基于机器视觉的人机交互系统的设计

基于深度图像信息的获取与处理技术,实时性、鲁棒性较强,具有易于实现、交互性较好等优点.基于Kinect感应器的人机交互系统,可以实时捕捉深度图像和RGB图像,并运用Open NI和NITE技术框架,识别人体手势和关节运动姿态,最后将对应的操控指令发送至单片机执行,实现以自然体感的方式控制机器人.该系统易于实现、交互性较好,可以广泛应用于服务机器人、智能家居、工业控制等领域.     

面向创意舞蹈的交互多媒体系统

针对一次试验性舞蹈项目,设计开发了交互多媒体系统,根据舞蹈编导对每段舞蹈的不同需求,合作设计了多种交互手段,对舞者的动态进行运动捕捉和视频捕捉,并进行图像分析追踪舞者的动态.然后应用分析结果进行生成艺术创意,通过混沌艺术算法、图像处理方法和粒子系统物理模拟等方法实现舞蹈编导需要的视觉效果.最终通过多屏幕投影呈现给舞台,增强了其艺术效果和交互性.同时还对交互媒体创意过程中的合作和工作流程进行了探讨.     

用于人体关节角度捕捉的光纤角度传感器的研究

在分析现有的外骨骼机器人控制信号的拾取方法优缺点的基础上,设计了一种用于捕捉人体关节角度的光纤角度传感器.通过结构设计和理论分析,建立光纤输出端光功率与关节弯曲角度的数学模型.仿真结果表明,所设计的传感器输出信号对关节角度具有很好的线性度,可用于外骨骼机器人的角度控制的信号捕捉.     

基于运动相似性的仿人机器人上阶梯行走研究

提出了一种基于运动相似性的仿人机器人上阶梯行走设计方法.定义了人体与仿人机器人运动相似度,分析了时空协调特点及控制方法,从人体运动图像捕获与处理、相似性运动控制和约束与优化控制等方面提出了仿人机器人相似性动作规划系统;以仿人机器人相似性上阶梯行走为例,通过双腿支撑相与单腿支撑相划分了关键姿势与基本子相;同时,为解决固定的相似性运动轨迹难以满足可变环境的问题,根据实际阶梯参数设置了仿人机器人运动学约束、关节运动角度幅度约束以及零力矩点约束.实验结果表明该方法可以有效地实现仿人机器人相似性上阶梯行走.     

一种机器人轨迹跟踪控制的迭代学习方法

针对机器人轨迹跟踪控制,提出了一种改进的D型迭代学习控制律.通过推导得出在机器人操作臂轨迹控制中的开环迭代学习控制律,得出的控制律除了利用机器人的关节位置及关节速度信息外,还引入了机器人的关节角加速度.另外,利用控制律中的机器人关节角加速度构成的学习律在二关节操作臂上进行了试验并且与Arimoto等提出的D型学习律进行了比较,结果表明所提出的控制律具有较高的学习速度.     

飞行机器人电塔巡检视频关键帧提取预处理

针对架空输电线路飞行机器人巡检视频的关键帧提取问题,提出了一种地理信息、导航数据、航拍数据和相机参数相结合的关键帧提取预处理方法.首先通过将地理坐标系中的坐标转化到空间直角坐标系中,对地理信息进行处理;其次通过空间直角坐标系中的坐标转化成图像坐标系中的坐标,确定巡检目标在图像中的位置;最后通过判断巡检目标在图像坐标系下的位置以确定图像是否可以作为关键帧的候选帧.实验结果表明:提出的预处理方法在不降低从视频中提取出来的关键帧准确度前提下,减少了图像层面上的计算量,缩短了关键帧提取时间.     

机器人跟踪的迭代学习控制方法

针对机器人跟踪控制问题,提出一种改进的D型迭代学习控制律,给出迭代学习控制算法的充分条件和必要条件.该控制律除了利用机器人的关节位置及关节速度信息外,还引入了机器人的关节角加速度.利用控制律中的机器人关节角加速度构成的学习律在二关节操作臂上进行试验并且与D类学习律进行比较.仿真结果表明,该方法能大大提高学习速度,具有良好的控制性能.     

