基于動作同步控制的Yanshee機(jī)器人群舞

胡凈皓 吳珅銳 汪海濤 彭華

摘要：機(jī)器人舞蹈是人工智能研究中的重要領(lǐng)域，它有機(jī)融合了科學(xué)與藝術(shù)。讓多個機(jī)器人實現(xiàn)群體舞蹈，不僅有助于發(fā)展機(jī)器人的協(xié)作以及與環(huán)境協(xié)調(diào)的能力，還能夠為未來家庭提供新的人-機(jī)器人交互方式。本文以Yanshee機(jī)器人為載體，提出了一種基于動作同步控制的機(jī)器人群舞實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：動作同步;Yanshee機(jī)器人;群體舞蹈

中圖分類號：TP242? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）06-0089-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

人工智能技術(shù)日益發(fā)展的今天，給人們的生活帶來了翻天覆地的變化。機(jī)器人作為人工智能的重要載體，在未來家庭中也將越來越普遍。作為社會機(jī)器人的一種，舞蹈機(jī)器人也逐漸受到人們的重視，在情感陪伴與交流、醫(yī)療康復(fù)、教育輔助中發(fā)揮著重要作用。

機(jī)器人舞蹈是以機(jī)器人作為載體，以舞蹈作為蘊含內(nèi)容的一種藝術(shù)表現(xiàn)形式[1]。從不同的視角，機(jī)器人舞蹈可以劃分為多個種類。如：從參與舞蹈的機(jī)器人數(shù)量來分，可以分為單人舞和群舞;從表演舞蹈的種類來分，可以分為民族舞、現(xiàn)代舞、古典舞等。

讓多個機(jī)器人實現(xiàn)群體舞蹈，相比單個機(jī)器人來說，具備更為充足的舞蹈表現(xiàn)力，但從技術(shù)上來說也更為復(fù)雜，涉及多個機(jī)器人的動作同步控制。對機(jī)器人舞蹈開展研究，不僅有助于提升機(jī)器人的協(xié)作以及與環(huán)境協(xié)調(diào)的能力，還能夠為未來家庭提供新的人-機(jī)器人交互方式，進(jìn)而推動人工智能技術(shù)的發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀

縱觀國內(nèi)研究，機(jī)器人舞蹈的相關(guān)研究較少。李菁等人從人文社科的角度，綜述了機(jī)器人舞蹈的定義、現(xiàn)狀與研究意義[1]。鄭萬通等人以人類舞蹈動作為基礎(chǔ)，利用 C 語言實現(xiàn)了仿人機(jī)器人舞蹈動作[2]。郗俊杰提出了一種基于事件驅(qū)動的多機(jī)器人舞蹈動作協(xié)作控制方法[3]。廈門大學(xué)周昌樂教授團(tuán)隊，系統(tǒng)地對機(jī)器人舞蹈生成方法開展了研究：提出了一種基于姿態(tài)關(guān)系特征的機(jī)器人舞蹈生成方法[4]，構(gòu)建了一種基于深度學(xué)習(xí)方法的機(jī)器人舞蹈生成系統(tǒng)[5]。

在國外，機(jī)器人舞蹈的研究如火如荼，其研究內(nèi)容主要包含四個方面：合作式人-機(jī)器人舞蹈[6-8]、模仿人類舞蹈動作[9]、舞蹈與音樂同步[10]以及舞蹈自主創(chuàng)作[11-12]。Kosuge教授團(tuán)隊在設(shè)計的舞蹈機(jī)器人Ms DanceR和PBDR基礎(chǔ)上，探索了人-機(jī)器人共舞華爾茲的交互技術(shù)[6-8]。Nakazawa等人通過運動結(jié)構(gòu)分析技術(shù)，實現(xiàn)了對日本民族民間舞蹈的人類動作的模仿[9]。Michalowski以Keepon機(jī)器人為載體，提出了一種節(jié)奏交互理論，有效地實現(xiàn)了舞蹈動作與音樂的同步[10]。Shinozaki等人提出了一種機(jī)器人舞蹈隨機(jī)生成方法[11];Vircikova等人通過引入交互式進(jìn)化計算方法，實現(xiàn)了機(jī)器人舞蹈的自動生成[12]。

