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基于真实驾驶数据的运动基元提取与再生成

机械工程学报 2020年第16期56卷 155-165页

作者：王博洋龚建伟张瑞增陈慧岩北京理工大学机械与车辆学院北京100081

类人驾驶系统是通过学习人类驾驶员知识与经验来提升无人驾驶系统适用性与接受度的重要技术途径。为解决驾驶员轨迹和操控层面经验的表述问题,以采集得到的大量真实驾驶数据为依托,提出一种基于轨迹基元与操控基元的分层式驾驶员经验表... 详细信息

类人驾驶系统是通过学习人类驾驶员知识与经验来提升无人驾驶系统适用性与接受度的重要技术途径。为解决驾驶员轨迹和操控层面经验的表述问题,以采集得到的大量真实驾驶数据为依托,提出一种基于轨迹基元与操控基元的分层式驾驶员经验表述模型。轨迹基元以动态运动基元算法进行表征,并由概率提取算法完成基元从无标签连续轨迹数据中的分割提取。操控基元在轨迹基元的提取分类结果上,利用高斯混合模型完成基元的训练,并利用高斯回归算法完成转向操控序列的预测。结果表明,概率提取算法既利用到了表征与提取之间的相互关联关系,又借助于初始分割点的合理设置,提升了算法的效率并使得提取得到的运动基元符合特定的驾驶假设。此外,所提出的运动基元既能以较高精度完成对驾驶员轨迹和操控层面数据的表征,又具备良好的泛化能力以应对运动基元再生成时在期望位置和时间尺度上的变化需求。最终构建了描述全工况驾驶行为的运动基元库,并大幅提升了运动基元应对不同行车环境时的适用性。

关键词：智能车辆运动基元驾驶数据动态运动基元(DMP) 高斯混合模型(GMM) 高斯回归算法(GMR)

运动基元理论及其康复技术在运动功能障碍中的应用和研究进展

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中华物理医学与康复杂志 2024年第9期46卷 843-847页

作者：陈泽健徐江夏楠陈勇黄晓琳华中科技大学同济医学院附属同济医院康复医学科武汉430030

运动基元理论及其康复技术可为运动功能障碍康复提供新颖的理论框架和实践基础。本文简要阐述了运动基元理论的基本概念、康复评估和干预技术的应用研究进展, 旨在为运动功能障碍的康复问题提供一定的理论和技术依据。

关键词：运动基元协同分析运动功能理论模型康复技术

基于运动基元关键帧插值的语言伴随性手势动画合成研究

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基于运动基元关键帧插值的语言伴随性手势动画合成研究

作者：付延强山东财经大学

学位级别：硕士

与言语相关的手势作为一种可视化语言，在人们语言交流过程中能够对自然语言的表达起到增强和补充效果。语言伴随性手势动画合成是虚拟现实中可交互虚拟人研究的重点和难点，本文对手势动画合成的相关技术和理论进行了研究分析，重点研... 详细信息

与言语相关的手势作为一种可视化语言，在人们语言交流过程中能够对自然语言的表达起到增强和补充效果。语言伴随性手势动画合成是虚拟现实中可交互虚拟人研究的重点和难点，本文对手势动画合成的相关技术和理论进行了研究分析，重点研究与言语相关手势合成过程中运动细节保持和运动平滑，提出了基于运动基元关键帧插值的手势动画合成方法。本文的主要研究工作如下：本文综述了手势动画和人体运动合成现状，并对与言语相关的手势——语言伴随性手势动作的表现形式和动画实现方法进行研究分析，提出了手势运动基元模型。在此基础上，本文通过关键帧标注方式实现了运动基元结构化描述，为基于运动基元的运动合成过程提供了时序和结构化参数，能够有效应用于手势运动合成，并实现合成过程中保持运动细节。在手势动画合成过程中，本文通过对运动基元构成运动过程进行研究分析，利用手势运动基元中时序和结构化参数实现了最优过渡关键帧定位，并提出了基于关键帧相似度阈值分析的运动平滑处理方法，该方法通过调整相似度阈值控制关键帧插值系数和数量，能够实时调整运动合成速度和节奏，生成逼真虚拟人手势动画。通过系统实现和结果分析证明，本文方法实现了手势伴随自然语言的协同表达，有效提高了手势动画合成真实感。研究成果在虚拟社区、教育培训、医学研究、电子商务、网络视频协同及娱乐等应用领域具有广泛的应用空间和较好的科学意义。

