仿人机器人三维实时仿真系统的研究与实现

利用仿真来研究、分析和检验仿人形机器人在步行过程中的受力,对于改进和提高它的步行控制方法具有非常重要的意义。本文首先介绍了作者用OpenGL图形库开发仿人形机器人三维实时仿真系统和全方位观测技术,然后通过分析环境作用力对机器人的影响,提出了在点支撑、线支撑和面支撑三种模式下,机器人的平衡条件和失稳时翻转的旋转轴及旋转速度的求解方法;最后将上述方法应用到机器人三维实时仿真系统中,实现了仿人形机器人控制的可视化,为仿人形机器人研究提供了强有力的手段。     

仿青蛙跳跃机器人运动学研究

提出了仿青蛙跳跃机器人机构模型及运动学研究的方法。基于对青蛙运动的研究,提出了仿青蛙机器人单侧跳跃机构的分析模型,采用D-H法,建立了机器人起跳与腾空两个阶段,其前肢和后肢的运动学方程,进行了正、逆运动学研究。分析机器人四肢的运动空间,并通过实例计算,验证了研究结果和生物学实测结果相一致,从而证明了这一仿生跳跃机构模型的可行性和仿生机构运动研究方法的有效性。得出的结论将为仿青蛙跳跃机器人的设计及控制提供理论基础。     

模糊控制策略在避碰运动系统中的应用

目前多机器人避碰运动已经被广泛研究,其控制策略也多种多样.主要解决基于全景视觉传感器的多机器人多目标系统中机器人之间以及机器人和静态障碍物之间的避碰问题,提出了单个自主运动机器人的结构模型、自主机器人周围物体的态势模型以及移动机器人动态速度的快速检测方法.机器人的运动决策采用基于Step-Forward策略的模糊推理机制,实现机器人在动态环境中快速、准确的找到一条无碰撞的路径,最终达到目标点.仿真结果表明了该算法应用于移动机器人在动态复杂环境中的无碰撞运动具有正确性、实用性和智能性等优点,同时该算法计算量小,运算速度快,提高了机器人控制的响应速度.     

图像反馈机器人视觉伺服系统仿真

机器人视觉伺服系统的研究是机器人领域中的重要内容之一，其研究成果可以直接用于机器人自动避障、轨线跟踪和运动目标跟踪等问题中。分析了基于图像雅克比矩阵的机器人视觉伺服方法的基本原理，通过创建子系统(sub-system)使得Marlab和Simulink有机结合，基于机器人Matlab仿真工具箱(Robotics Toolbox for Matlab)实现了六自由度Motoman-SV3工业机器人图像反馈视觉伺服系统的Simulink模型。采用该模型进行了机器人跟踪三维空间螺旋运动目标的仿真实验，结果验证了该方法的有效性。     

仿生双眼前庭动眼反射的控制模型研究

在眼球运动生理神经学和解剖学的基础上,对双眼的前庭动眼反射神经回路及其运动机能进行了分析研究。简化复杂的眼球运动神经回路,建立双目前庭动眼反射模型数学模型。该模型包括旋转前庭动眼反射和平移前庭动眼反射。最后,通过仿真试验,验证该模型有效。     

仿人跑步机器人的控制与仿真

提出了仿人跑步机器人在跑步时关节力矩控制和前向速度控制的方案.对于机器人关节力矩的控制,通过推导机器人的三维动力学方程以及机器人质心和双脚的轨迹,采用阻抗控制的方法实现;对于机器人前向跑步速度的控制,通过在起跳阶段起始时刻调节"虚拟腿"与铅垂线的夹角实现,这种控制方法的优点是简单易行.最后采用虚拟样机软件ADAMS建立了仿人跑步机器人的三维模型,通过仿真证明了这种方法的有效性.     