协助站起机器人的数据采集及协助力分析

对协助站起机器人的数据采集及协助策略进行了研究.采用基于单目视觉的站起动作无标志测量方法,用单摄像头取代需佩戴在用户身上的传感器或标记,获取站起动作过程中的人体关节点坐标及角度变化,为关节转矩计算提供输入数据.对减轻关节负担协助策略中的协助力进行了合理改进,同时考虑站起过程中关节转矩变化特点,建立了模糊系统.该系统以大腿与水平方向夹角作为输入,以便区分站起动作的完成程度,以两种协助站起策略在整个站起过程中的权重为输出,用以帮助用户在整个站起过程中减轻关节负担并保持身体稳定.     

一种轻型模块化协作机器人碰撞检测算法

为了实现人与协作机器人的安全协作,提出了一种不增加额外传感器和改变控制系统复杂性的碰撞检测算法.基于动力学模型和动量偏差构造了一个2阶外力矩观测器以实现对关节外力矩实际值的观测,并对观测值进行滤波处理,减小系统采样噪声对观测值的影响.考虑到关节外力矩包含外部碰撞力等效作用在关节上的力矩和谐波减速器产生的关节摩擦力矩,采用Stribeck摩擦模型对观测值中的关节摩擦力矩部分进行辨识,使观测值只受外部碰撞力影响.最后,基于一类轻型模块化协作机器人对该算法进行了仿真与实验,结果表明:观测值能够实时跟随外力矩变化,机器人正常运行时其保持在预设的阈值范围内,发生碰撞时发生突变超出阈值,从而验证了该算法的正确性.     

下肢外骨骼机器人的控制仿真研究

下肢外骨骼机器人是一种复杂的非线性系统,有效控制策略对于人机系统运动的协调一致性至关重要.本文基于外骨骼机器人的动力学分析,提出了下肢外骨骼机器人的控制系统设计,采用模糊PID控制算法,结合ADAMS和MATLAB/Simulink软件,分别以角度误差和关节力矩作为系统输入输出量,对下肢外骨骼机器人的动力学与控制进行联合仿真.仿真结果验证了所提控制算法的有效性,为保证人体与机器人之间的运动协调性和一致性的良好控制提供了理论依据.     

基于最小二乘法的步态机器人运动轨迹辨识

运动轨迹辨识是机器人研究领域中的一个热点问题,运用最小二乘法对步态机器人的运动轨迹进行研究.测量并计算了人体步态特征参数;在此基础上,通过曲线拟合的方法,为下肢各个关节部位建立相对应的数学模型,得到了步态机器人运动轨迹的整体数学模型;最后,利用得到的数学模型表达式验证了文中所提研究方法的可行性与有效性.     

基于HSV颜色空间的运动人体检测

结合帧图像中运动人体目标的颜色特征对视频中运动人体检测技术进行了探讨。采用HSV颜色模型,色调轴上在每个相似色区间内应用局部累加直方图法对图像的色调特征进行提取。而视频中运动人体目标有时为黑色或灰色,就需要利用色饱和度和亮度信息来匹配目标。     

机器人磨削个性化人工髋关节柄的方法与实验

人体髋关节髓腔具有S型的形状,并且具有个性化特征.现有标准型的直柄人工髋关节与病人髓腔匹配时将形成三点接触,降低了人工髋关节与病人髓腔的贴合度.利用病人的CT数据重建髋关节髓腔的三维模型,将该三维模型作为人工髋关节关节柄的设计模型,并利用机器人磨削技术将该关节柄复制到铜棒上,通过检测加工后的关节柄与三维模型的尺寸误差,验证机器人磨削个性化人工髋关节的可行性.实验结果表明,关节柄磨削完成后,在其上取断面进行测量,其与髓腔三维模型的最大误差为0.624 8mm.     

基于激光跟踪的V形坡口焊接机器人

介绍了激光跟踪焊接机器人的结构组成和工作原理。在分析了V形坡口焊缝空间位置和形状特征的基础上,采取结构光法标定焊缝图像。经过焊缝条纹图像处理,提取焊缝特征点,根据三角测量原理建立了特征点的三维坐标。通过建立图像空间到机器人末端焊枪的笛卡尔空间雅可比矩阵,计算出焊枪在基坐标下的位姿;利用机器人逆运动学方程,求得机器人各关节的位置值,最后由关节控制器控制各个关节的运动,实现了机器人V形坡口焊接的视觉控制。     

