仿人思維的類人機(jī)器人自主舞蹈創(chuàng)作探討

雷晗

摘要：本文在提出能夠仿人思維，類人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主舞蹈創(chuàng)作的總設(shè)計(jì)思路前提下，指出所需運(yùn)用的具體設(shè)備，和舞蹈動(dòng)作實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)思路，包括選取、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)三個(gè)步驟，保證每機(jī)器人能夠在舞蹈肢體動(dòng)作過(guò)程中，保證舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并能夠協(xié)調(diào)控制機(jī)器人的自由度，對(duì)類似研究提供指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：仿人思維;類人機(jī)器人;自主舞蹈創(chuàng)作

舞蹈作為國(guó)際間表達(dá)人類情感的通用方式的一種，在人類社會(huì)文明發(fā)展中必不可少，通過(guò)肢體交互表達(dá)產(chǎn)生情感及思維共鳴。類人機(jī)器人較其他機(jī)器人能夠與人類生活更加貼近，顧名思義類人機(jī)器人能夠仿人思維，存在與人類情感表達(dá)、肢體行為、思維方式的諸多共通之處[1]。因此本文展開(kāi)對(duì)能夠仿人思維的類人機(jī)器人自主舞蹈創(chuàng)作研究，豐富該領(lǐng)域的研究成果。

1類人機(jī)器人自主舞蹈設(shè)計(jì)思路

類人機(jī)器人是以人為模型，通過(guò)大量的舵機(jī)相連接，這好比人類的關(guān)節(jié)，再通過(guò)芯片（相當(dāng)于人的大腦）控制舵機(jī)，通過(guò)編程讓機(jī)器人完成各種動(dòng)作。機(jī)器人由舵機(jī)以及相應(yīng)的附件構(gòu)成，從而模仿出人類的關(guān)節(jié)，機(jī)器人的芯片將模仿人的大腦，用VB語(yǔ)言進(jìn)行編程。但要控制機(jī)器人穩(wěn)定完成預(yù)期動(dòng)作，核心需要控制機(jī)器人重心，以及通過(guò)程序讓舵機(jī)協(xié)調(diào)工作，通過(guò)程序設(shè)計(jì)讓各種動(dòng)作按照一定的時(shí)序完成從而形成一系列動(dòng)作。力求能夠讓機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域從物質(zhì)領(lǐng)域擴(kuò)大到精神領(lǐng)域，充分利用和發(fā)揮機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。

1.1選型

考慮到應(yīng)當(dāng)自主舞蹈及經(jīng)費(fèi)問(wèn)題，對(duì)于機(jī)器人應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎選型，一方面應(yīng)當(dāng)考慮人形，并且通過(guò)舵機(jī)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)部分復(fù)雜化的舞蹈動(dòng)作，并且實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作也與機(jī)器人的自由度相關(guān)。自由度作為機(jī)器人的關(guān)鍵指標(biāo)，決定于機(jī)器人的設(shè)備結(jié)構(gòu)，更對(duì)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性產(chǎn)生直接影響。換言之就是說(shuō)機(jī)器人達(dá)到越多的自由度，那么便能夠?qū)崿F(xiàn)更復(fù)雜化的舞蹈自主創(chuàng)作。因此本研究考慮多因素，最終選擇北京森漢公司的8sRobowinner機(jī)器人，價(jià)格適中且提供機(jī)器人圖形編程和C語(yǔ)言編程軟件，可以在教師指導(dǎo)下快速入手，添加傳感器實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)作[2]。

1.2外形

根據(jù)機(jī)器人所要表達(dá)的舞種設(shè)計(jì)不同的民族服飾，并且根據(jù)之后所設(shè)計(jì)的舞蹈類型選擇具體布料，完成舞蹈服裝的制作。

1.3設(shè)備部分

對(duì)于機(jī)器人設(shè)備選型方面，采用了寬約束統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，均為金屬齒輪、合金零件，方便機(jī)器人的組裝拆卸，并特別配置能夠在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的“三維動(dòng)畫虛擬仿真”軟件。目前在計(jì)算機(jī)輔助仿真軟件工具中，以開(kāi)源機(jī)器人操作系統(tǒng)ROS最具代表性。

2仿人思維類人機(jī)器人自主舞蹈創(chuàng)作模型架構(gòu)

