助老服务机器人设计及仿人运动研究

针对老年人在日常生活中存在行动不便与认知障碍等问题,设计了一款操作简便、功能丰富的助老服务机器人。为降低助老服务机器人的操作难度,增强用户的体验性,通过建立人体手臂与机器臂的空间关节映射模型,实现了机械臂的仿人运动控制。首先,按照人体手臂与机械臂的结构及自由度分布情况初步建立人机关节映射模型,采用蒙特卡罗方法,对人体手臂和机械臂的工作空间进行仿真分析与对比。然后,针对人体手臂与机械臂在空间结构以及自由度分布上的差异导致的机械臂工作空间较小且无法完全复现人体手臂运动的问题,提出了相应的改进方案,并重新建立了人机关节映射模型;通过Kinect视觉传感器获取人体关节的空间位姿信息,并以人体左肩关节为原点建立人体坐标系,采用空间向量法及基于肘部约束的人臂逆运动学解法求解人体关节的位姿变化。最后,搭建了助老服务机器人仿人运动实验平台,对改进后的人机关节映射模型和相关控制算法的有效性及合理性进行了验证,实验结果表明关节重映射后机械臂能高度还原人体手臂的动作。研究成果对提高机器人的交互能力具有借鉴意义,对降低机器人的操作难度效果明显,也为后续研究更加复杂的仿人运动机器人奠定了基础。     

机器人双臂建模与击掌碰撞虚拟样机仿真

碰撞是仿人机器人研究的难点.今设计了5自由度仿人机器人上肢体,并且基于雅克比矩阵建立了速度运动学模型;基于拉格朗日能量函数法,建立了动力学模型;采用广义非线性等效弹簧阻尼模型,建立了碰撞动力学模型.参照人体特性,搭建了ADAMS虚拟样机仿真平台,进行了上肢体击掌动作仿真实验,开展了不同刚度系数值下的手部接触碰撞仿真.实验曲线表明动作仿人,角速度曲线满足正弦曲线形态;碰撞中,肘关节所受力矩最大;缓冲后,腕关节所受力矩大于肘关节.证明碰撞仿真平台有效,碰撞时应采用较小的仿真步长.     

基于任务规划的机器人运动学分析与仿真研究

针对机器人在复杂任务场景中的运动学问题及工作可靠性的需求,提出一种基于任务规划的机器人运动学分析方法。首先,介绍了机器人的任务场景,阐述相应的机器人末端轨迹;其次,采用D-H参数法对机器人进行运动学建模,求解相应的正、逆运动学算法;最后,利用机器人操作系统(ROS)完成实体机器人任务规划工作。结果表明,该方法相较于用示教器控制机器人,更符合复杂任务需求,降低了机器人拖动示教的难度,具有较好的稳定性和准确性。     

仿人机器人基本运动规划研究

仿人机器人步态规划运动的基本规律和运动过程中的稳定性国内外很多研究者做了详尽的分析,尤其是基于重心ZMP点调整的仿人仿人机器人步态得到普遍的研究.结合国内外研究方法的优缺点,基于目前ROBONOVA-1仿人型仿人机器人的结构设计和传感器系统的实际情况,对仿人机器人慢速前进后退,主要采用基于重心的步态规划方法进行研究。     

双臂机器人协作空间的解算

双臂机器人能极大的拓展机器人的活动能力,在空间科学领域中得到了越来越多的应用.双臂机器人工作空间的形状边界的精确计算在它的优化设计和应用中非常重要.本文针对一种双臂空间机器人的二维地面实验系统,给出了双臂的运动学模型.依据从关节空间到工作空间的运动学映射,采用蒙特卡洛方法分别建立每只操作臂的工作空间.在此基础上针对机器人双臂工作空间的公共区域即协作空间,采用计算机图形学理论中的射线相交方法加以分析计算,得到了协作空间的几何形状.     

基于人体动作识别的类人机器人动作模仿

基于模仿学习以及人机交互技术,借助Kinect深度相机传感器对类人机器人上半身动作模仿问题进行了研究。首先,将改进的D-H模型应用于NAO机器人的手臂完成了手臂运动学模型的精确建立及求解,解决了传统建模方法两相邻关节平行时出现的奇异性问题。其次,提出了一种改进的基于深度图像的手势识别算法,完成了对于示教者手势的判定及模仿,与传统基于彩色图像的手势识别相比,不受光照影响的同时提升了识别准确率,改进算法的平均识别准确率达到96.2%。最后将NAO机器人作为试验平台的实验表明:NAO机器人对于示教者上半身动作的实时在线模仿运动轨迹平滑且稳定,并且在抓取实验中也显现出了较好的准确性。     

