仿人机器人动作捕捉与运动再现的研究

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人类社会发展史可以说是人类对工具的创造发明史,当今人类使用的工具越来越多样化、智能化。但目前仍然有很多工作环境像核电站、矿井等对人体危害较大、危险性高,‘不适合人类直接在现场工作。而且全球人口增长率越来越低,甚至一些地区出现了负增长;老龄化越来越严重,劳动力严重不足。迫切需要一种能够代替人类在危险性较高的工作现场并能够胜任工作的设备。当前智能机器人的智力水平还远低于人类,无法完成复杂性高的工作。而仿人机器人,具有和人体结构和运动规律相似这一优势;能够将捕捉到的人体动作,很好的在仿人机器人身上实现再现。从而实现操作人员对设备的远程操作。而且操作人员,可以先后控制在不同工作场所的机器人或同时将人体动作在多个机器人上再现,提高工作效率。机器人技术是一个多学科交叉的综合系统。实体开发成本高、周期长而且进度缓慢。而虚拟样机技术与传统设计方法相比,能够在设计初期就确定关键的设计参数,设计过程中修改方案方便;可以实现缩短研发周期、降低成本以及提高产品质量的目的。所以,本文中的研究采用了虚拟样机技术。首先利用三维软件Pro/E建立仿人机器人系统的虚拟样机,之后将其导入到ADAMS中,并定义虚拟样机的材料属性以及各个关节的运动副。利用ADAMS和MATLAB进行联合仿真。使用V.M.SENS传感器捕捉人体动作数据。由于欧拉角有万向锁现象,所以不能利用V.M.SENS传感器直接获取欧拉角传递给虚拟样机;而是先获取关节运动的旋转矩阵,根据旋转矩阵与欧拉角之间的关系原理,利用MATLAB对数据做预处理,计算出人体各个关节的运动角度数据。将关节角度数据传递给虚拟样机,对比虚拟样机的运动效果与人体真实运动轨迹,观察虚拟样机的运动再现效果。通过实验对模型和参数进行反复修改,基本实现虚拟样机对人体关节运动较快速准确的跟随。当人体关节运动高速运动的时候,虚拟样机的跟随会出现一定的延迟现象。根据本文的实验结果可以得出结论,仿人机器人由于其结构特点能够较好的再现人体动作,实现人类对危险工作环境下的复杂设备的远程控制并能够提高劳动力利用率。
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