基于基本变量集的仿人机器人在线运动规划

仿人机器人在线规划方法对于其走向实际应用具有重要作用.通过对仿人机器人运动规划方法的调研以及实时性需求分析,提出了一种基于基本变量集的仿人机器人在线规划方法.该方法将运动规划问题转化为反映机器人运动状态的基本变量集的规划问题,通过对基本变量的规划和计算,得到基于关节空间的运动状态序列.该基本变量集包含零力矩点、仿人机器人重心(CoG)、髋部中心(CoC)、脚掌位置及相关关键姿态关系,所提方法结合仿人机器人动力学约束和物理约束,给出了关键变量集的规划和计算方法.最后,通过仿真实验,对规划结果的可行性进行了验证,实现了仿人机器人的稳定行走.     

水下机器人半实物运动仿真系统的设计

通过对水下机器人体系结构中的控制层进行实物仿真和对感知层以及执行层进行虚拟仿真相结合的方法建立了水下机器人半实物运动仿真系统,该仿真系统不仅能够对整个系统的软件逻辑进行测试,同时能够对水下机器人控制系统的硬件体系、数据接口、可靠性都进行验证。详细阐述了水下机器人半实物运动仿真系统的硬件和软件体系结构,并对虚拟仿真中的水动力仿真、运动传感器仿真以及实物仿真中的运动控制系统的设计进行了说明。最后通过远距离航行仿真试验和避碰仿真试验证明了所设计的水下机器人半实物运动仿真系统对实际海试具有重要的参考价值。     

基于Unity3D的水下机器人半实物仿真系统

基于Unity3D研制了一种由地面控制终端、机器人本体和三维仿真系统3部分组成的水下机器人半实物仿真系统,为水下机器人开发过程中的性能测试、控制算法分析和人员操作培训提供了仿真和测试平台。该系统采用同一地面控制终端作为三维仿真系统和机器人控制系统的统一指令输入源,以实现虚拟对象和机器人本体的同步工作,可对系统进行实时监测、调参。采用多目视觉技术对机器人位置采集,对传感器数据进行卡尔曼滤波处理。机器人运动仿真试验结果表明,机器人实际运动路径和仿真规划路径基本相同,该系统动态响应性和控制系统同步性较好。     

机器人/视觉系统非标定的平面运动跟踪

研究机器人与未标定关系的视觉传感系统之间的协调控制策略,其中目标运动及机器人跟踪运动均限定在二维工作平面。摄像机固定在工作区域中,它与机器人坐标系和工作平面之间的关系未知。机器人运动由摄像机观察到的上一控制周期中规划的手运动及目标当前位置决定,机器人与视觉系统之间的协调与它们两者之间的标定关系无关。文末的仿真显示了这一方法的有效性。     

基于物理模型的特定人脸模型与表情动画模型

人脸造型与人脸表情动画的研究是计算机图形学领域中的一项热门课题,其模型的建立是构建人脸表情虚拟系统的一个重要基础,该系统可广泛地应用于虚拟环境、可视电话、远程教育等系统中。本文根据人脸生理结构的特点,先将人脸表面分成若干块、进而运用弹性形变原理,分析了脸部各块的形变规律,提出了一种将一般人脸模型变换为特定人脸模型的变形模型,而后又以眼睛为例,分析了“眨眼睛”的物理运动规律,为其建立了表情动画模型。在此基础上我们开发了一个实际的人脸造型与表情动画系统,运用该系统生成的特定人脸及表情动画自然、真实,结果令人满意。     

自主交会对接中运动参数的测量

探讨了基于双目测量系统实现自主交会对接中运动参数的一种测量方法。通过对系统数学模型的误差分析,确定标志点的检测精度是影响测量误差的主要因素。将系统中的标识点配置为圆形,利用最小二乘准则精确地估计标志像点的圆参数,以提高运动参数的测量精度。仿真实验中圆参数的估计可以达到亚像素的检测精度,验证了算法的有效性。     

三维地形中人体运动生成方法

给出了一种适应于三维地形的虚拟人体运动控制方法。首先提出了一种新的足迹生成方法，然后以足迹作为约束，基于简化的三段运动模型，分别用不同的方法生成各部分运动：用曲线拟合身体质心运动轨迹；采用增加约束条件的逆运动学方法生成下肢运动；采用正向运动学插值方法生成上肢运动。综合人体的质心运动、下肢运动和上肢运动，合成了和谐的人体运动。最后，介绍了部分实现与实验结果。实验表明，该方法实时性好，逼真性高，适用于实现复杂三维地形环境中实时三维人体运动的生成与控制。     