老龄服务机器人外观形态设计的眼动评价

目的 在人口老龄化进程加快,老年人智能产品市场发展迅速的背景下,探索老年用户对服务机器人外观形态的情感偏好。方法 眼动评价是研究老年人视觉、情感认知的主要方法,以65岁为基本年龄的老年用户为对象,选取市场上现有的真人型、仿动物型、拟人型、拟物型4类老龄服务机器人的正面图片作为刺激材料,15名健康老年人作为被试者,以眼动追踪为主、主观问卷及心电为辅,3种测量手段相结合的方式进行实验,深入探讨被试者面对不同服务机器人外观形态设计要素时的生理及心理特征。结论 结合3种测量数据可知,老年用户对服务机器人头部形态的关注度更高,黑色更贴合老年人视觉的感官偏好,且真人型服务机器人外观形态更受欢迎。     

高灵活度仿人臂型七自由度冗余机器人的研究

基于新型ＰＩＴＣＨ－Ｒ０ＬＬ－ＹＡＷ关节，研制出一种高灵活度的新型仿人臂型七自由度冗余机器人系统。文中首先介绍了该机器人的机构与系统构成，然后进一步研究了运动学与工作空间，最后介绍了该机器人的应用前景。     

基于Internet的拟人双臂机器人遥操作系统的研究

为了解决多操作者-多机器人遥操作系统所存在的问题,减小网络时延对遥操作性能的影响,提出了一种基于Internet的"单机-单操作者-多人机交互设备-多机器人"的遥操作体系结构,并讨论了系统的各部分功能和基于虚拟斥力场的协调控制策略.根据作业空间和任务不同,提出了相应的分区控制方式,提高了工作效率.最后,进行了拟人冗余度双臂协调装配实验研究,验证了方法和系统的可行性.     

基于虚拟力反馈的7-DOF仿人臂逆运动学求解方法

提出一种新型障碍空间描述法。利用其构成的虚拟力场对仿人臂产生的扭矩及关节优化,实时选择一个冗余关节并求等效虚拟扭矩,以其构成力反馈控制该冗余关节。将6自由度逆运动学解法用于仿人臂其余6个关节。仿真试验结果表明,这种新型逆运动学解法具有理想的避障效果,同时简化了逆动力学的求解,它同样适用于超冗余度机器人。     

类人型机器人动作情感识别研究

目的 为优化人与机器人动作情感交互方式,研究类人型机器人动作单模态情绪表达的可识别性,探究类人型机器人动作情绪识别的影响因素。方法 以类人型机器人NAO为例,采用问卷调查的方式,基于离散情绪模型,获取机器人NAO动作表达情绪的识别性、效价和唤醒度,研究类人型机器人动作的情绪识别性、效价和唤醒度,基于认知匹配理论研究类人型机器人动作与真人模拟动作、真人自然动作情绪表达差异的影响因素。结果 人类能够通过类人型机器人动作的单模态情绪表达,在不同情感语义上进行比较细腻的情绪识别,机器人形态及动作的幅度、速度、力量是情绪识别的影响因素。结论 建立类人型机器人动作与情感语义、效价及唤醒度的关系模型,以及类人型机器人动作情绪能量图,为机器人情感表达和动作交互设计提供较为系统的参考模型。     

柔性仿人机械臂设计与动力学仿真

为优化仿人机器人手臂设计,基于Jourdain变分建立了刚柔耦合动力学模型;通过假设模态法对动力学方程进行解耦;编写了自适应变步长求解算法;在ADAMS虚拟样机和MATLAB上对水平面内的柔性手臂运动进行了仿真,人体手臂的运动仿真在虚拟样机进行．以人体手臂运动为参考,对比分析了变截面和等截面手臂的柔性变形,比较6种不同材质手臂运动中的末端横向变形量．仿真结果表明：等截面的仿人手臂运动可以近似等效为人体手臂的运动;柔性仿人手臂末端轴向变形量远小于横向变形量,对要求不高场合可以适当忽略柔性手臂的轴向变形;ABS材质的仿人机器人手臂柔性和人体手臂较为接近;改变ABS材质手臂的截面高度,可使得仿人手臂末端柔性和人体手臂一致,且振动主频和人体手臂固有频率不同．     

七自由度双臂协作机器人操作稳定性分析

为了验证七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的操作适应性和稳定性，以及提高机器人工作效率和协调性能，提出一种结合MATLAB和ADAMS的数值分析方法，对七自由度双臂协作机器人的空间运作模式进行分析和计算。首先，在Solidworks中建立七自由度双臂协作机器人的三维模型；然后，运用结合MATLAB和ADAMS的数值分析方法计算七自由度机械臂的运动学逆解；最后，运用基于虚拟动力学模型的控制方法，仿真七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的夹取与搬运作业，以验证运动学逆解和分析双臂作业的适应性和稳定性。由仿真结果得到：双臂到达目标位置的X向误差为0.6 mm，Y向误差为0.5 mm，Z向误差为0.9 mm；到达预设位置的平均误差为0.5 mm；双臂协同抓取目标物成功率可达99.1%。由此可见，七自由度机械臂的运动学逆解满足预期要求，七自由度双臂协作机器人在复杂环境下的操作适应性和稳定性有所增强。     

