基于导纳控制的社交机器人伴随与避障控制策略

目前社交机器人与目标人体并排行走（人体伴随与避障）时的运动控制策略的研究相对缺乏。为提升陪伴任务中用户的舒适度、机器人的运动柔顺度及其安全避障能力,本文提出了一种基于导纳控制的人体伴随与避障控制策略。首先,基于人机交互空间理论设计了交互力模型以构建人机动态交互关系,避免机器人侵犯目标人的亲密区域以提升目标人的舒适度;其次,将导纳控制模型与交互力模型结合,通过设置合理的导纳参数提升机器人运动控制的柔顺度;最后,引入行为动力学模型模拟人类的避障行为,以保障人体伴随任务的安全性。此外,提出了一组评价指标以验证伴随控制器的性能。根据仿真实验结果,在柔顺度方面,相较于PID法和虚拟弹簧模型（VSM）法,本方法下速度变化量分别降低69.6%和67.1%;在舒适度方面,机器人未给目标人带来不适;在安全性方面,本方法的避障失败率仅为10%,优于人工势场（APF）法和VSM法的40%和50%。实物实验中,机器人的柔顺度和舒适度指标均较好,避障失败率仅为5%,有效实现了安全友好的人体伴随与避障控制。     

虚拟人实时运动控制的研究

为在虚拟环境中再现逼真的人体运动,对虚拟人的实时运动控制进行了研究。简单阐述了对虚拟人体的几何建模和运动建模。在传统人体动画控制技术的基础上,提出了虚拟人行为的高、低两层控制策略,实现了虚拟人行为的智能化－－在低层运动控制部分,通过关键帧,正向、逆向运动学和简单动力学适当结合的多重控制技术对人体的关节直接控制,实现了周期地步行、跑步等移动动作;在高层运动控制中,研究了避免碰撞障碍物的路径规划和接近     

具有避障能力的虚拟人姿态优化算法

为了解决复杂环境下的虚拟人运动控制问题,提出一种基于人工势场的具有避障能力的虚拟人姿态优化算法.首先在虚拟环境中根据目标和障碍物建立人工势场,并对虚拟人运动链末端进行无碰撞路径规划;其次将规划后末端每个中间位姿的逆运动学计算问题表示为带位姿和无碰撞约束的舒适度函数优化问题,并进行求解;最后得到虚拟人运动过程中一系列连续的无碰撞姿态,实现自行避障的虚拟人运动控制.通过实例测试验证了文中算法的有效性,该算法可应用于复杂环境下的虚拟人动画和人机工程仿真.     

融合路径跟踪模式的多移动机器人有序化群集运动控制

针对多移动机器人群集运动的实现及其避障问题,提出了一类融合路径跟踪模式的有序化群集运动控制算法．该算法将有leader的群集运动模式与队列运动模式相结合,实现了多机器人系统快速聚合行为与有效避障行为的统一．移动机器人群仿真实验验证了该方法的有效性．     

新型蛇形机器人蜿蜒运动的动力学分析

为提高蛇形机器人执行各种运动的能力,研制了新型蛇形机器人系统．重点研究了该蛇形机器人的动力学．建立了机器人的运动学模型,并根据运动学模型提出了控制蛇形机器人蜿蜒运动的复合运动控制方法．用拉格朗日方法建立动力学模型,对不同参数下蛇形机器人的关节力矩特性和摩擦力特性进行了分析比较,为蛇形机器人的有效运动提供了理论依据．     

柔性关节机器人高精度自适应反步法控制

为实现多连杆柔性关节机器人的高精度运动控制,首先对其建立完整的动力学模型,包含了连杆和关节动力学的耦合项、LuGre动态摩擦模型和关节回差等因素．然后针对该模型设计带观测器的自适应反步法控制器,对不可测项进行在线估计和补偿．理论分析证明了观测器的收敛性和闭环系统的稳定性．该方法在一个3DOF（degree of freedom）柔性关节机器人上进行仿真,仿真结果验证了观测器的有效性,并表明该控制器能够降低连杆跟踪误差,实现良好的轨迹跟踪效果．     

虚拟人行走运动的研究与实现

该文对虚拟人行走的运动控制方法进行了研究,对人体行走过程进行了详细的分析。根据Bruderlin对行走过程的分析,该文对其进行了简化,把行走过程的支撑期和摆动期各分成两个阶段,即Heel_Strike阶段和Toe_Down阶段构成支撑期,Toe_Above_Toe阶段和Knee_Straighten阶段构成摆动期。然后,用关键帧、逆运动学和简单动力学相结合的运动控制方法,实现了逼真的虚拟人行走运动。     

基于逆运动学和动力学的虚拟人行走仿真

在计算机上模拟真实人行走是计算机仿真的一个基本问题。人体行走是一种伴随着碰撞、摩擦和滑动的复杂的系统运动,为了实现模拟的逼真性,需要着重在运动控制上进行研究。首先对人体行走进行分析并建立了简单的人体模型,然后详细给出行走过程中关节点位置的数学描述,最后采用逆运动学求解雅可比矩阵的方法并结合动力学知识,运用VC＋＋．NET和OpenGL为编程工具以骨架模型实现了虚拟人行走。     

女性束裤舒适性的凸肚体数字化修正

以女性凸肚体为研究对象,在保证人体穿着舒适度的前提下,采用NURBS曲线变形算法对腹部体型进行个性化数字修正。将修正后曲线用Hausdorff距离的误差评判方法与标准人体曲线对比,选出最优的束裤修正曲线。研究表明,该方法不仅能满足人体穿着舒适度,而且能更准确真实地再现凸肚体试穿束裤后的体型修正曲线,达到既舒适又美观的效果,从而为虚拟试衣决策提供重要的参考依据。     

