协助站起机器人的数据采集及协助力分析

摘要

家庭服务机器人是机器人研究领域的一个重要发展方向，其中的协助站起机器人是近年来出现的一种新型家庭服务机器人。由坐姿转换为站立的姿势是大多数人每天都要频繁执行的基本而重要的动作。协助站起机器人，就是为了帮助人们特别足老人完成日常生活中的站起动作而设计的装置，它以提供支持力减轻用户关节的负担，协助保持用户的站起动作平衡为目标。本文在对协助站起机器人国内外相关研究现状的分析和比较的基础上，在协助站起机器人的数据采集和协助策略方面，做了以下工作。 首先，本文对协助站起机器人的相关研究进行了综述，包括站起动作的分析和站起过程中的生物力学分析，人体建模，以及协助站起机器人的设计参考和协助策略等方面的内容。 其次，修改并提出了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，在无需人工干预和依赖传感器的情况下，获取站起动作过程中的人体关节点坐标及角度变化，为站起动作的动力学分析包括关节力矩计算提供输入数据。 最后，对减轻站起过程中关节负担的协助策略中的协助力分析进行了合理的改进，并针对站起过程中关节转矩变化特点，以及协助站起策略中的协助减轻关节负担和协助保持身体稳定两种策略的特点和区别，建立了一个一输入二输出的模糊系统。该模糊系统以站起过程中大腿与水平方向的夹角为输入，区分站起动作的完成进度，以两种协助策略在整个站起过程中的权重为输出，由此使得协助站起机器人在用户站起动作的不同完成阶段协助的重点不同，更好地协助用户在站起过程中减轻关节负担和保持身体稳定性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题背景

1.2本课题的研究目的和意义

1.3协助站起机器人研究概述

1.3.1站起动作测量的基本方法

1.3.2协助站起机器人的典型设计及设计参考

1.3.3协助站起机器人研究中存在的问题

1.4本文主要研究内容

第二章站起动作的人体建模

2.1站起动作的人体模型

2.2站起动作的人体模型坐标系的建立

2.2.1齐次坐标和齐次变换

2.2.2连杆坐标系的设定方法

2.2.3站起动作人体模型的坐标系标定

2.2.4人体模型的正向运动学分析

2.3人体测量学和生物力学

2.3.1解剖位

2.3.2方位术语

2.3.3人体的基准轴和基准面

2.3.4人体生物力学

2.4本章小结

第三章基于单目视觉的站起动作无标志测量方法

3.1图像预处理

3.1.1图像差分

3.1.2二值化、中值滤波及膨胀腐蚀

3.1.3边缘检测

3.2人体侧面骨架的构建

3.2.1无标志的站起动作人体骨架提取算法

3.2.2实验结果

3.3本章小结

第四章人体模型的动力学分析

4.1机器人动力学

4.2牛顿-欧拉方法

4.2.1高效递推牛顿-欧拉运动方程

4.3人体模型动力学计算算法及实验结果

4.4本章小结

第五章基于模糊的协助力优化控制

5.1协助站起机器人的设计

5.2两种协助站起策略的介绍

5.2.1对以膝关节力矩为参考的协助策略的改进

5.2.2以ZMP零力矩点为参考的协助策略

5.3基于模糊系统的协助站起策略

5.3.1模糊逻辑

5.3.2基于模糊系统的协助站起策略

5.3.3协助站起任务的模糊系统建立及协助力的仿真

5.4本章小结

第六章总结与展望

参考文献

致谢

硕士期间发表的论文

硕士期间参加的科研工作