Methods for the Construction and Realization of a Humanoid Robot's Simulation Platform

This paper proposes a method of humanoid robot data structure definition based on the characteristics of a graph with tree structure. It applies the depth-first search algorithm to traverse and uses screw theory and chain of multiplication to describe the robot's postures. The platform references zero moment point theory as the stability constraint of the robot's dynamic walking and plans the gaits accordingly. It also realizes the visualization of motion control. This study provides superior means and methods to the evolution of a humanoid robot.     

双臂空间机器人协调运动的模糊基函数网络控制

该文研究了在本体位置不受控、姿态受控的情况下,漂浮基双臂空间机器人系统惯性空间协调运动的轨迹跟踪问题。针对存在外部扰动和未知系统惯性参数的情况,设计了一种基于模糊基函数网络的自适应调节控制方案。用模糊基函数网络对双臂空间机器人系统建模,利用鲁棒技术处理建模误差和外部扰动在内的不确定性。所提控制方案的特点是:不需要动力学方程中的惯性参数符合线性规律,也无需预知系统的惯性参数;同时可以利用学习规则在线自适应调节模糊基函数网络的所有权值和参数,因此控制方案是灵活的。该文稳定性分析证明了控制方案的全局稳定性和良好的轨迹跟踪性能。仿真算例表明了该方案能有效地控制双臂空间机器人的本体姿态和末端爪手协调地跟踪期望的运动轨迹。     

快递包裹码垛机器人设计与腿部功能仿真

目的设计一种快递包裹码垛机器人,以更好地完成快递包裹的分拣与码垛工作。方法通过Inventor软件建立整机三维模型,运用D-H齐次坐标变换矩阵建立其左前腿运动学方程,基于ADAMS虚拟样机技术对该快递包裹码垛机器人腿部结构进行结构优化,并对该机器人分别实施滚动式水平面行走、吸附式爬壁行走的功能特性进行深入分析。结果得出腿部优化设计变量对转角的敏感度,最终得到最佳腿部结构,大腿关节转角活动范围可达到27.34°,重心高度稳定在340 mm左右,重心稳定。结论仿真结果表明,该快递包裹码垛机器人具有机构设计合理、运动稳定可靠、动作灵敏等特点,为现有快递行业提供了一款节省人力及时间的劳动工具。     

The experimental humanoid robot H7: a research platform for autonomous behaviour

This paper gives an overview of the humanoid robot 'H7', which was developed over several years as an experimental platform for walking, autonomous behaviour and human interaction research at the University of Tokyo. H7 was designed to be a human-sized robot capable of operating autonomously in indoor environments designed for humans. The hardware is relatively simple to operate and conduct research on, particularly with respect to the hierarchical design of its control architecture. We describe the overall design goals and methodology, along with a summary of its online walking capabilities, autonomous vision-based behaviours and automatic motion planning. We show experimental results obtained by implementations running within a simulation environment as well as on the actual robot hardware.     

闭链双臂空间机器人动力学建模及力矩受限情况下载荷运动自适应控制

讨论了在输入受限的情况下,漂浮基双臂空间机器人抓持负载后转移目标过程中的建模与自适应控制问题。利用拉格朗日第二类方程建立了开链空间机器人系统动力学模型,之后结合闭链系统的闭环约束条件,获得了闭链双臂空间机器人系统的动力学方程。在这个基础上,考虑到双臂空间机器人及负载存在参数不确定,系统存在外部扰动及输入力矩有限的情况,设计了自适应控制方案,以完成对载荷位置和姿态运动的精确控制。由带饱和函数的控制律限制输入力矩,采用自适应控制器逼近系统的不确定度。方案中利用高精度滤波器估计系统速度及角速度,从而仅需测量其位置信息。通过Lyapunov方法证明了系统的稳定性。最后通过数值仿真实验模拟了平面双臂空间机器人转移目标过程,并证实了上述控制方案的有效性。     

下肢外骨骼助力机器人动力学建模及实验研究

下肢外骨骼助力机器人存在人?机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题,基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人,将其简化为七连杆结构,并结合步态平衡理论,采用牛顿?欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后,将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿?欧拉动力学迭代方程,求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后,开展ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）仿真实验和人机协同助行实验,通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较,验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明,通过采用牛顿?欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩,可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。