基于关节点运动轨迹的人体动作识别

为了提高动作识别的准确率和实时性,提出一种基于关节点运动轨迹的动作识别方法.受心理物理学中关于人体运动实验的启发,使用人体骨架关节点的运动轨迹表示人体动作,它能够在时空维度上对动作进行完整表达.在此基础上,使用高斯混合模型对关节点运动轨迹进行聚类,进而通过Fisher向量进行特征量化.考虑到动作识别任务的实时性要求,提出基于核极限学习机的动作识别,以此提升动作识别任务的实时性和准确率.最后,在公开数据集UTD-MHAD和KARD上对提出的方法进行了验证,实验结果证明了该方法的有效性.     

穿戴式下肢康复机器人的运动学仿真分析

针对可穿戴式下肢康复机器人,对人体下肢自由度进行简化,建立了人体下肢运动学方程并求得正解。采用MATLAB软件中的Simulink和SimMechanics设计工具建立人体下肢的运动学仿真模型,并进行了运动学仿真研究,得到下肢各关节的运动轨迹与实际测量的轨迹基本吻合,证明了运动学模型的正确性,为实际的康复医疗及机构的控制提供了重要数据。     

穿戴式下肢康复机器人的运动学仿真分析

针对可穿戴式下肢康复机器人,对人体下肢自由度进行简化,建立了人体下肢运动学方程并求得正解.采用MATLAB软件中的Simulink和SimMechanics设计工具建立人体下肢的运动学仿真模型,并进行了运动学仿真研究,得到下肢各关节的运动轨迹与实际测量的轨迹基本吻合,证明了运动学模型的正确性,为实际的康复医疗及机构的控制提供了重要数据.     

骨架关节点跟踪的人体行为识别方法

基于彩色图像的运动检测和分割方法难以获取完整的人体骨架,并且只能提取关节点的二维坐标信息,而 Kinect 传感器能通过捕获深度图像来重建完整的人体骨架关节点三维模型,提高了骨架关节点模型的表示精度。本文通过 Kinect 的骨架跟踪模块对人体的骨架关节点模型进行提取;然后,提出一种坐标转换方法得到人体骨架关节点的三维坐标表示,利用 k 均值聚类将关节点坐标量化为符号序列;最后,建立离散隐马尔可夫模型来进行人体行为识别。通过自建的数据集进行实验,实验结果表明：本方法能取得94％的识别率。     

基于人体姿态信息的下肢康复机器人运动控制技术

针对下肢运动功能障碍患者术后康复训练辅助设备的跟随控制问题,本研究提出一种基于人体姿态信息的下肢康复机器人运动控制方法。根据康复机器人的结构特性和功能要求,建立机器人运动数据信息采集系统和下肢康复机器人的运动学模型;构建机器人平台上的人体姿态行为信息采集传感器系统,通过分析位移传感器所采集的数据,得到表征人体姿态行为变化的相关信息,经上位机计算生成康复机器人的期望跟随速度;同时,基于模糊PID控制算法设计了跟随控制器。通过仿真和实验验证该控制算法能够有效减小机器人实时跟踪使用者运动过程中的误差,实现康复机器人对人体运动姿态良好的跟随效果。     

基于相似度函数的上肢关节点改进阈值滤波方法及其应用

针对视觉传感器受自身硬件条件及环境扰动的影响,采集到的关节点运动数据往往存在异常值的问题,为了提高Kinect获取的上肢关节点运动数据的准确性,提出了一种基于相似度函数的上肢关节点改进阈值滤波方法,来减小异常值对运动追踪的影响.基于前景轮廓相似度、肢体比例相似度和分布相似度构建了关节点相似度函数,将其用于评估截取的每帧...     