关键词：运动基元语言伴随性手势动画合成关键帧插值四元数

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基于运动基元的机械臂智能控制方法研究

基于运动基元的机械臂智能控制方法研究

作者：满桁宇军事科学院

学位级别：硕士

机械臂是一类拟人手臂的机器人系统,具有优异的操控性能,在工业生产、医疗卫生、安全防爆、生活服务等领域中得到了广泛的应用。随着航天技术的飞速发展,空间机械臂作为在轨服务的关键性技术,已经受到越来越多研究人员的关注。当前,空... 详细信息

机械臂是一类拟人手臂的机器人系统,具有优异的操控性能,在工业生产、医疗卫生、安全防爆、生活服务等领域中得到了广泛的应用。随着航天技术的飞速发展,空间机械臂作为在轨服务的关键性技术,已经受到越来越多研究人员的关注。当前,空间机械臂一般采用预编程自动控制和遥操作控制两种方式,比较依赖人的介入。然而,随着轨道高度的提升,通信延迟也在变大,这无疑增加了机械臂执行操作任务的风险。因此,提高机械臂控制系统的智能化水平,增强机械臂自主执行任务的能力,已成为当前学术界研究的热点。人体控制系统是一个十分复杂和高度完善的自学习、自组织、自适应系统,人类对手臂的灵活控制是目前所有机械臂控制系统无法超越的。科学家经过长期研究发现,人类运动存在着模块化特征,这些运动可以被细分为各个模块,称为运动基元。运动基元本质上就是一个习惯性运动指令的快速生成器,它使得人类可以针对任务做出相应的运动来快速响应。研究人员一直希望借鉴人类手臂的灵活控制机理,来提高机械臂的智能化控制水平。运动基元理论体现了人类手臂快速运动的灵活性,将运动基元理论应用于机械臂控制中,可以提高机械臂灵活、自主运动能力。本文基于运动基元的原理,从人类手臂运动的几何特征获得启发,提出了运动基元建模方法,针对直拳、摆拳和勾拳等三种基本拳击动作,构建了相应的拳击运动基元,并在仿人机械臂上进行了仿真和真实实验,实现了机械臂的拳击动作,验证了本文构建的运动基元模型生成动作的有效性。本文主要的研究工作和贡献包括以下三个部分:(1)提出了基于几何特征的拳击运动基元建模方法。本文通过分析人类手臂过程中的空间几何特征,建立了手臂三角形模型,提出了基于手臂三角形的运动表示方法。该运动表示方法以目标位置为输入,描述手臂三角形变化的四个量(l,θ,θ,θ)为输出,进而输出肘部和腕部坐标的变化。本文提出了一种肘腕坐标的仿人机械臂运动学求解方法,可以快速、高效的求解仿人机械臂的关节角变化。本文在以上提出方法的基础上,针对拳击运动,构建出了拳击运动基元,并搭建了仿人机械臂模型,在仿真中实现了机械臂的拳击动作。(2)提出了基于深度神经网络的拳击运动基元建模方法。本文在基于几何特征运动基元建模方法的基础上,提出了两种运动基元的神经网络模型:分层模型和整体模型。分层模型将运动基元模型分为两层:第一层,目标位置为输入,手臂三角形的四个变量(l,θ,θ,θ)为输出的模型;第二层,(l,θ,θ,θ)为输入,仿人机械臂关节角为输出。整体模型直接以目标位置为输入,仿人机械臂关节角为输出。进一步,本文针对直拳、摆拳和勾拳等拳击运动,构建了相应的运动基元,搭建了Panda机器人仿真系统,实现了机械臂的拳击动作运动控制。另外,本文对比了基于几何构型的运动基元和基于深度神经网络的运动基元,两者生成的拳击动作几乎重合,进一步验证了基于深度神经网络的运动基元的有效性。(3)在真实的Panda机器人上实现了拳击动作。Panda机械臂具有7个自由度拟人手臂协作机器人系统,具有极高的灵活度、精确度、安全性。本文利用提出的运动基元建模方法构建了相应的拳击运动基元,生成了机械臂直拳、摆拳和勾拳等拳击动作,并在Panda机械臂上开展了实验验证,在真实环境中实现了拳击动作。综上,本文提出的运动基元建模方法从人类手臂运动的几何特征中得到灵感,相较于基于数据驱动获得的运动基元,具有形象具体和可解释性强的特征,本文针对拳击运动开展研究,使得机械臂能直接生成拳击动作,提高了机械臂的灵活性和自主运动能力,有助于未来具备高度智能的机器人的开发。