基于激光跟踪的V型坡口焊接机器人研究

介绍了激光跟踪焊接机器人的结构组成和工作原理。在分析了V型坡口焊缝空间位置和形状特征的基础上,采取结构光法标定焊缝图像,经过焊缝条纹图像处理,提取焊缝特征点,根据三角测量原理建立了特征点的三维坐标。通过建立图像空间到机器人末端焊枪的笛卡尔空间雅可比矩阵,计算出焊枪在基坐标下的位姿,利用机器人逆运动学方程,求得机器人各关节的位置值,最后由关节控制器控制各个关节的运动,实现了机器人V形坡口焊接的视觉控制。     

基于变换映射的多关节机器人工作空间分析方法

多关节机器人在实际制造过程中往往呈非正交性,这为工作空间的精确描述增加了复杂性。该文提出了一种基于变幻映射的多关节机器人工作空间描述方法。通过分析不规则体在某一平面上的变换映射,可以获得不规则体绕空间某一旋转轴旋转时的截面边界,利用该方式可以逐级求解多关节机器人的工作空间。对第一关节最大旋转角度达到2π的两自由度空间机器人工作空间进行了研究,利用变换映射的方法可以获得两自由度空间机器人工作空间截面。在两自由度机器人工作空间基础上采用变换映射以及集合的方式对第二关节最大旋转角度超过2π的三自由度空间机器人工作空间进行了描述。并且通过仿真实验证明该方法能有效、精确和快速地描述两、三自由度空间机器人的工作空间,对实际多关节机器人工作空间的分析有一定的参考价值。     

采用Matlab的六自由度机器人三维运动学仿真

对SA1400型六自由度工业机器人进行三维的运动学建模与仿真,建立机器人的正逆运动学方程,并得到正逆解.为验证方程及所求解的正确性,首先,使用Solidworks建立机器人各个部件三维模型;然后,用Matlab将所求得的正逆解编写为程序,导入机器人各部件,利用Matlab的三维绘图功能,以显示机器人的三维模型,并对机器人按轨迹运动的过程进行动态仿真,记录运动过程中机器人各关节角度值的变化,提示求解得到的不合理角度值和奇异点.结果表明:仿真过程较真实地模拟了实际机器人的运动情况,仿真结果达到预期目标,证明根     

基于误差分布特性的机器人闭链协调轨迹规划

针对机器人关节柔性误差提出利用误差分布空间描述操作精度的方法,耦合各关节的操作误差得到真实操作点在空间中可能存在的区域,进而得到机器人沿各个方向上的操作精度.给出了误差分布空间的计算方法,通过对低维误差空间的分段升维,解决了计算难度随维数指数倍增长的问题.研究了闭链协调操作过程中的误差分布特性,并基于误差分布空间分析了冗余度机器人关节自运动特性对闭链协调操作精度的影响.研究结果表明:同一操作精度对应的关节构型不唯一,且操作空间中误差最小值对应的关节角度并不连续.为此提出了一种基于最小二乘的误差极小化机器人轨迹规划方法,并通过仿真验证了该方法的有效性.     

未标定视觉伺服系统的动力学控制

针对具有动力学不确定性的未标定机器人视觉伺服系统,通过在机器人末端操作器上选取多个特征点,设计了一个基于机器人动力学的关节力矩控制器,使得特征点在图像平面上收敛到其期望值.首先,分别基于不含深度信息的图像雅可比矩阵和一组适当选取的机器人动力学参数,建立了摄像机和机器人动力学的线性参数模型.然后,在此基础上,进一步设计了摄像机和机器人动力学参数的在线自适应更新律,分析了系统的稳定性.最后,在一个三关节机械臂上进行了仿真实验,实验结果验证了该控制方案的良好控制效果.     

象棋机器人视觉识别算法研究

完成了象棋机器人的视觉识别算法研究,并进行了实验。对棋盘图像预处理,包括对棋盘图像颜色模型的研究、将彩色图像转换成灰度图像、利用均值滤波和中值滤波等方法对棋盘图像滤波、将灰度图像二值化等。利用图像分割算法进行了棋盘图像边缘提取等操作;利用改进的Hough变换对棋子的圆形和圆心进行定位,从而获得棋盘上的棋子位置,为棋子识别打下基础。针对象棋棋子图像特点提出了统计径向棋子像素的识别方法,首先利用数学形态学方法对棋盘图像进行细化处理,然后统计每个棋子的像素个数,从而实现棋子识别。实验结果表明,该方法能得到较好的识别率,而且对于任意角度的棋子像素值均具有保持不变的特点。该方法比较适合象棋机器人视觉系统。