吉林大学学报(工学版) ›› 2016, Vol. 46 ›› Issue (5): 1595-1601.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201605031

• • 上一篇    下一篇

仿人头颈部机器人跟踪运动控制

祁若龙1,2, 张伟1, 王铁军1, 李正1   

  1. 1.中国科学院沈阳自动化研究所 机器人学国家重点实验室,沈阳 110016;
    2.中国科学院大学,北京 100049
  • 收稿日期:2015-04-16 出版日期:2016-09-20 发布日期:2016-09-20
  • 作者简介:祁若龙(1983-),男,副研究员,博士研究生.研究方向:机器人自主控制.E-mail:qiruolong@sia.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(51505471); “863”国家高技术研究发展计划项目(2015AA7026090).

Tracking motion control method of humanoid head and neck robot

QI Ruo-long1,2, ZHANG Wei1, WANG Tie-jun1, LI Zheng1   

  1. 1.The State Key Laboratory of Robotics, Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;
    2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049, China
  • Received:2015-04-16 Online:2016-09-20 Published:2016-09-20

摘要: 仿人头颈部机器人是仿人机器人的一部分,负责对视觉目标进行动态跟踪。为了能够精确跟踪目标,在系统运动学建模过程中,将机器人视场中心的视线作为一个具有伸缩自由度的连杆加入头颈部结构的运动学模型。通过双目视觉系统计算得到的目标点位置在数学模型上成为连杆机构运动的目标位置。为了使具有冗余自由度的头颈部机器人的运动更符合人类的动作行为,对用于消除运动学奇异点的阻尼最小二乘逆解算法进行了改进。改进后的修正算法不仅能够使机器人在运动过程中避开奇异点,而且能够实现算法上的关节限位,保证机器人运动的关节舒适度,使其更符合人类的行为习惯。仿真实验表明:这种算法在很大程度上提高了机器人运动的可靠性和稳定性。

关键词: 自动控制技术, 冗余机械臂, 阻尼最小二乘法, 虚拟连杆, 关节限位, 关节舒适度

Abstract: Humanoid head and neck robot, which is part of humanoid robot, is responsible for dynamic visual target tracking. In order to be able to accurately track the target, the centre of the robot's sight field serves as stretch link in the kinematics model of the humanoid head and neck robot. The target position calculated by the binocular camera system is translated to the aim point, where the link mechanism moves to in the mathematic model. Damped least squares inverse kinematics method, which is used to eliminated the joint singularity, is modified to make the redundant humanoid head and neck robot moves like human being. The modified algorithm not only makes the robot to avoid the singularity in the movement, but also guarantees joint limit avoidance, comfortable joint movement and produces natural-looking postures. Simulation and experiment results show that the modified algorithm is more robust and stable.

Key words: automatic control technology, redundant manipulator, damped least squares method, virtual links, joint limits, joint comfortable criteria

中图分类号: 