关键词：运动基元手臂三角形人类手臂运动拳击运动机械臂控制

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面向手语合成的运动基元获取方法研究及实现

面向手语合成的运动基元获取方法研究及实现

作者：何文静湘潭大学

学位级别：硕士

聋人群体在生产和生活中,不可避免地要在聋人之间、聋人和健听人之间建立联系,手语成为聋人群体参与社会生活借助的主要交流手段。由于手语不是社会中主流的信息传播方式,极大地制约了聋人群体获取信息、融入社会的程度。手语合成的主... 详细信息

聋人群体在生产和生活中,不可避免地要在聋人之间、聋人和健听人之间建立联系,手语成为聋人群体参与社会生活借助的主要交流手段。由于手语不是社会中主流的信息传播方式,极大地制约了聋人群体获取信息、融入社会的程度。手语合成的主要目的就是如何利用聋人群体熟知的语言来表达社会的主流信息传播方式,实现无障碍交流环境。手语合成系统不仅为聋人群体获取信息提供了平台,也可以应用到手语教学、以及各种服务行业中,提高学习效率和为服务工作人员学习手语提供方便。另一方面,世界是一个由多种族、多民族组成的社会,各个民族都有自己的文化和语言。聋人群体使用的手语也不例外。随着聋人社会群体参与社会活动程度的提高,不同国家、地区间的聋人之间的交流也逐渐增多,不同的手语文化使他们之间的交流也存在一定的障碍,如何实现多语种手语间的无障碍交流成为另一个急待解决的问题。本文通过对中国手语合成平台的研究,从手语语言学的角度,将手势分解成带有时序运动信息的最小单位——运动基元,实现多语言手语手势合成,不仅为多国手语互译提供真实、可靠的手势数据基础,也为实现多语言手语互译平台提供一种思路。文中首先综述了手语合成系统以及多国手语合成的研究现状。结合运动基元的相关研究,给出了运动基元的形式定义,为后续进行运动基元获取提供理论基础。运动基元的获取是本文重点研究的一个部分,在手语语言学的指导下,对手语结构进行分析,编制了用于获取运动基元的诸多模块,完成了基元获取系统的构建,并利用传统中国手语合成平台,建立了基元运动数据库。为了实现多语言手语运动基元定义,手语专家需从大量的基元运动数据库中挑选合适的基元进行定义。为了提供运动基元的可视化查询接口,本文实现了基于HamNoSys的手形查询和基于正向运动学的手部位置查询,方便了手语专家的操作,提高了工作效率。

关键词：手语合成运动基元基元获取多国手语合成基元查询

基于运动基元与触觉感知的欠驱动灵巧手抓取规划与控制

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基于运动基元与触觉感知的欠驱动灵巧手抓取规划与控制

作者：肖志兰湖南大学

学位级别：硕士

为实现机械手自主执行复杂的抓取任务,传统的抓取规划方法通常采用预先编程或者示教学习的方法,但这多数都依赖于抓取任务的简化表示,结构化的建模方式或基于特定任务的控制器设计。一旦考虑到抓取任务执行的实际应用场景,复杂多变的作... 详细信息

