基于動作同步控制的Yanshee機器人群舞

胡凈皓 吳珅銳 汪海濤 彭華

摘要：機器人舞蹈是人工智能研究中的重要領域，它有機融合了科學與藝術。讓多個機器人實現群體舞蹈，不僅有助于發展機器人的協作以及與環境協調的能力，還能夠為未來家庭提供新的人-機器人交互方式。本文以Yanshee機器人為載體，提出了一種基于動作同步控制的機器人群舞實現方法。

關鍵詞：動作同步;Yanshee機器人;群體舞蹈

中圖分類號：TP242? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）06-0089-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

人工智能技術日益發展的今天，給人們的生活帶來了翻天覆地的變化。機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。作為社會機器人的一種，舞蹈機器人也逐漸受到人們的重視，在情感陪伴與交流、醫療康復、教育輔助中發揮著重要作用。

機器人舞蹈是以機器人作為載體，以舞蹈作為蘊含內容的一種藝術表現形式[1]。從不同的視角，機器人舞蹈可以劃分為多個種類。如：從參與舞蹈的機器人數量來分，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、現代舞、古典舞等。

讓多個機器人實現群體舞蹈，相比單個機器人來說，具備更為充足的舞蹈表現力，但從技術上來說也更為復雜，涉及多個機器人的動作同步控制。對機器人舞蹈開展研究，不僅有助于提升機器人的協作以及與環境協調的能力，還能夠為未來家庭提供新的人-機器人交互方式，進而推動人工智能技術的發展。

1 研究現狀

縱觀國內研究，機器人舞蹈的相關研究較少。李菁等人從人文社科的角度，綜述了機器人舞蹈的定義、現狀與研究意義[1]。鄭萬通等人以人類舞蹈動作為基礎，利用 C 語言實現了仿人機器人舞蹈動作[2]。郗俊杰提出了一種基于事件驅動的多機器人舞蹈動作協作控制方法[3]。廈門大學周昌樂教授團隊，系統地對機器人舞蹈生成方法開展了研究：提出了一種基于姿態關系特征的機器人舞蹈生成方法[4]，構建了一種基于深度學習方法的機器人舞蹈生成系統[5]。

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

2 Yanshee機器人

Yanshee機器人是一種關節靈活、重心較低的雙足類人機器人（如圖1所示），適用于常規的機器人舞蹈研究。該機器人采用Raspberry Pi + STM32 開放式硬件平臺架構，17個自由度的高度擬人設計，內置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 機器人群舞的動作同步控制原理

一個機器人要表演舞蹈，需要執行其預定義或動態生成的動作文件;而多個機器人表演群舞的關鍵在于：能夠同時驅動所有機器人同步執行各自的動作文件。以時間為基準，多個機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。

為了同時驅動所有機器人同步執行各自的動作文件，需要一個統一的同步動作控制平臺發送啟動指令，該控制平臺可以開發為手機App或者計算機程序。

在機器人群舞的動作同步控制中，其處理步驟為：（1）所有機器人預先存儲待執行的動作文件;（2）所有機器人的IP地址已被同步動作控制平臺收集;（3）控制平臺與所有機器人處于同一網段，由控制平臺通過基于TCP協議的Socket通訊技術，連接上所有機器人;（4）每個機器人作為一個服務端，該控制平臺作為客戶端;（5）由控制平臺向所有機器人同時發送啟動動作指令，驅動所有機器人同時執行各自的動作文件（由客戶端提出請求，服務端響應），實現動作同步。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機器人群舞的動作同步控制實現

4.1 Yanshee機器人舞蹈姿態設計

為了實現Yanshee機器人群舞，首先需要進行舞蹈姿態的設計。在設計過程中，需要熟悉Yanshee機器人各個舵機的活動范圍以及機器人重心的位置，避免傾倒。常規的Yanshee機器人舞蹈姿態設計的途徑有兩種：一種是使用廠商提供的Yanshee機器人App;另一種是使用Python語言編碼自行實現。

本文采用了Yanshee機器人App的方式設計舞蹈姿態。具體說，在該App中的回讀編程頁面完成Yanshee機器人舞蹈姿態的設計。在該頁面的初始狀態列表中，只有一個機器人站立的姿態，若要添加姿態，則需點擊“+”按鈕添加一個新的姿態。在該添加姿態界面中，首先可以選擇機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（正常狀態為“鎖止”），接下來可以根據該身體部位中各關節的運動范圍自定義關節狀態。在保證機器人不傾倒的情況下，手工為機器人設計出一個合適的舞蹈姿態，點擊“記錄+1”按鈕向列表中增加一個舞蹈姿態，當需要添加多個舞蹈姿態時，可以重復上述操作來實現。這樣，多個舞蹈姿態構成的序列，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，可以進行舞蹈姿態/動作的導入、刪除、復制、鏡像翻轉以及對其持續時間的修改等操作，也可以導入預設的音樂。當完成所有姿態/動作的回讀編程后，可以點擊“預覽”查看舞蹈效果。最后，將設計好的機器人舞蹈以動作文件的方式保存在機器人系統指定的文件夾下，以便今后使用。

