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动作捕捉系统在仿生足式/多足机器人中的应用

足式机器人具有更强地形适用性

移动机器人能帮助人们在危险环境下完成探索和救援任务,在山地运输、消防营救、地质勘探和军 事行动等领域有广阔的应用前景。移动机器人主要分为轮式机器人、履带式机器人和仿生足式机器人。

其中足式机器人相对于其他两种有更强的地形适应能力和运动稳定性,既可以在平坦地面上高速移 动,又可以适应山丘、草地、坑洼沙石等复杂路面环境。

仿生足式机器人分为双足、四足、六足等多足机器人。相对双足机器人行走过程中单脚触地,四足仿生机器人至少有两点触地,四足触地时基本完全平衡。因此,四足、六足等多足机器人更易实现复杂路面的平衡控制。由于其更好的稳定性和承载能力,多足机器人肯定会更早出现在人们生活中。

动作捕捉系统赋能多足机器人开发

仿生多足机器人的研发是一个综合性强适用性广的科学研发项目,研发的过程中涉及到动物仿生学分析、运动学分析、动力学分析、机器人机械结构设计、步态规划、运动仿真以及控制等多学科内容。通过研究四足生物的身体结构与功能的工作机制,利用运动学和动力学的理论分析,能够确定仿生四足机器人的驱动机构与机械结构。根据四足动物的运动过程,周期性的规划仿生四足机器人步态。不同的传感器接收到的信号,通过控制系统处理后,对仿生四足机器人关节处伺服电机进行反馈控制,维持行走过程中的稳定性。其中步态规划与控制是仿生四足机器人设计过程中核心环节,是保证多足机器人实际使用的前提。

为了提高机械行走的效率和通过性能,开发者运用相关性分析方法,以山羊、猎豹等在非结构环境下有出色稳定位移能力的动物为原型,分析动物各个关节之间的协同关系,将其运动机理和行为方式运用到足式机器人行走的研究中。通过动作捕捉技术,捕获动物运动时身上关键位置的反光标志,获取标记物的三维空间坐标,处理后得到动物肢体动作各参数,包括步频、步幅、步速、步长、步宽、支撑期、摆动期、关节角度和角速度等,利用这些参数对动物运动学特性进行研究,如不同步态下的时序规律以及动物关节位移和关节角运动变化等。

此外,利用三维动作捕捉系统,结合机器人自身的传感器信息,实时获取机器人的动力学参数,在线进行分析和步态规划,然后将规划好的步态传送给机器人的控制系统,控制系统控制伺服电机驱动机器人运动,实时矫正姿态。利用NOKOV度量光学三维动作捕捉系统,可以获取机器人身上关键位置标志点在世界坐标系中的绝对位置,利用动作捕捉系统自带的SDK实时广播,反馈给机器人分析处理。也可以离线提取标志点坐标信息,获取机器人位置和姿态,验证机器人和控制算法的鲁棒性。

国内外研究人员针对多足机器人的开发日益增多。其中产品成熟度最高的是Boston Dynamic 公司的多足机器人。Boston Dynamic 公司研制的小狗机器人(Little Dog)是四足机器人的典型代表。小狗机器人单腿包含 3 个自由度,各个关节的驱动通过伺服电机完成。研究人员为了能够将研究问题的焦点集中于小狗机器人的步态控制和增强其崎岖地形越障能力上,使用自身设备识别其周围三维环境特征并构建环境地图,搭建由多个摄像机组成的运动捕获系统,通过小狗机器人身上安装的标志点来确定其在世界坐标系的绝对位置和姿态。

NOKOV助力国内高校提升研发能力

NOKOV是世界顶级的光学动作捕捉系统供应商,目前已与多所高校在多足机器人方向开展深度合作。

上海交通大学六足机器人项目

NOKOV工程师在长9米宽6米的空间内,架设了8个Mars 2H动作捕捉镜头,以60Hz的采样频率捕捉机器人“躯干”和“四肢”关节上的反光标志点,得到各标志点三维坐标,确定相互间位置,从而获取动态运动学数据。动作捕捉完毕后,利用Seeker软件对捕捉数据进行三维重建通过动作捕捉系统自带的 SDK把这些数据实时广播,机器人团队进行实时的分析和反馈,得以确认六足机器人各足的姿态,实现六足的校准标定以及各腿间的动作协调。

山东大学四足仿生机器人项目

在国家地震紧急救援训练基地的测试场,NOKOV工程师在14m长、8m宽的室外场地,用三脚架架设12 个NOKOV Mars 2H镜头。在仿生机器人的“躯干”和“四肢”的关节处贴上反光标志点(Marker),以60Hz的采样频率采集机器人运动的过程,并导出各关节点空间坐标数据(精度达到亚毫米级),用户 再将这些数据导入专用分析工具进行分析,确认机器人的姿态,以制定步态改进方案。

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