接收数据，选择通信频道，选择通道0有效数据宽度，配置发送参数，设置模块配置寄存器到发送模式，将引脚CE置1，则进入接收状态。

6.按照权利要求4所述的实时仿人舞蹈机器人控制系统，其特征在于，舵机动作子程序在无线数据模块接收到人体动作的空间位置变化信息数据后，电机舵机进行动作，使机器人做出应用的动作，电机舵机动作子程序步骤为：第二微处理器读取无线数据接收模块接收到的人体动作信息数据后，将数据传输至机器人主控制器模块，由其中的ARM微处理器和CPLD芯片完成数据处理及编译工作，数据处理结果由其中的ARM微处理器和电机舵机驱动电路执行。