以人類的舞蹈創(chuàng)作便道客觀規(guī)律為借鑒依據(jù)，實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的舞蹈自主創(chuàng)作時(shí)可以同樣依照仿人思維實(shí)現(xiàn)，也就是可以通過(guò)模擬、記憶、想象、加工、組合等方式，自主創(chuàng)作類人機(jī)器人仿人思維，對(duì)此本文仿人思維類人機(jī)器人自主舞蹈創(chuàng)作建模（見(jiàn)圖1）[3]。并且在該模型中還將限制釋放算法、半交互式凈化計(jì)算、平衡偵測(cè)及平衡補(bǔ)償引入該機(jī)器人舞蹈自主創(chuàng)作模型中，能夠有效確保類人機(jī)器人的舞蹈創(chuàng)作可以憑借想象、加工、平衡與人類審美相符。

3選取舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)思路

3.1設(shè)計(jì)舞蹈動(dòng)作

對(duì)類人機(jī)器人進(jìn)行舞蹈自主創(chuàng)作安排時(shí)，需要注意對(duì)機(jī)器人的不同關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)精準(zhǔn)角度準(zhǔn)確控制，由于舵機(jī)可以對(duì)類人機(jī)器人的大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)角度加以控制，所以運(yùn)用舵機(jī)作為對(duì)類人機(jī)器人的舞蹈自由度驅(qū)動(dòng)元件。設(shè)計(jì)了類人機(jī)器人分別達(dá)到上肢3個(gè)自由度、下肢5個(gè)自由度以及頭部1個(gè)自由度共計(jì)17個(gè)自由度（見(jiàn)圖2）[4]。

在舞蹈動(dòng)作自主創(chuàng)作編程問(wèn)題，采用了ROBOGC機(jī)器人動(dòng)作調(diào)試軟件，實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作編程，運(yùn)用形象化模塊搭設(shè)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)流程圖[5]。在搭建過(guò)程中該軟件能夠動(dòng)態(tài)化生成無(wú)語(yǔ)言的錯(cuò)誤式交互C語(yǔ)言代碼。在搭設(shè)完畢流程圖之后，即完成舞蹈動(dòng)作創(chuàng)作編寫，下載至機(jī)器人中代碼編輯環(huán)境中即可運(yùn)行或修改。還能夠?qū)C(jī)器人的舞蹈動(dòng)作自由度及時(shí)間間隔，通過(guò)代碼程序編寫更好的實(shí)現(xiàn)與伴奏音樂(lè)配合。控制系統(tǒng)還能夠滿足行動(dòng)和舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)所需。對(duì)于舞蹈表演過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作及音樂(lè)合拍，呈現(xiàn)精美的舞蹈動(dòng)作。

3.2實(shí)現(xiàn)舞蹈動(dòng)作

實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的舞蹈創(chuàng)作動(dòng)作控制系統(tǒng)，包括了硬軟件兩部分，軟件分別為上位機(jī)動(dòng)態(tài)調(diào)試、下位機(jī)軟件系統(tǒng)。通過(guò)控制各個(gè)關(guān)節(jié)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度和角度來(lái)實(shí)現(xiàn)舞蹈的步調(diào)、節(jié)奏和動(dòng)作幅度的。在能夠?qū)崿F(xiàn)舞蹈動(dòng)作前需要對(duì)機(jī)器人的軟件功能充分了解。將所得動(dòng)作數(shù)據(jù)表下載到舵機(jī)控制板中，由舵機(jī)控制板來(lái)控制各個(gè)關(guān)節(jié)，按順序執(zhí)行動(dòng)作表中的各個(gè)動(dòng)作。同時(shí)控制音樂(lè)播放器播放舞蹈音樂(lè)，實(shí)現(xiàn)舞蹈機(jī)器人在音樂(lè)聲中翩翩起舞。

在機(jī)器人智能板及PC端實(shí)現(xiàn)的智能通信，運(yùn)用了STM32 f103r8t6芯片開(kāi)發(fā)智能版軟件運(yùn)行環(huán)境，一要實(shí)現(xiàn)PC機(jī)、智能板之間的裝備連接，對(duì)于PC機(jī)內(nèi)部的開(kāi)發(fā)工具、環(huán)境，還需要安裝Windows操作系統(tǒng)調(diào)試機(jī)器人[6]。

