[发明专利]一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法

权利要求书

1.一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)机械臂结构设计：根据真人肢体骨骼和掌中木偶整体构造，设计出机械臂各个关节的基础原型，映射为具体的电机构件进行拼装；

2)机械臂动作仿真：利用三维仿真软件对机械臂建模，分析各个关节的运动范围和运动轴向，并绑定反向动力学系统进行木偶表演姿势的调整；基于机械臂关节的轴向，提炼出两个单局部方向维度的基本动作：螺旋和屈伸，使所有木偶表演动作都表示为这两个维度基本动作的加权向量组合，方便机械臂通讯指令的计算；

3)通讯指令转化：根据系统的通讯协议，将三维仿真的关键帧姿态结果转化为相应的指令格式；

4)建立、存储及调用机械臂动作库；

5)控制机械臂模拟掌中木偶表演。

2.如权利要求1所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于在步骤1)中，所述机械臂包括底座、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；小臂部分用于控制木偶头部和四肢的旋转运动，小臂部分设有与大臂连接的支架、7根臂杆和6个步进电机，对应木偶整体构造，包含头部、肩部、臂部和腿部，共有7个自由度。

3.如权利要求1所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于在步骤3)中，所述根据系统的通讯协议，将三维仿真的关键帧姿态结果转化为相应的指令格式，其中小臂部分的通讯协议为：初始设置每个步进电机的原点坐标，ID1：左臂，原点0x78；ID2：左肩，原点0x78；ID3：头，原点0x78；ID4：右肩，原点0x78；ID5：右臂，原点0x78；ID6：左腿，原点0x78；ID7：右腿，原点0x78，输入的指令为运动终点位置坐标以及运动过程的运动时间；通过对运动时间的控制，控制机械上部分的运动速度；需要精准计算每个步骤的运动时间，以及各个步进电机之间的协调配合；大臂部分的机械控制通过坐标完成步进电机的运动，或采用各个电机的位移量加减来控制；各个关节通过控制运动速度和加速度，完成设备控制；由于部分设备速度较快，需要保证机械不过界，确保机械稳定性。

4.如权利要求1所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于在步骤4)中，所述建立、存储及调用机械臂动作库的具体方法为：整理出演员在表演中常用的动作集，建立机械臂动作库，包含相应动作的姿态及通讯指令，便于表演编排的数据复用，提高工作效率；在系统使用过程中，不断新增动作库指令；其流程为：在动作库中检索目标表演序列的分解动作，若存在于动作库中，则直接调用其通讯指令；否则重复步骤2)和3)，并将新指令存储至机械臂动作库中。

5.如权利要求1所述一种使用机械臂模拟掌中木偶表演的方法，其特征在于在步骤5)中，所述控制机械臂模拟掌中木偶表演的具体方法为：机械臂控制系统的通讯模块使用wifi模块以及有线网络端口实现数据传输，用户直接使用网线连接客户端电脑与通讯模块或者连接同一个局域网完成通讯连接；客户端发出通讯指令，通讯模块接收并向机械控制模块发出通讯指令，机械控制模块获取通讯指令并进行解码，对指令进行通讯协议的确认，计算各个步进电机运动的时间以及速度，并控制其运动；步进电机带动整个机械臂运动，模拟掌中木偶表演；同时，在代码层人为设定每个步进电机的限位，实时监控运动数据，当超过限位时，机械停止运动，进行设备保护。