一种基于眼球结构的视线映射几何模型设计

为解决视线追踪系统中视线方向计算精度受用户头动的影响,在立体视觉的基础上设计了一种基于眼球结构的视线映射几何模型。在眼球模型结构基础上,利用普尔钦斑与光源位置计算得到了角膜曲率中心,通过它与瞳孔中心的连线求得眼球光轴,并利用光轴和视轴之间的夹角计算得到了真实的视线方向—视轴。研制了一种双摄像机环形红外光源,通过交替照射用户脸部,可在任意一个摄像机得到"亮瞳"和"暗瞳"的相邻两帧图像。将这两帧图像做差得到瞳孔位置,采用椭圆拟合方式求得瞳孔中心,加之在"暗瞳"图像上得到的普尔钦斑中心,为模型的计算提供了参数,实验结果证明该模型能解决头动对视线计算精度的影响。     

基于运动生物力学的三维人体运动模型

针对三维虚拟仿真中人体模型标准定义不统一的问题,从运动生物力学的角度出发,提出了层次化建立人体运动模型的方法。首先将人体运动中的关节进行了分类,然后描述了一种通用的人体模型并定义了其数据结构。对手、足、脊柱等具有特殊运动特性的器官进行了单独分析和定义。这一人体模型表示方法在具有生物力学特性的人体运动表示中有较好的通用性。     

视景仿真中车辆在不同路面上运动状态的研究

在视景仿真中,通常对地形的属性考虑的较少,或者在同一视景中只考虑一、两种不同种类的路面。对于车辆在不同路面上的运动状态也涉及的不多。介绍了车辆在不同种类平地上的直线运动原理,分析了在不同作用力下车辆的直线运动状态。针对该过程建立了仿真模型,并为车辆模型进行视景仿真制作了程序流程图。通过区域划分实现了车辆对不同种类路面的判断。通过对车辆模型中DOF节点的控制,实现了车辆打滑的姿态。最后通过VC 和OpenGVS编程来实现该过程的视景仿真。     

协同虚拟维修过程中的虚拟人体维修操作控制

针对操作人员难以在有限的光学运动捕捉设备捕捉范围内自由运动的问题,开展了协同虚拟维修过程中的虚拟人体维修操作控制研究。基于光学运动捕捉设备对操作人员的下肢动作进行捕捉,根据实时识别结果控制虚拟人体进行大范围运动。针对维修操作过程中的虚拟人体手部运动控制,分析了虚拟人体的手部交互过程,提出了一种基于动态贝叶斯网络的维修操作智能辅助方法。以某液压缸协同式虚拟维修操作仿真平台为例验证了方法的有效性。该方法实现了对虚拟人体维修操作过程的有效控制,具有实时性好、交互性与感知性强等优点。     

Steganography based on wavelet transform and modulus function

In order to provide larger capacity of the hidden secret data while maintaining a good visual quality of stego-image,in accordance with the visual property that human eyes are less sensitive to strong texture,a novel steganographic method based on wavelet and modulus function is presented.First,an image is divided into blocks of prescribed size,and every block is decomposed into one-level wavelet.Then,the capacity of the hidden secret data is decided with the number of wavelet coefficients of larger magnitude.Finall,secret information is embedded by steganography based on modulus function. From the experimental results,the proposed method hides much more information and maintains a good visual quality of stego-image.Besides,the embedded data can be extracted from the stego-image without referencing the original image.     

基于VRML和目标航迹的视景仿真方法

基于VRML技术建立了虚拟目标和场景的可视化模型;采用三次样条插值方法对输入航迹进行了平滑和可飞性检验,并计算出了相应的姿态数据;利用虚拟现实工具箱提供的Matlab接口驱动虚拟目标进行六自由度运动,同时控制模拟CCD进行实时跟踪,完成了对飞行过程的视景仿真。实验表明,该方法不仅得到了实用的航迹和姿态数据,而且直观生动的描述了飞行过程,为相关理论研究奠定了良好的基础。