基于移动对象的飓风全时域轨迹模型

根据飓风运动轨迹的特点,提出一种基于动态属性的飓风全时域轨迹模型,设计轨迹数据阈值估计更新策略.将飓风运动轨迹组织成一系列时空连续的运动片段,在符合总体精度要求的前提下,实现数据压缩并支持全时域位置查询.基于实际飓风数据的实例研究证明,该模型能够较为完整和精确地描述飓风运动过程,总体误差符合飓风预测的国际标准,模型的数据量较原始数据可减少24.71％,并支持飓风过去时刻和短暂未来位置的状态信息查询.     

足底驱动型下肢康复机器人的运动学建模与轨迹跟踪控制研究

为简单、精确地实现对一种由高速开关阀和气动人工肌肉作为驱动控制单元的足底驱动型下肢康复机器人的轨迹跟踪控制,提出了一种基于MATLAB/Simulink的仿真控制模型.基于模块化思想,将该机器人控制系统划分为系统输入模块、位置逆解模块、单支链驱动控制模块和位置正解模块.首先对该机器人进行结构分析,在此基础上推导出其运动学正逆解模型,为位置正逆解模块提供理论依据.然后,建立人体下肢运动学模型,带入关节角度数据得到足底运动轨迹,在此基础上用傅里叶级数拟合得到足心和背伸/跖屈角对时间的函数表达式,作为系统的输入模块.最后,采用关节空间控制方法结合各子模块构造出下肢康复机器人控制仿真模型,特别地,采用了实验的方法验证了单支链驱动控制模块的准确性.在此基础上,在MATLAB/Simulink模块中对所建立的系统仿真控制模型进行了仿真.结果表明,所建立的控制模型能够精确地跟踪期望的运动轨迹,从而验证了控制模型和控制方案的精确性和可行性,为实现该机器人的轨迹跟踪控制提供了有效手段.     

一种单电机驱动外骨骼康复机械手的 机构设计与运动分析

根据人手生物学结构,文章设计并制作了一种可用于手指康复训练的外骨骼机械手。该康复机械手由单一电机驱动,可同时训练5个手指,每个手指训练机构具有2个自由度,分别完成弯曲/伸展和内收/外展运动。文章详细介绍了康复机械手的结构及功能,采用封闭矢量方程建立了康复机械手训练机构的运动学模型,并分析了康复机械手的运动空间;利用ADAMS软件仿真了康复机械手各个关节点、指尖点的运动轨迹和3个关节所受到的力与力矩。制作的样机近端指间关节和远端指间关节弯曲角度关系曲线与正常成年男性食指的对应关系曲线相比较,可决系数R~2=0.913 4,验证了该康复机械手设计方案的可行性和功能性。     

基于三维动态捕捉系统和Matlab的穿戴式下肢外骨骼步态分析

使用三维动态捕捉系统获取人体下肢关键点的运动轨迹和三维数据,用Matlab软件分析数据,绘制时间-坐标图形,建立穿戴式下肢外骨骼的三维模型,为进一步研究穿戴式下肢外骨骼奠定基础。     

3-SPS/S踝关节并联康复机构控制系统仿真

踝关节是人体下肢关节中较易损伤的部位,针对其结构特点,搭建了基于3-SPS/S的并联康复机构并对其进行运动学反解.进而以3-SPS/S踝关节并联康复机构为研究对象,利用Matlab里的SimMechanics工具箱建立机构仿真平台,给出动平台规划运动轨迹并生成机构驱动杆输入运动信号,对机构模型进行仿真分析并给出3D效果图.结果表明,该方法为并联康复机构控制策略的研究提供了安全高效可视的仿真平台,便于展开针对并联康复机构特点的各种控制策略的研究.     

基于无模型动态矩阵的下肢假肢运动控制方法

在准确预识别平地行走,上、下楼梯三类运动模式的基础上,提出了根据各路况的运动特点制定对应假肢膝关节运动控制策略的方法.突出三类路况运动特点的同时,解决了由于建模困难无法得到膝关节运动方程的问题,另外采用无模型动态矩阵对假肢膝关节的运动轨迹追踪控制.该方法利用紧格式线性化方法简化了人体运动时髋、膝关节角度变化的复杂关系.实验结果表明运动控制策略模仿实际运动轨迹的方法是有效的,使假肢能够自然地跟随健肢的运动变化,充分利用了被控系统输入、输出数据的内部信息,且运动控制方法具有较好的跟踪效果,确保了下肢假肢运动的控制精度.     

