低分辨率红外感知系统的人体行为数据增强

针对目前公开的人体行为红外数据集较少的问题，本文设计了基于生成对抗网络和基于3D人体红外模型的两种数据增强方法，以快速扩充现有的红外人体行为数据集。搭建了改进的生成网络模型AC-WGAN并添加了网络优化策略，以生成高质量的红外热图；利用Unity 3D引擎搭建表征红外特征及运动信息的人体模型，模拟红外阵列传感器成像原理，实现了给定人体模型及传感器方位信息便能自动生成大量且多样化数据的功能。基于数据增强后的数据集训练和测试卷积神经网络，实验结果表明，网络对不同行为的感知准确度达到80%以上，且显著提高了网络对陌生数据的识别能力，所设计的数据增强方法对于扩充人体行为红外数据集有效。     

基于模型约束的人体姿态视觉识别算法研究

针对移乘服务机器人对人体姿态识别高精度性的要求,以及现有的人体姿态识别方法在关节遮挡情况下识别精度低的问题,提出了一种基于模型约束的人体姿态识别算法,以解决移乘操作前机器人系统对人体关节空间坐标的精确提取。首先采用OpenPose算法识别彩色图像中未遮挡关节的像素坐标,通过对RGB-D相机的彩色图像与深度图像进行对齐,将关节像素坐标转换为3D坐标。然后依据人体模型相关参数以及未被遮挡关节坐标计算与之相连接的被遮挡关节的空间坐标,用于提高遮挡关节的识别精度。实验结果表明,所提出的算法在关节未遮挡时识别精度为92%,在关节遮挡时达到了90%。单帧计算平均用时约为190 ms,满足移动服务机器人操作的实时性要求。     

混Ⅲ假人、GHBMC人体模型以及中国人体模型的正碰损伤差异

基于清华大学汽车碰撞试验室关于中国参数化人体有限元模型的研究,根据中国50百分位人体的参数生成了可用于碰撞仿真的中国50百分位人体模型,通过相同车型同一工况下的碰撞仿真分析,使用损伤响应分析和损伤风险曲线两种不同的评价方式研究了Hybrid Ⅲ假人、GHBMC有限元人体模型以及中国50百分位人体模型损伤响应的差异性。结果表明,相比中国50百分位人体模型,Hybrid Ⅲ 50百分位假人模型的颈部和胸部损伤风险更高,而GHBMC 50百分位人体模型的大腿损伤风险更低,分析结果揭示了两种乘员评价工具在评价基于保护中国人体而设计的乘员约束系统时的差异性和局限性。     

基于人机工程学的虚拟机械手臂运动控制方法

考虑到机械手臂在运动时会受到关节阻尼的作用,使手臂控制的全局稳定性降低的问题,提出一种基于人机工程学的虚拟机械手臂运动控制方法.首先,利用人机工程学构建人体模型架构,将其分为架构层、形态层与尺寸层,并以参数化形式描述表示;然后,通过解析人体模型获取各个关节的连接作用与功能,并计算虚拟机械手臂的运动坐标和运动矢量;再根据雅克比矩阵计算得到机械手臂末端的运动速度;最后,通过构建模糊逻辑系统得到控制模糊隶属度函数,并拟定为输入量输入至运动控制器内,完成对机械手臂的运动控制.     

虚拟操作仿真环境中基于运动捕获的虚拟人实时控制技术

为了提高复杂产品装配、拆卸操作仿真中虚拟人的驱动精度且满足交互实时性,在分析影响虚拟人实时驱动精度因素的基础上,系统地提出虚拟操作仿真环境中满足虚拟人实时驱动精度的解决方案及其关键技术.针对真人与虚拟人的尺寸差异影响驱动精度的问题,提出基于关节旋转信息,采用动态约束方式建立虚拟人实时运动控制模型,实现了个性化人体的驱动;针对实时驱动过程中驱动噪声导致人体动作失真进而影响驱动精度的问题,提出以人体关节极限角度和设置前后关键帧关节角度变化幅值为判断准则,对驱动噪声进行过滤;随后引入灰色系统理论建立驱动噪声补偿模型,实现对被过滤掉的缺失数据进行在线补偿.以某型发动机的虚拟装配为例,分析交互装配过程中虚拟人的实时驱动精度,结果表明上述方案满足驱动精度要求和交互实时性要求.     