2 Yanshee機(jī)器人

Yanshee機(jī)器人是一種關(guān)節(jié)靈活、重心較低的雙足類人機(jī)器人（如圖1所示），適用于常規(guī)的機(jī)器人舞蹈研究。該機(jī)器人采用Raspberry Pi + STM32 開放式硬件平臺架構(gòu)，17個自由度的高度擬人設(shè)計，內(nèi)置800萬像素攝像頭、陀螺儀及多種通信模塊，配套多種開源傳感器包，提供開源軟件，支持BLockly、Python、Java、C/C++等多種編程語言。

3 機(jī)器人群舞的動作同步控制原理

一個機(jī)器人要表演舞蹈，需要執(zhí)行其預(yù)定義或動態(tài)生成的動作文件;而多個機(jī)器人表演群舞的關(guān)鍵在于：能夠同時驅(qū)動所有機(jī)器人同步執(zhí)行各自的動作文件。以時間為基準(zhǔn)，多個機(jī)器人通過在各自的空間位置上表演相同/不同的舞蹈動作，最終形成群體舞蹈。

為了同時驅(qū)動所有機(jī)器人同步執(zhí)行各自的動作文件，需要一個統(tǒng)一的同步動作控制平臺發(fā)送啟動指令，該控制平臺可以開發(fā)為手機(jī)App或者計算機(jī)程序。

在機(jī)器人群舞的動作同步控制中，其處理步驟為：（1）所有機(jī)器人預(yù)先存儲待執(zhí)行的動作文件;（2）所有機(jī)器人的IP地址已被同步動作控制平臺收集;（3）控制平臺與所有機(jī)器人處于同一網(wǎng)段，由控制平臺通過基于TCP協(xié)議的Socket通訊技術(shù)，連接上所有機(jī)器人;（4）每個機(jī)器人作為一個服務(wù)端，該控制平臺作為客戶端;（5）由控制平臺向所有機(jī)器人同時發(fā)送啟動動作指令，驅(qū)動所有機(jī)器人同時執(zhí)行各自的動作文件（由客戶端提出請求，服務(wù)端響應(yīng)），實現(xiàn)動作同步。其原理框圖如圖2所示。

上述控制平臺的同步控制流程圖如圖3所示：

4 Yanshee機(jī)器人群舞的動作同步控制實現(xiàn)

4.1 Yanshee機(jī)器人舞蹈姿態(tài)設(shè)計

為了實現(xiàn)Yanshee機(jī)器人群舞，首先需要進(jìn)行舞蹈姿態(tài)的設(shè)計。在設(shè)計過程中，需要熟悉Yanshee機(jī)器人各個舵機(jī)的活動范圍以及機(jī)器人重心的位置，避免傾倒。常規(guī)的Yanshee機(jī)器人舞蹈姿態(tài)設(shè)計的途徑有兩種：一種是使用廠商提供的Yanshee機(jī)器人App;另一種是使用Python語言編碼自行實現(xiàn)。