基于OpenSim人体步行腓肠肌静态生物力学分析

为准确、快速地研究人体下肢运动规律,构建人体下肢模型。针对该模型推导出了人体步行状态下腓肠肌相应的力学方程F_1(t)。利用OpenSim搭建人体骨骼肌肉模型,并以腓肠肌进行静态力学分析为例,解析了肌肉在逆向运动学(IK)和残差缩减(RRA)两种不同分析方法中的肌肉激活度和力矩。研究结果表明:此模型能准确地模拟人体下肢肌肉的运动规律,利用RRA分析能够真实反映腓肠肌的受力情况,分析出肌肉激活度,为进一步揭示膝关节和踝关节的生物力学特性和为设计人体下肢康复机器人提供肌肉阻尼奠定基础。     

下肢康复机器人按需辅助自适应控制方法

针对现有下肢康复机器人步态康复训练控制缺乏患者的主动参与、不能按患者的康复程度提供按需辅助的问题,提出了一种新的下肢康复机器人按需辅助自适应控制方法。该方法通过人机运动轨迹与理想康复目标轨迹的跟踪偏差实时学习受试者的康复程度,从而使康复机器人能根据受试者的康复程度,自适应地提供按需辅助。首先建立了下肢康复机器人的人机系统动力学模型,其次设计了按需辅助自适应控制器,最后进行了按需辅助控制仿真实验,并在单腿实物样机上对健康受试者进行了实验。结果表明:按需辅助自适应控制器在有遗忘因子项的情况下,能够根据轨迹跟踪偏差学习受试者的康复程度,自适应地衰减机器人对受试者的辅助力矩,满足按需辅助的目的。     

下肢外骨骼康复机器人设计及其运动学分析

采用电机驱动方式,设计一种用于辅助行走和康复训练的人体下肢外骨骼康复装置.将下肢外骨骼简化为矢状面内的五杆机构,建立相应的D-H(Denavit-Hartenberg)模型,推导出一个步态周期内髋关节、膝关节、踝关节和脚尖的坐标方程.在ADAMS环境下,对下肢外骨骼进行运动学仿真分析,所得到的髋关节、膝关节和踝关节的坐标变化曲线表明:下肢外骨骼各关节在空间中具有连续的运动轨迹.     

多段连续结构手功能康复外骨骼运动规划与结构优化

针对现有康复机器人手指运动轨迹仿生度低、轨迹规划策略与正常人手指运动轨迹差异较大的问题,提出了基于Tau-jerk引导策略的手指运动轨迹规划方法。首先建立外骨骼机器人的运动学模型,并用ABAQUS进行运动学仿真,引入修正系数调整运动学模型;然后以jerk值为耦合对象,推导出内部Tau-jerk引导策略,引入最小做功和最小面积确定最优轨迹和最优多段连续结构;最后比较了Tau-jerk规划的运动轨迹与多项式插值方法规划的轨迹同真实人手运动轨迹的偏差。实验结果表明:采用Tau-jerk轨迹规划的外骨骼运动平均关节角度误差小于1.5°,且平均指尖轨迹误差小于1 mm;与3次多项式插值和3、4、5次多项式插值运动规划相比,Tau-jerk轨迹规划方法更符合人手指运动轨迹。     