改进隐马氏模型的运动人体模型学习

基于人体模型的跟踪方法易于实现视频的运动人体跟踪,而且利用较少的视频帧数即可学习获得人体模型。本文针对给出的视频提出了学习人体模型的学习算法。利用片图模型表示未经学习的人体,改进的隐马尔可夫模型(HMM)模拟人体在视频序列各帧间的运动,并使用机器学习方法对该改进的HMM进行推理,获取改进HMM的参数,从而获得所需的人体模型。学习得到的人体模型由包含颜色信息的各人体肢体模板组成。实验显示只用80~90帧包含有人体运动的序列图像,便可学习得到该运动人体的人体模型。结果表明,该学习框架效果明显,可用于快速学习视频序列中的运动人体模型,且可用于学习一人或多人的人体模型。     

基于神经-肌肉架构的仿生并联躯干柔顺控制

模仿动物躯干的构造搭建了六自由度仿生并联躯干。提出一种神经肌肉控制方法,通过控制虚拟肌肉的伸缩使仿生并联躯干在外力冲击下进行柔顺运动。建立了神经运动控制网络,根据非线性振荡器生成的节律信号规划了仿生并联躯干的运动轨迹。运用逆运动学求解了关节转角,按照转角信息控制电机带动仿生并联躯干运动。构建的虚拟肌肉模型在外力作用下驱动躯干关节产生顺应运动。仿真模型和并联躯干实体测试结果表明该方法可有效提高并联躯干的柔顺缓冲性和快速响应性。     

基于逆向人体建模技术的工作座椅设计方法

为研究座椅的尺寸参数及舒适性等人机工程问题,运用逆向工程技术获取了人体表面的点云数据,通过Pro/E软件进行了人体参数化模型的重构。以解剖学知识及我国成年人体尺寸为依据,对三维人体模型进行了结构划分,构建了多关节自由度的运动约束模型,并根据健康坐姿知识,快速生成了多百分位人体坐姿三维模型。对座椅主要几何尺寸进行了理论设计,并依据人体几何尺寸、边界条件、自然腰椎形状及健康坐姿要求绘制了座椅的正面及侧面轮廓图。为发挥工业设计软件快速生成模型的特点,以Rhino为平台,导入男性95百分位三维坐姿模型,进一步确定了座面、腰靠、肩靠、颈靠、2个扶手等6个与人体紧密接触部位的空间位置及基本几何形状,并对理论设计结果进行验证。运用NURBS曲面建模技术完善了座椅的形状设计,得到"人-椅"几何匹配模型,为工作座椅的进一步设计研究提供参考。     

虚拟装配中基于生理约束的虚拟手建模与抓持规划

为控制虚拟手准确合理地完成虚拟零件的抓握动作,以方便快捷地实现虚拟装配仿真,在深入分析人手的解剖结构和关节运动生理约束的基础上,提出利用层次结构并借助三维虚拟现实软件EON,建立虚拟手几何模型和实现抓持控制的方法.该方法将手指简化为三关节连杆结构,采用逆向运动学方法,针对待拾取零件的位置计算出在目标位姿下各运动关节的角度值.进而利用关节插值方法,以迭代的方式实现对手部关节链上各个关节的运动控制,仿真结果验证了上述方法的可行性与实时性.     