4.2 舵機校準

機器人舵機的校準，是實現Yanshee機器人群舞的基礎工作。它主要用于確保所有機器人的舵機處于同一水平下，以保證動作的整齊。

Yanshee機器人App提供了方便的舵機校準功能，因此本文使用了該App實現該工作。在該App的舵機校準界面中，通過選擇機器人全身舵機分布圖上某個舵機，再通過點擊加減號按鈕，就能對該舵機進行校準。

4.3 機器人群舞同步動作控制平臺

在完成舵機校準后，建立了一個用于Yanshee機器人群舞的同步動作控制平臺，并部署在手機上。另外，還需要設計一個服務端程序，部署在每個Yanshee機器人上，用于從網絡上接收來自控制平臺（客戶端）的指令（請求），并執行指令（請求）。

具體如下：首先，確?？刂破脚_所在的手機與所有機器人處于同一局域網中;其次，將需要控制的所有機器人的IP地址，依次輸入該控制平臺中，以便進行控制平臺與所有機器人之間的連接;最后，在控制平臺上通過點擊按鈕，向所有機器人同時發送命令，同步驅動所有機器人執行各自的動作文件。這樣，所有機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 結束語

多個雙足類人機器人表演群體舞蹈，作為一種新興的人-機器人交互方式，不但發展了人工智能技術，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機器人為載體，提出了一種基于動作同步控制的機器人群舞方法。盡管該方法能夠實現機器人群舞的目標，但仍在平衡控制、同步方式等方面存在一些有待改進的地方。相信在未來，機器人群舞技術能得到不斷地發展、優化，更好地應用于情感陪伴與交流、醫療康復、教育輔助等方面。

參考文獻：

[1] 李菁，彭華，周昌樂.機器人舞蹈淺議[J].藝術評論，2016（2）：148-151.

[2] 鄭萬通，仉俊峰，王東，等.仿人機器人舞蹈動作的研究[J].自動化技術與應用，2015，34（10）：134-137，145.

[3] 郗俊杰.多智能雙足機器人的動作控制及協作研究[D].西安：西安電子科技大學，2012.

[4] 彭文耀，吳瑞琪，晁飛，等.一種基于姿態關系特征的機器人舞蹈生成方法[J].廈門大學學報（自然科學版），2019，58（5）：774-780.

[5] 楊錦隆，施明輝，晁飛，等.基于深度學習進行動作模仿的舞蹈機器人[J].廈門大學學報（自然科學版），2019，58（5）：759-766.

[6] Kosuge K，Hirata Y.Human-robot interaction[C]//2004 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics.August 22-26，2004，Shenyang，China.IEEE，2004：8-11.

[7] Kosuge K，Hayashi T，Hirata Y，et al.Dance partner robot - Ms DanceR[C]//Proceedings 2003 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems （IROS 2003） （Cat.No.03CH37453）.October 27-31，2003，Las Vegas，NV，USA.IEEE，2003：3459-3464.

[8] Kosuge K，Takeda T，Hirata Y，et al.Partner ballroom dance robot-PBDR-[J].SICE Journal of Control，Measurement，and System Integration，2008，1（1）：74-80.

[9] Nakazawa A，Nakaoka S，Ikeuchi K，et al.Imitating human dance motions through motion structure analysis[C]//IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.September 30 - October 4，2002，Lausanne，Switzerland.IEEE，2002：2539-2544.

[10] Michalowski M P.Rhythmic human-robot social interaction[D].Ph.D. dissertation， Robot. Inst.， Carnegie Mellon Univ.， Pittsburgh， PA， USA， 2010.

[11] Shinozaki K，Iwatani A，Nakatsu R.Construction and evaluation of a robot dance system[C]//New Frontiers for Entertainment Computing，2008.

[12] Vircíková M，Sincak P.Dance choreography design of humanoid robots using interactive evolutionary computation[C]//in Proc. 3rd Workshop Young Researchers Human-Friendly Robot.， 2010.

【通聯編輯：唐一東】