一种外骨骼式康复机器人训练效果仿真

针对外骨骼式下肢康复机器人训练有效性的问题,开展了基于人体生物力学软件Any Body的康复训练仿真实验研究.通过人体动作捕捉实验,获取一成年男子在正常步行时的运动学信息,利用Any Body建立人体步行模型,并以下肢肌肉受力情况为依据确定下肢主要肌肉群.建立人-机系统模型,借助Hill方程,以人体下肢肌肉收缩速率作为判断标准,通过模拟实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人的康复运动,获取下肢主要肌肉的收缩速率变化情况,并将其与正常步行时的肌肉收缩速率进行比较与分析.结果表明,两种情况下大腿肌肉群的收缩速率变化情况基本一致,小腿与髋部肌肉群差异较明显.改进外骨骼结构,使其能够同时实现在冠状面内的运动,比较在两种结构下的下肢主要肌肉收缩速率变化情况,结果表明髋部肌肉产生了较为明显的波动.因此,能实现矢状面内运动的外骨骼式下肢康复机器人能够有效训练大腿肌肉群,但对小腿与髋部肌肉的训练效果不明显,加入冠状面运动后,能提高对髋部肌肉的训练效果.     

跳远运动支撑期间下肢动作轨迹预测方法的研究

跳远运动支撑期间,下肢动作的准确性可使运动员最大程度避免受伤,且决定着运动员跳远成绩,因此需要对支撑期间下肢动作轨迹进行预测,以达到改善动作准确性的目的。传统方法预测动作轨迹时,一般采用光流估计法或变分方法;但这两种方法较为繁琐,且预测误差较大。为此,提出一种新的跳远运动支撑期间下肢动作轨迹预测方法,将跳远运动简化成运动员骨架的运动,获取三维人体骨架模型,通过未标定的多幅跳远运动支撑期间下肢动作图像对摄像机内参数进行确定,完成摄像机的自标定。将跳远运动支撑期间下肢动作的左右膝关节、左踝关节点作为关键节点进行分析,求出首帧图像对应的三维运动骨架特征点的坐标;在此基础上,继续求出各后续帧中三维人体运动骨架特征点的坐标,从而实现跳远运动支撑期间下肢动作轨迹预测。实验结果表明,该方法具有很高的轨迹预测精度。     

基于差分进化算法下肢康复机构的优化设计

文章针对基于运动轨迹的单自由度下肢康复机器人存在的足部踏板速度突变问题，提出一种平面连杆机构尺度综合的优化方法。对下肢康复机构进行运动学分析，建立正逆解的数学模型，构建机构的凸轮曲线与足部轨迹的运动学关系；采用差分进化算法对下肢康复机构进行尺度综合分析，通过构造优化目标函数优化模型中的各参数，得到一组机构参数的最优解。优化结果表明，采用差分进化算法优化后，可以降低下肢康复机构足部踏板的速度突变，提高装置的稳定性，同时保证足部步态轨迹与正常步态轨迹基本重合。研究结果表明，该优化方法可以为下肢偏瘫患者提供科学的康复训练轨迹，有助于其康复训练。最后，文章提出一种基于层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)的下肢功能康复评估指标体系，并建立一种以综合指标为基础的评估方法，该指标能够真实地反映患者在康复过程中的训练效率，使康复训练方式的选择更加科学、高效，更好地满足患者的康复需求。     

基于骨骼信息的虚拟角色控制方法

针对当前动作捕捉方法中基于旋转矩阵的虚拟角色控制方法,虚拟角色模型运动还原度低、人体动作不能实时展现、抗光照干扰能力弱的问题,提出一种基于骨骼信息的四元向量控制方法。该方法以 Kinect 体感摄像机捕获的人体骨骼关节点数据为基础,计算并记录人体运动过程中关节点空间位移和关节点之间夹角的变化,根据相邻图像序列中的运动数据确定虚拟角色每个骨骼关节点的旋转角度,并将其转化为四元旋转向量。根据正向运动学原理,从根节点对虚拟角色模型进行调整并根据人体动作进行实时反馈。通过理论分析和仿真结果表明,与基于旋转矩阵的的虚拟角色控制方法相比,该方法的人体姿态还原度高,角度误差低,实时预览效果直观,实时性与抗光照干扰能力强。