用于物料搬运和装配的合作机器人的关键技术研究

合作机器人(Cobot)是在同一作业空间内直接与人合作的机器人.为了实现 Cobot 与人合作,对 Cobot 的虚拟轨迹控制和不完全约束关节机构进行了研究.利用微分几何原理提出了 Cobot 的虚拟轨迹控制策略,建立了基于双超越离合器的不完全约束关节机构模型和关节机构的控制模型.研究结果表明,Cobot 的运动轨迹由计算机系统控制,Cobot 的被动约束特性由不完全约束关节机构实现.     

A METHOD OF HUMAN BIODYNAMIC MEASUREMENT BASED ON VIRTUAL MARKER TECHNOLOGY AND WAVELET ALGORITHM

A new method is reported for human biodynamic measurement, which includes an improved motion measurement system via virtual marker technology and a wavelet algorithm to extract muscle activities from electromyography signals in vivo. Four channels of electromyography signals and twelve virtual markers motion data were collected when the subject did a standard gait experiment. Then, a wavelet algorithm was used to process raw electromyography signals and to extract muscle activity features. The results demonstrated that the proposed method could shorten the motion measurement experiment time and improve the measurement accuracy. The proposed wavelet algorithm could efficiently extract muscle activity features from electromyography signals. The reported method may be potentially used for the human biodynamic research and clinical biomechanics. Possible further improvements for this method are also discussed.     

基于整数编码遗传算法改进的起重机主梁优化

轻量化是起重机的发展趋势之一,利用优化技术减轻主梁质量是其关键而有效的方法之一。首先,综合考虑主梁设计模型中变量的离散性与连续性以及各类约束,对传统主梁优化模型进行了补充与改进;然后,对传统的整数编码遗传算法进行了改进,保留了选择、交配、变异操作产生的群体,扩大了搜索空间,能够处理新的主梁优化模型中设计变量取值区间不同、变量间有约束的情况;最后,以浙江省某企业的QD型起重机为实例,利用改进的整数编码遗传算法对主梁进行了优化求解,同时通过与现有算法的比较,优化模型的有效性和算法的收敛稳定性得到了验证。     

基于断层图像的RP三维重构中层间轮廓线性插值算法

断层轮廓的层间插值可以减小相邻层间距,一方面使断层轮廓数据能直接用于快速成形,实现RE／RP的直接集成;另一方面可以增大相邻层轮廓间的相似性和重叠度,保证重构结果的正确性。层间轮廓插值主要采用线性插值法。在研究层间轮廓线性插值各种插值点对建立方法的基础上,提出了一种改进的线性插值算法,并以此为基础研究了轮廓分裂分支处理后的独立分支和连通分支的层间轮廓线性插值方法,能有效地在分支轮廓处进行层间线性插值。该算法经应用后表明是可行的,且可靠性较高。     

Dynamic and motion consistency analysis for a planar parallel mechanism with revolute dry clearance joints

The aim of the research was to introduce a methodology for dynamic response and motion consistency research on multibody system with multiple revolute clearance joints. An improved impact force model and a modified friction force model were introduced to evaluate the effects of impact and friction in clearance joints. A planar parallel mechanism which has two clearance joints in the left wing and the right wing was also used as an example. From the results based on different conditions, clearance has slight influence on the angular displacement and angular velocity, but obvious effect on angular acceleration. And with same clearance values of left wing and right wing, the motion consistency of the parallel mechanism is very good, which means the dynamic response of two wings is almost symmetrical. When the two clearance joints have different clearance values, the motion consistency and relative error between two wings are much obvious, especially the angular acceleration.     

基于UG和ADAMS的机械手三维实体仿真

为了方便、准确地对所设计的复杂机械手进行运动仿真分析,利用UG软件强大的建模功能对六自由度机械手进行三维实体建模,然后通过UG和ADAMS良好的数据接口将模型数据直接导入ADAMS,根据实际设计要求添加相关约束,在此基础上进行运动仿真,研究机械手各机构关节的运动,测量各个关节的角位移、速度和加速度的变化情况,通过观察各机构的运动轨迹以及相关曲线的变化趋势,对设计阶段的产品进行虚拟性能测试,以便及时发现设计中存在的问题并进行改正。     

