[发明专利]一种面向掌中木偶表演机器人的交互表演方法及系统

权利要求书

1.一种面向掌中木偶表演机器人的交互表演方法，其特征在于，该方法包括：

体感数据采集步骤，对用户进行体感动作的数据采集，并将采集到的数据发送到控制程序中，用于机器人的状态决策，采集的数据具体包括：用户所在的位置、面朝的方向、用户人体的位移、用户的手势动作；

机器人状态决策步骤，由机器人的动作决策模块使用有限状态机完成，在定义状态机时，首先通过分析演员给出的木偶表演视频来分解手套木偶的控制动作，然后将各行为主体的控制动作的关键点推广到有限状态，由体感数据采集模块采集到的数据来决定有限状态机的状态，在表演的不同环节中，控制有限状态机的数据各不相同，具体的，在演员表演的环节由演员的位置和面向控制，在互动环节由用户的手势动作控制，有限状态机最后会输出一个动作向量，用于下一阶段的动作计算，动作向量的每一个维度分别控制机器人的一个活动关节的运动；

机器人动作计算步骤，由机器人动作计算模块接收决策模块发出的动作向量，并分析该向量以确定机器人具体的运动，使用反向动力学算法对这些向量进行分析，提取两种轴向运动作为系统的基本动作，利用余弦定律计算每个关节需要旋转多少度；

交互表演步骤，从状态决策模块获得的动作向量将被逐个按顺序被计算，当一个动作向量代表的动作完成后，机器人会按顺序执行下一个向量所代表的动作，直至整组动作全部完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对木偶表演机器人的交互还包括：用户的三种数据将被数据采集模块采集：每个手指指尖到手掌的距离d1、d2、d3、d4、d5，手掌的平移速度vT，手掌的旋转速度vR，机器人初始处于初始状态，当检测到d1、d2、d3、d4、d5均小于5cm时，系统判断用户当前正在握拳，机器人进入弯腰状态；当检测到vT大于0.4m/s时，系统判断用户当前正在平移手掌，机器人进入移动状态；当检测到vR大于30°/s时，系统判断用户当前正在旋转手掌，机器人进入旋转状态。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算每个关节需要旋转的角度具体包括：一个上肢长度为L₁，下肢长度为L₂的手臂，对于给定的目标坐标(X,Y)，上肢需要旋转θ₁度，下肢需要旋转θ₂度，方向向量(X,Y)与法向的夹角θ_T，其中θ₁和θ₂根据以下公式计算：

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：掌中木偶表演机器人的构造步骤包括：根据真人肢体骨骼和掌中木偶整体构造，设计出机器人各个子关节的基础原型，映射为具体的电机构件进行拼装；其中机器人具体包括底座、大臂部分和小臂部分，大臂部分的下端设在底座上，大臂部分的上端与小臂部分相连，大臂部分用于控制木偶整体的刚体位移运动，大臂部分设有底座、3根臂杆和6个活动关节，在6个活动关节内分别设有大型步进电机；活动关节用于模拟表演者的上肢，包含肩部、肘部和腕部，6个活动关节的6个自由度为每个部位提供了两个关节轴向的旋转能力。