【摘要】：隨著智能機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展,逐漸激發(fā)了人們對(duì)交互體驗(yàn)的更高要求�；隗w感的人機(jī)交互在提高智能性以及舒適性等方面都具有重要價(jià)值,而機(jī)器的人動(dòng)作模仿則是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)之一。本文以法國(guó)Aldebaran Robotics公司的NAO_V5機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),以KinectV2深度相機(jī)作為體感采集設(shè)備,設(shè)計(jì)模仿交互系統(tǒng)。并針對(duì)模仿過(guò)程中數(shù)據(jù)采集優(yōu)化、肢體動(dòng)作映射以及手部動(dòng)作識(shí)別控制等問(wèn)題進(jìn)行了深入研究,研究?jī)?nèi)容包括如下四個(gè)部分:首先,通過(guò)Kinect傳感器獲取人體深度圖像與骨骼數(shù)據(jù),記錄人體關(guān)節(jié)位置數(shù)據(jù),通過(guò)坐標(biāo)空間轉(zhuǎn)換發(fā)送給NAO機(jī)器人,完成人機(jī)交互下的初級(jí)動(dòng)作模仿。其次,針對(duì)模仿過(guò)程中采集數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)的抖動(dòng)和跟蹤誤差問(wèn)題,提出改進(jìn)的非線性約束卡爾曼濾波方法。該算法將非線性骨長(zhǎng)度約束納入有效的濾波跟蹤方法中,并通過(guò)求解帶等式約束的極大似然估計(jì)方法,解決參數(shù)在求解過(guò)程中的穩(wěn)定收斂問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)證明,估計(jì)狀態(tài)的均方誤差由6.06dB下降到了5.77dB,對(duì)骨長(zhǎng)度變化標(biāo)準(zhǔn)偏差的性能評(píng)估由23.1%上升到94.31%,算法有效提高了數(shù)據(jù)的平滑性和抗干擾性,再次,在手臂模仿基礎(chǔ)上對(duì)模仿動(dòng)作算法進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)NAO機(jī)器人物理結(jié)構(gòu)的限制,采用基于牛頓迭代法的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)算法,通過(guò)目標(biāo)位置與正運(yùn)動(dòng)學(xué)求出的當(dāng)前位置之間的差值比較,在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及關(guān)節(jié)閾值等條件的約束下,迭代實(shí)現(xiàn)差值最小化,以此時(shí)的關(guān)節(jié)角度作為機(jī)器人的最終映射角度,保證系統(tǒng)能夠在滿足運(yùn)動(dòng)相似性的基礎(chǔ)上兼顧自身的物理限制。通過(guò)對(duì)典型動(dòng)作姿勢(shì)的模仿進(jìn)行實(shí)驗(yàn)評(píng)估,驗(yàn)證優(yōu)化算法的有效性。最后,針對(duì)實(shí)時(shí)模仿過(guò)程中手部動(dòng)作因空間位姿限制引起的采集效果不佳的問(wèn)題,通過(guò)提取采集圖像的梯度方向直方圖,利用支持向量機(jī)訓(xùn)練分類模型,識(shí)別不同位置上手部動(dòng)作變化。實(shí)驗(yàn)證明,離線測(cè)試的結(jié)果為92%,實(shí)時(shí)在線測(cè)試也顯示較高的識(shí)別速度和準(zhǔn)確率。
【圖文】：

動(dòng)作交互的研究離不開實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建，本章根據(jù) NAO 機(jī)器的軟、硬件配置特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)平臺(tái)的 Pycharm 開發(fā)環(huán)境，用于動(dòng)作模仿實(shí)驗(yàn)。 機(jī)器人設(shè)備分析 機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)分析器人是法國(guó) Aldebaran Robotics 公司 2004 年開發(fā)的多自由度如圖 2-1 所示。NAO 機(jī)器人高 57 公分，重 4.5 公斤，擁有 2為電機(jī)與制動(dòng)器，極大程度上保證了能靈活做出類似于人類的配備了各種傳感器，，包括攝像頭，麥克風(fēng)，聲納傳感器，觸覺度計(jì)，以及用于自我表達(dá)的語(yǔ)音合成器、LED 燈和揚(yáng)聲器，C 無(wú)芯形式的執(zhí)行器，保證了在行走和動(dòng)作中良好的交互性、應(yīng)用于科研、娛樂和服務(wù)等行業(yè)。

了出色的硬件配置，Aldebaran 公司為了保證良好的交互和控制體驗(yàn)，長(zhǎng)期致力于 NAO 機(jī)器人嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和性能完善，希望開發(fā)人員人機(jī)器人新型項(xiàng)目的研究人員共同設(shè)計(jì)跨平臺(tái)工具以及進(jìn)行核心通信模塊的交互研究，所以 NAO 機(jī)器人的軟件配置同樣令人驚艷。NAOAMD Geode 500MHz 主計(jì)算機(jī)運(yùn)行 Linux 內(nèi)核，Aldebaran 公司通過(guò)對(duì)操作系統(tǒng)的修改，使之可以支持其自主研發(fā)的專有插件 NAOqi。NAO優(yōu)秀的跨平臺(tái)分布式機(jī)器人框架結(jié)構(gòu)，正如其他框架結(jié)構(gòu)一樣，NAO層，專為 NAO 設(shè)計(jì)，通過(guò) NAOqi 協(xié)調(diào)溝通運(yùn)動(dòng)、音頻、視頻等不同互，所以有豐富的程序編程接口，該接口可以跨越 Linux、Window 和作平臺(tái)并提供包括 C ++，Python ，.NET，Java 和 MATLAB 在內(nèi)的多而極大拓寬了基于NAO機(jī)器人研究方案的設(shè)計(jì)渠道。還可以實(shí)現(xiàn)其次LMemory 模塊共享信息，開發(fā)人員幾乎可以完成任何交互任務(wù)。另外自己的編程能力選擇基于 NAOqi 開發(fā)的圖形化編程軟件 Choregraphe機(jī)器人問(wèn)題[37]，如圖 2-2 所示，其通俗性給開發(fā)人員帶來(lái)很大的便捷
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：2676745