METHOD TO IMPROVE DYNAMIC TRACKING ABILITY OF SPOT WELDING MANIPULATOR WITH HEAVY PAYLOAD

To improve the dynamic tracking ability of spot welding manipulator with heavy payload, a new programmable motion controller, which can provide software and hardware supports for several kinds of control algorithms, is developed first. Then, a decentralized adaptive control algorithm is used to compensate the coupling between the manipulator joints, and the algorithm is easy to implement based on the motion controller. Finally, experiments demonstrate that, compared with the traditional PID, the dynamic tracking ability of the manipulator can be obviously improved with this algorithm.     

基于混合优化算法的曲线曲面优化设计方法研究

利用传统能量法建立曲线优化数学模型,设定约束条件并在此基础上改进能量法,同时结合遗传算法及蚁群算法的优点,建立一种新型的优化算法,把这种优化算法应用到实际人体背部曲线曲面优化中,通过实例验证,得到了较好的结果,并与其它算法做比较,证明其有效性.     

Benchmark results on the linearized equations of motion of an uncontrolled bicycle

In this paper we present the linearized equations of motion for a bicycle as, a benchmark The results obtained by pencil-and-paper and two programs are compaied The bicycle model we consider here consists of four rigid bodies, viz a rear frame, a front frame being the front fork and handlebar assembly, a rear wheel and a fiont wheel, which are connected by revolute joints The contact between the knife-edge wheels and the flat level surface is modelled by holonomic constiaints in the normal direction and by non-holonomic constraints in the longitudinal and lateral direction The rider is rigidly attached to the rear frame with hands free from the handlebar This system has three degrees of freedom, the roll, the steer, and the forward speed For the benchmark we consider the linearized equations for small perturbations of the upright steady forward motion The entries of the matrices of these equations form the basis for comparison Three diffrent kinds of methods to obtain the results are compared pencil-and-paper, the numeric multibody dynamics program SPACAR, and the symbolic software system AutoSim Because the results of the three methods are the same within the machine round-off error, we assume that the results are correct and can be used as a bicycle dynamics benchmark     

高鲁棒性两阶段激光雷达惯性测量单元外参在线标定算法

针对车辆在近似平面上运动时,退化的传感器数据难以标定外参的问题,提出了一种高鲁棒性两阶段激光雷达惯性测量单元(LiDAR-IMU)外参在线标定算法。标定算法包括剔除外点的解析解初值计算和非线性滑窗在线迭代优化两个阶段。第一阶段剔除预数据集中的外点,以滑动窗口的形式多次求解只包含旋转分量的手眼标定模型,并改进解析解筛选的条件,求解出多解加权旋转外参的SVD解析解。第二阶段最小化包含外参的残差函数,以旋转解析解为初值滑动窗口迭代优化六自由度外参,使外参快速收敛,并在退化运动和错误历史约束过大时固定外参,避免外参退化。与原始算法对比,该算法对退化的传感器数据具有鲁棒性,可在无外参初值的情况下实现精准鲁棒地在线标定外参。     

基于工作空间的踝关节康复广义球面并联机器人运动学参数优化

为了解决现有踝关节康复机器人难以完全拟合人体踝关节运动的问题,在仿生学的基础上,提出了一种高匹配度的踝关节运动串联拟合模型,并研发了一款新型的三自由度广义球面并联机器人。为研究该并联机器人的拟合能力,基于螺旋理论分析了其自由度特性,建立了机构的运动学模型,并在逆运动学的基础上阐明该机器人具有部分解耦特性。根据机器人具有双球心的特点,求解了动球心和动平台可达工作空间。最后,以踝关节运动拟合模型的工作空间与机器人的工作空间的匹配度为目标函数,采用遗传算法对运动学参数进行了优化。对比研究机器人与模型的工作空间散点图,并求得有效工作空间比分别为0.79和0.86,结果表明优化后的广义球面并联机器人工作空间能够满足踝关节的运动要求。