本文采用了Yanshee機(jī)器人App的方式設(shè)計舞蹈姿態(tài)。具體說，在該App中的回讀編程頁面完成Yanshee機(jī)器人舞蹈姿態(tài)的設(shè)計。在該頁面的初始狀態(tài)列表中，只有一個機(jī)器人站立的姿態(tài)，若要添加姿態(tài)，則需點擊“+”按鈕添加一個新的姿態(tài)。在該添加姿態(tài)界面中，首先可以選擇機(jī)器人的某個身體部位（如：左手、右手、頭、左腳、右腳）使其處于松弛狀態(tài)（正常狀態(tài)為“鎖止”），接下來可以根據(jù)該身體部位中各關(guān)節(jié)的運動范圍自定義關(guān)節(jié)狀態(tài)。在保證機(jī)器人不傾倒的情況下，手工為機(jī)器人設(shè)計出一個合適的舞蹈姿態(tài)，點擊“記錄+1”按鈕向列表中增加一個舞蹈姿態(tài)，當(dāng)需要添加多個舞蹈姿態(tài)時，可以重復(fù)上述操作來實現(xiàn)。這樣，多個舞蹈姿態(tài)構(gòu)成的序列，部署到一個時間軸后，可以形成一個舞蹈動作，而一個舞蹈動作的序列，則形成了一個舞蹈。

另外，在回讀編程中，可以進(jìn)行舞蹈姿態(tài)/動作的導(dǎo)入、刪除、復(fù)制、鏡像翻轉(zhuǎn)以及對其持續(xù)時間的修改等操作，也可以導(dǎo)入預(yù)設(shè)的音樂。當(dāng)完成所有姿態(tài)/動作的回讀編程后，可以點擊“預(yù)覽”查看舞蹈效果。最后，將設(shè)計好的機(jī)器人舞蹈以動作文件的方式保存在機(jī)器人系統(tǒng)指定的文件夾下，以便今后使用。

4.2 舵機(jī)校準(zhǔn)

機(jī)器人舵機(jī)的校準(zhǔn)，是實現(xiàn)Yanshee機(jī)器人群舞的基礎(chǔ)工作。它主要用于確保所有機(jī)器人的舵機(jī)處于同一水平下，以保證動作的整齊。

Yanshee機(jī)器人App提供了方便的舵機(jī)校準(zhǔn)功能，因此本文使用了該App實現(xiàn)該工作。在該App的舵機(jī)校準(zhǔn)界面中，通過選擇機(jī)器人全身舵機(jī)分布圖上某個舵機(jī)，再通過點擊加減號按鈕，就能對該舵機(jī)進(jìn)行校準(zhǔn)。

4.3 機(jī)器人群舞同步動作控制平臺

在完成舵機(jī)校準(zhǔn)后，建立了一個用于Yanshee機(jī)器人群舞的同步動作控制平臺，并部署在手機(jī)上。另外，還需要設(shè)計一個服務(wù)端程序，部署在每個Yanshee機(jī)器人上，用于從網(wǎng)絡(luò)上接收來自控制平臺（客戶端）的指令（請求），并執(zhí)行指令（請求）。

具體如下：首先，確?？刂破脚_所在的手機(jī)與所有機(jī)器人處于同一局域網(wǎng)中;其次，將需要控制的所有機(jī)器人的IP地址，依次輸入該控制平臺中，以便進(jìn)行控制平臺與所有機(jī)器人之間的連接;最后，在控制平臺上通過點擊按鈕，向所有機(jī)器人同時發(fā)送命令，同步驅(qū)動所有機(jī)器人執(zhí)行各自的動作文件。這樣，所有機(jī)器人就可以通過同步的方式，以某種隊列表演出群體舞蹈（如圖4所示）。

5 結(jié)束語

多個雙足類人機(jī)器人表演群體舞蹈，作為一種新興的人-機(jī)器人交互方式，不但發(fā)展了人工智能技術(shù)，而且豐富了人們的精神生活，因此對其開展有著重要的意義。本文以Yanshee機(jī)器人為載體，提出了一種基于動作同步控制的機(jī)器人群舞方法。盡管該方法能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人群舞的目標(biāo)，但仍在平衡控制、同步方式等方面存在一些有待改進(jìn)的地方。相信在未來，機(jī)器人群舞技術(shù)能得到不斷地發(fā)展、優(yōu)化，更好地應(yīng)用于情感陪伴與交流、醫(yī)療康復(fù)、教育輔助等方面。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】