  • TP273
[1] 于秀丽,魏世民,廖启征.仿人机器人发展及其技术探索[J].机械工程学报,2009,45(3): 71-75.
Yu Xiu-li, Wei Shi-min, Liao Qi-zheng. Development and technology research of humanoid robot[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(3): 71-75.
[2] 李允明.国外仿人机器人发展概况[J].机器人,2005,27(6): 561-567.
Li Yun-ming. Foreign status of humanoid robot[J]. Robot, 2005, 27(6): 561-567.
[3] 孙鹏飞,郭喜庆,杨敬娴.二自由度云台的机器视觉控制[J].光电工程,2012,39(10): 135-142.
Sun Peng-fei, Guo Xi-qing, Yang Jing-xian. Controlling of 2-DOF PZT with machine vision[J]. Opto-Electronic Engineering, 2012, 39(10): 135-142.
[4] 周扬.双臂机器人的控制系统建立及阻抗控制研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学机电工程学院,2014.
Zhou Yang. Establishment of control system and research on impedance control for dual-arm robots[D]. Harbin: School of Mecharonics Engineering, Harbin Institute of Technology, 2014.
[5] Zhang Z, Beck A, Magnenat-Thalmann N. Human-like behavior generation based on head-arms model for robot tracking external targets and body parts[J]. IEEE Transactions on Cybernetics,2015,45(8):1390-1400.
[6] Bie Hai-gang, Huang Qiang, Zhang Wei-min,et al. Visual tracking of a moving object of a robot head with 3 DOF[C]∥International Conference on Rohotics,lntelligent Systems and Signal Processing, Changsha, China, 2003: 686-691.
[7] Hirth J, Berns K. Concept for behavior generation for the humanoid robot head ROMAN based on habits of interaction[C]∥Proc of the 7th IEEE-RAS International Conference on Humanoid Robots, Pennsylvania, USA, 2007: 360-365.
[8] Omrcen D,Ude A. Redundant control of a humanoid robot head with foveated vision for object tracking[C]∥2010 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Anchorage, USA, 2010: 4151-4156.
[9] Giulio M, Luca V, Alessandro D L. Adaptive predictive gaze control of a redundant humanoid robot head[C]∥2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, San Francisco, USA, 2011: 3192-3198.
[10] 王丽佳,贾松敏,王爽,等. 采用改进Mean Shift算法的移动机器人行人跟踪[J]. 光学精密工程, 2013, 21(9):2364-2370.
Wang Li-jia, Jia Song-min, Wang Shuang, et al. Person tracking of a mobile robot using improved Mean Shift[J]. Optics and Precision Engineering, 2013, 21(9):2364-2370.
[11] Nakamura Y, Hanafusa H. Inverse kinematic solutions with singularity robustness for robot manipulator control[J].ASME Journal of Dynamic Systems, Measures & Control, 1986, 108: 163-171.
[12] Wampler C W. Manipulator inverse kinematic solutions based on vector formulations and damped least-squares methods[J]. IEEE Transactions on Systems Man & Cybernetics,1986,16(1):93-101.
[13] 祁若龙, 周维佳, 刘金国, 等.VC平台下机器人虚拟运动控制及3D运动仿真的有效实现方法[J].机器人,2013,35(5) 594-599.
Qi Ruo-long, Zhou Wei-jia, Liu Jin-guo, et al. An constructing method of 3D simulation and virtual motion control system in VC platform[J]. Robot, 2013, 35(5): 594-599.
[1] 顾万里,王萍,胡云峰,蔡硕,陈虹. 具有H性能的轮式移动机器人非线性控制器设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1811-1819.
[2] 李战东,陶建国,罗阳,孙浩,丁亮,邓宗全. 核电水池推力附着机器人系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1820-1826.
[3] 赵爽,沈继红,张刘,赵晗,陈柯帆. 微细电火花加工表面粗糙度快速高斯评定[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1838-1843.
[4] 王德军, 魏薇郦, 鲍亚新. 考虑侧风干扰的电子稳定控制系统执行器故障诊断[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1548-1555.
[5] 闫冬梅, 钟辉, 任丽莉, 王若琳, 李红梅. 具有区间时变时滞的线性系统稳定性分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(5): 1556-1562.
[6] 张茹斌, 占礼葵, 彭伟, 孙少明, 刘骏富, 任雷. 心肺功能评估训练系统的恒功率控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1184-1190.
[7] 董惠娟, 于震, 樊继壮. 基于激光测振仪的非轴对称超声驻波声场的识别[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(4): 1191-1198.
[8] 田彦涛, 张宇, 王晓玉, 陈华. 基于平方根无迹卡尔曼滤波算法的电动汽车质心侧偏角估计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 845-852.
[9] 张士涛, 张葆, 李贤涛, 王正玺, 田大鹏. 基于零相差轨迹控制方法提升快速反射镜性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 853-858.
[10] 王林, 王洪光, 宋屹峰, 潘新安, 张宏志. 输电线路悬垂绝缘子清扫机器人行为规划[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(2): 518-525.
[11] 胡云峰, 王长勇, 于树友, 孙鹏远, 陈虹. 缸内直喷汽油机共轨系统结构参数优化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 236-244.
[12] 朱枫, 张葆, 李贤涛, 王正玺, 张士涛. 基于强跟踪卡尔曼滤波的陀螺信号处理[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1868-1875.
[13] 晋超琼, 张葆, 李贤涛, 申帅, 朱枫. 基于扰动观测器的光电稳定平台摩擦补偿策略[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(6): 1876-1885.
[14] 冯建鑫. 具有测量时滞的不确定系统的递推鲁棒滤波[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(5): 1561-1567.
[15] 许金凯, 王煜天, 张世忠. 驱动冗余重型并联机构的动力学性能[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1138-1143.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 刘松山, 王庆年, 王伟华, 林鑫. 惯性质量对馈能悬架阻尼特性和幅频特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 557 -563 .
[2] 初亮, 王彦波, 祁富伟, 张永生. 用于制动压力精确控制的进液阀控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 564 -570 .
[3] 李静, 王子涵, 余春贤, 韩佐悦, 孙博华. 硬件在环试验台整车状态跟随控制系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 577 -583 .
[4] 胡兴军, 李腾飞, 王靖宇, 杨博, 郭鹏, 廖磊. 尾板对重型载货汽车尾部流场的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 595 -601 .
[5] 王同建, 陈晋市, 赵锋, 赵庆波, 刘昕晖, 袁华山. 全液压转向系统机液联合仿真及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 607 -612 .
[6] 张春勤, 姜桂艳, 吴正言. 机动车出行者出发时间选择的影响因素[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 626 -632 .
[7] 马万经, 谢涵洲. 双停车线进口道主、预信号配时协调控制模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 633 -639 .
[8] 于德新, 仝倩, 杨兆升, 高鹏. 重大灾害条件下应急交通疏散时间预测模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 654 -658 .
[9] 肖赟, 雷俊卿, 张坤, 李忠三. 多级变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁刚度退化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 665 -670 .
[10] 肖锐, 邓宗才, 兰明章, 申臣良. 不掺硅粉的活性粉末混凝土配合比试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 671 -676 .