3.2.1連接機(jī)器人

對(duì)于類人機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作創(chuàng)作中，機(jī)器人連接通信尤為關(guān)鍵，本文運(yùn)用了無(wú)限ZigBee通信模塊，包括了單個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)盲節(jié)點(diǎn)，包括IEEE802.15.4規(guī)范及ZigBee規(guī)范兩種。由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)鏈層、物理層構(gòu)成了完整規(guī)范協(xié)議組件。機(jī)器人控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)四種（見(jiàn)圖3）如下：

在控制模塊中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于菜單欄內(nèi)舞蹈動(dòng)作流程圖，以及編程代碼的文件管理;在流程圖設(shè)計(jì)模塊內(nèi)，可以提供用戶所需的流程圖設(shè)計(jì)面板，自帶動(dòng)作庫(kù)元件以動(dòng)作庫(kù)元件及連線構(gòu)成，用戶可以自主定義流程圖，形成良好的用戶交互;在代碼生成顯示模塊，能夠與各元件連線生成流程圖，自動(dòng)調(diào)用代碼生成模塊，轉(zhuǎn)化可執(zhí)行代碼并對(duì)之前代碼的正確性進(jìn)行校驗(yàn)，運(yùn)用更新之后的代碼框顯示更新后的代碼;在串口通信模塊，包括了在線調(diào)試、下載模式兩種功能。

3.2.2動(dòng)作狀態(tài)編輯

通過(guò)點(diǎn)擊控制模塊中的舞蹈自主創(chuàng)作，能夠建立多自主動(dòng)作模塊，并在對(duì)應(yīng)模塊內(nèi)保存不同的舞蹈動(dòng)作狀態(tài)，運(yùn)用箭頭與下一模塊之間充分連接，轉(zhuǎn)變當(dāng)前狀態(tài)為下一個(gè)狀態(tài)即成功創(chuàng)作動(dòng)作。還可運(yùn)用無(wú)限通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離類人機(jī)器人舞蹈動(dòng)作的遠(yuǎn)距離控制，運(yùn)用串行總線USB標(biāo)準(zhǔn)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人、電腦之間的動(dòng)作編譯連接。設(shè)定手柄IP值修改，即可方便操作者下發(fā)指令的機(jī)器人統(tǒng)一完成。

3.2.3機(jī)器人調(diào)試

以ZMP穩(wěn)定性判據(jù)、龐加萊穩(wěn)定性判據(jù)作為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)作穩(wěn)定性調(diào)試的關(guān)鍵依據(jù)，（見(jiàn)圖4）作為ZMP機(jī)器人行走模型圖。對(duì)類人機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作創(chuàng)作中動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的判斷依據(jù)為達(dá)到“零力據(jù)點(diǎn)”，能夠控制類人機(jī)器人腳掌范圍內(nèi)ZMP，即表示類人機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作穩(wěn)定性。

3.3類人機(jī)器人舞蹈創(chuàng)作改進(jìn)新思路

對(duì)于仿人思維的類人機(jī)器人舞蹈動(dòng)作創(chuàng)作，進(jìn)一步改進(jìn)思路可以重視機(jī)器人的舞蹈情感表達(dá)，與情感接收、程序編碼以及機(jī)械關(guān)節(jié)靈活度相關(guān)研究。實(shí)現(xiàn)音樂(lè)特征及舞蹈動(dòng)作匹配，實(shí)現(xiàn)肢體動(dòng)作的護(hù)理拼接，并且重視舞蹈段之間的匹配適當(dāng)。不僅如此還可以引入三維動(dòng)畫，從而對(duì)類人機(jī)器人的舞蹈動(dòng)作失真情況有效避免并彌補(bǔ)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)肢體、思維的高度匹配呈現(xiàn)最佳化的舞蹈動(dòng)作。

結(jié)語(yǔ)

總而言之，想要達(dá)到真正的舞蹈美感，類人機(jī)器人舞蹈自主創(chuàng)作還需要不斷深入研究，通過(guò)本文研究，對(duì)類人機(jī)器人的仿人舞蹈動(dòng)作創(chuàng)作編程、穩(wěn)定性調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了更高效便捷的類人機(jī)器人舞蹈動(dòng)作設(shè)計(jì)。

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