本文關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)設(shè)計(jì)及基于運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)的步態(tài)模式研究

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【摘要】：仿人機(jī)器人采用支撐腳離散、交替接觸地面的類人運(yùn)動(dòng)方式,具有高度的靈活性,能夠很好的融入人們的生活,為我們提供服務(wù)�，F(xiàn)有的仿人機(jī)器人由于步態(tài)規(guī)劃中的各種問(wèn)題,不能很好地實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定性和靈活性。人類步行具有穩(wěn)定、靈活和高效的特點(diǎn),因此采集和分析人體步行過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃具有重要的意義。本文首先針對(duì)人體步行過(guò)程中各個(gè)關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)采集問(wèn)題,根據(jù)人體關(guān)節(jié)的骨骼特性設(shè)計(jì)了一套穿戴式人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),對(duì)人體腰部和下肢關(guān)節(jié)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集。然后,通過(guò)采集自由和束腰兩種狀態(tài)下人體步行運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),驗(yàn)證腰部對(duì)人體步行的影響,從而建立了一種新型的機(jī)器人模型——八連桿模型。最后,通過(guò)與CMU的人體步行數(shù)據(jù)庫(kù)相似性對(duì)比,證明捕捉系統(tǒng)采集人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,并在Motion Builder中建立八連桿模型進(jìn)行仿真,證明數(shù)據(jù)的可用性。本文取得的主要研究成果如下:1)穿戴式人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)本文根據(jù)人體關(guān)節(jié)的骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一套穿戴式人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng),其最重要的結(jié)構(gòu)特征是采用背-胯差值法采集腰部的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù),為驗(yàn)證腰部在人體步行過(guò)程中的作用提供數(shù)據(jù)支撐。所設(shè)計(jì)的穿戴式人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)以STM32為主控芯片,首先采用STM32的通用同步/異步收發(fā)器采集安裝在人體背部和胯部的航姿參考系統(tǒng)測(cè)量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù);然后采用STM32的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集安裝在下肢各個(gè)關(guān)節(jié)處的電位計(jì)的電壓信號(hào),并轉(zhuǎn)換成各個(gè)關(guān)節(jié)的角度數(shù)據(jù);最后STM32通過(guò)與通用同步/異步收發(fā)器相連的藍(lán)牙模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC端,在電腦上實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)。2)仿人機(jī)器人八連桿模型的建立首先,在實(shí)際的采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,以受試者的腰部是否被束縛為單一變量,設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)。分別采集受試者在兩種狀態(tài)下的步行數(shù)據(jù),分析兩組數(shù)據(jù)的差異性,證明腰部對(duì)人體步行運(yùn)動(dòng)的重要性。然后,對(duì)仿人機(jī)器人經(jīng)典的七連桿模型進(jìn)行改進(jìn),在其軀干上加入腰關(guān)節(jié)的自由度,將軀干連桿分成上下兩根連桿,由此構(gòu)成新型的仿人機(jī)器人模型——八連桿模型。最后,采用D-H表示法,建立仿人機(jī)器人的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并且采用幾何解析的方法,建立仿人機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。3)仿人機(jī)器人步態(tài)模式仿真首先,在捕捉系統(tǒng)采集的不同受試者的步行數(shù)據(jù)和CMU人體步行數(shù)據(jù)中分別取一個(gè)步行周期,采用三次樣條插值法將每個(gè)步行周期的采樣幀數(shù)統(tǒng)一并代入相似函數(shù),比較捕捉系統(tǒng)采集的步行數(shù)據(jù)與CMU數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)的相似性,證明捕捉系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的正確性。然后,在Motion Builder根據(jù)建立的仿人機(jī)器人的八連桿模型建立ASF骨架模型,將人體步態(tài)模式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成AMC文件并導(dǎo)入骨架模型中,使模型隨數(shù)據(jù)運(yùn)動(dòng),證明八連桿模型和人體步態(tài)模式的可行性。
【關(guān)鍵詞】：仿人機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)捕捉 八連桿模型 MotionBuilder
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 緒論10-26
• 1.1 引言10
• 1.2 課題研究的背景與意義10-11
• 1.3 課題研究現(xiàn)狀11-24
• 1.3.1 運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)研究現(xiàn)狀11-15
• 1.3.2 機(jī)器人步態(tài)模型15-17
• 1.3.3 仿人機(jī)器人步態(tài)研究現(xiàn)狀17-24
• 1.4 論文的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)24-26
• 第2章 穿戴式人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)26-42
• 2.1 引言26
• 2.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)26-32
• 2.2.1 腰胯部子系統(tǒng)27-29
• 2.2.2 膝關(guān)節(jié)子系統(tǒng)29-30
• 2.2.3 踝關(guān)節(jié)子系統(tǒng)30-32
• 2.3 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)32-40
• 2.3.1 主控芯片32-34
• 2.3.2 傳感器34-36
• 2.3.3 數(shù)據(jù)采集電路36-37
• 2.3.4 數(shù)據(jù)傳輸電路37-38
• 2.3.5 電源電路38-40
• 2.4 本章小結(jié)40-42
• 第3章 穿戴式人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)42-50
• 3.1 引言42-43
• 3.2 數(shù)據(jù)采集43-46
• 3.2.1 航姿參考系統(tǒng)數(shù)據(jù)43-45
• 3.2.2 電位計(jì)數(shù)據(jù)45-46
• 3.3 數(shù)據(jù)傳輸46-49
• 3.4 本章小結(jié)49-50
• 第4章 人體步行數(shù)據(jù)采集和分析50-72
• 4.1 引言50
• 4.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)分析50-56
• 4.2.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)50-55
• 4.2.2 數(shù)據(jù)驗(yàn)證55-56
• 4.3 仿人機(jī)器人的八連桿模型56-67
• 4.3.1 仿人機(jī)器人位置與姿態(tài)的描述57-60
• 4.3.2 正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型60-65
• 4.3.3 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型65-67
• 4.4 基于MotionBuilder的步態(tài)模式仿真67-70
• 4.4.1 仿真模型的建立67-69
• 4.4.2 步態(tài)模式仿真69-70
• 4.5 本章小結(jié)70-72
• 總結(jié)與展望72-74
• 參考文獻(xiàn)74-78
• 附錄 ASF文件78-82
• 攻讀碩士學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文82-84
• 致謝84

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本文編號(hào)：1002137