三维人体模型构建

人体动画制作技术是计算机动画领域的研究热点和难点。在制作真实感人体动画时,除了要有真实的人体运动和灵活的运动控制方法外,还需要有逼真的人体造型和皮肤变形效果。本文给出计算机动画中的三维人体建模的一种算法,实现骨骼-皮肤动画,可以高效率创作出高度真实感的人体模型。     

基于两段式IK与关键帧的虚拟人运动控制

为提高网络虚拟环境中虚拟人运动控制的效率与显示效果,提出逆运动学和关键帧法相结合的虚拟人运动控制方法.在逆运动学中设计改进的CCD算法实现分阶段IK计算,因回溯路径的缩短,减少了计算量;在关键帧中插入由四元数插值法生成的中间帧,提高虚拟人运动的真实感;通过IK求解的关节旋转角不仅实现对姿态的逼近,还使关节更具有弹性;引入运动特征参量,可增强虚拟人动作模式的多样性.     

人体运动建模的实时逆运动学算法

人体运动的虚拟仿真及建模是当今计算机图形学研究的一个热点,而逆向运动学方法则是求解人体运动的一项关键技术.为了实现人体运动建模,提出一种新颖的基于人体关节约束的实时逆向运动学算法.首先基于骨骼长度改进了传统的循环坐标下降(CCD)算法,使其生成的运动效果更加流畅自然;然后引入生物分子运动模拟中的SHAKE算法,使短距离运动建模效果更加高效、鲁棒.在此基础上,提出了模拟多个节点同时运动的解析算法,以获得在多个关节点共同作用下的人体运动仿真效果.同运动捕捉的实测数据相比,采用文中算法所得的结果与在视觉效果上非常接近,并通过实验证实了其应用价值.     

面向人臂三角形动作基元的拟人臂运动学

对拟人臂的运动规划问题进行了研究.通过引入动作基元的概念,将动作基元空间作为连接任务空间与关节空间的桥梁,构建了一个"关节空间-动作基元空间-任务空间"的三级运动规划框架.这种规划方式既保证了对拟人臂运动过程的控制,又简化了复杂操作任务的运动规划.在抽象的动作基元基础之上提出了一个具体的人臂三角形模型,用以描述拟人臂的运动状态.通过引入拟人臂工作平面的概念,利用坐标变换与几何分析相结合的方法详细推导并建立了人臂三角形空间与任务空间和关节空间之间的正逆运动学,为基于人臂三角形的动作基元设计奠定了基础.最后通过仿真算例验证了运动学算法的有效性与可行性.     

基于Maya关键帧技术的虚拟人行走运动仿真

论文阐述了动画制作中的关键帧方法,人体骨骼关节原理以及分析了人体行走过程的重要特征。在此基础上．作者在Maya软件中运用关键帧技术和逆运动学相结合的方法,详细论述了虚拟人行走动画的制作过程,最终完成人体行走运动的仿真。     

Hybrid predictive dynamics: a new approach to simulate human motion

A new methodology, called hybrid predictive dynamics (HPD), is introduced in this work to simulate human motion. HPD is defined as an optimization-based motion prediction approach in which the joint angle control points are unknowns in the equations of motion. Some of these control points are bounded by the experimental data. The joint torque and ground reaction forces are calculated by an inverse algorithm in the optimization procedure. Therefore, the proposed method is able to incorporate motion capture data into the formulation to predict natural and subject-specific human motions. Hybrid predictive dynamics includes three procedures, and each is a sub-optimization problem. First, the motion capture data are transferred from Cartesian space into joint space by using optimization-based inverse kinematics (IK) methodology. Secondly, joint profiles obtained from IK are interpolated by B-spline control points by using an error-minimization algorithm. Third, boundaries are built on the control points to represent specific joint profiles from experiments, and these boundaries are used to guide the predicted human motion. To predict more accurate motion, the boundaries can also be built on the kinetic variables if the experimental data are available. The efficiency of the method is demonstrated by simulating a box-lifting motion. The proposed method takes advantage of both prediction and tracking capabilities simultaneously, so that HPD has more applications in human motion prediction, especially towards clinical applications.     

基于Maya关键帧技术的虚拟人行走运动仿真

论文阐述了动画制作中的关键帧方法,人体骨骼关节原理以及分析了人体行走过程的重要特征。在此基础上,作者在Maya软件中运用关键帧技术和逆运动学相结合的方法,详细论述了虚拟人行走动画的制作过程,最终完成人体行走运动的仿真。     

虚拟人运动建模中的逆向运动学方法研究

针对当前虚拟人运动建模中缺少环境约束这一问题,文中提出了一种基于环境约束的逆向运动学求解方法。主要研究了在环境约束下,如何运用逆向运动学方法使人体的步行运动更加真实直观。首先提出了人体的层次结构模型和关节模型,其次对CCD算法的实现方法进行分析,最后结合CCD算法提出一种在环境约束下调整人体步行运动的方法。解决了运动捕捉方法中动作单一的问题,使虚拟人能够根据环境信息调整现有的动作,最终能够使虚拟人在平坦地面的运动和上下台阶运动都更加灵活真实。     

基于LabVIEW的机器人运动算法实现与验证平台

本文提出了一种在LabVIEW中搭建的机器人运动算法和参数的验证平台,以小型五轴机器人为例,实现对其 进行D-H参数定义、逆向运动学算法验证、轨迹规划、实时运动仿真和实体控制的功能。