为实现机械手自主执行复杂的抓取任务,传统的抓取规划方法通常采用预先编程或者示教学习的方法,但这多数都依赖于抓取任务的简化表示,结构化的建模方式或基于特定任务的控制器设计。一旦考虑到抓取任务执行的实际应用场景,复杂多变的作业目标,任务执行的不确定性将大大增加,功能单一的机械手适用范围也受到极大限制。仿照人手性能所设计的欠驱动多指手扩展了工业机械手的性能,但同时也使其控制难度加大。因此,本文提出面向欠驱动灵巧手的抓取规划与控制框架。主要研究内容如下:结合机械手实际抓取经验与仿真运动数据建立抓取经验数据库。面向自主研发的欠驱动三指机械手,从灵巧性及自适应性分析其传动特点与运动特性,并通过实验验证机械手抓取特性。记录实验中的抓取参数,将其作为仿真的数据来源。在仿真环境中搭建机械手的柔性传动结构与协同运动特性,提取抓取过程的运动路径,得到抓取任务的演示样本,最终建立抓取经验数据库。基于核态运动基元开发自适应抓取规划算法。通过高斯混合模型对抓取经验数据库中的演示样本进行建模,学习到运动路径的概率信息并得到偏转运动基元与屈伸运动基元。基于此,利用物体到机械手的关联表示以及核态运动基元的重规划,将学习的运动特性在不同目标对象上推广,实现抓取轨迹的局部调整以满足新抓取任务的自适应要求。采用触觉感知信息构建“感知-行为”抓取控制系统。为增强机械手的稳定抓取能力,通过触觉传感器提取出抓取任务中的受力信息,并结合抓取规划算法设计基于触觉感知的控制策略。利用运动基元的位置信息与传感器的感知信息,提出基于力与位置的跟踪控制与基于力补偿的自适应控制方法,并应用于自主研发的欠驱动机械手。最后通过多组实验验证系统对新抓取任务的泛化能力与控制算法的可行性。整体系统面向自主研发的机械手,以“灵巧抓取规划”为核心,“稳定控制”为原则,基于模仿学习与感知信息构建“感知-行为”的关联关系,实现新环境抓取任务的自主规划。

关键词：欠驱动协同运动基元触觉感知智能控制

基于人体运动控制原理与运动基元对仿人机器人进行轨迹规划

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基于人体运动控制原理与运动基元对仿人机器人进行轨迹规划

第十八届全国非线性振动暨第十五届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议（NVND2021）

作者：李子静甘春标浙江大学

虽然如今的仿人机器人在外观上与人类相似,但是在处理数据等方面与人类依然有很大的区别。为了让仿人机器人更大程度地与人类相似,本文提出了一种利用人体运动控制原理来规划仿人机器人行走轨迹。首先,通过建立一个生物学模型,模仿中枢... 详细信息

虽然如今的仿人机器人在外观上与人类相似,但是在处理数据等方面与人类依然有很大的区别。为了让仿人机器人更大程度地与人类相似,本文提出了一种利用人体运动控制原理来规划仿人机器人行走轨迹。首先,通过建立一个生物学模型,模仿中枢神经系统将动态与静态力分开处理,同时将运动过程中运动神经元信号的能量不断最小化。其次,由于中枢神经系统不是每次重新计算一个复杂的优化问题,而是使用有限的函数基础来生成运动,因此采用主成分分析法将有限的运动基元从数据库中提取出来。最后,将机器人的运动表示为这些运动基元的线性组合。该方法较好地提高了仿人机器人轨迹生成效率。动态力和静态力的分开处理简化了优化过程,消除了边界条件。由于运动基元数量有限,因此采用有限的运动基元来组成不同的运动可以极大地降低控制的复杂性,同时减少计算成本,提高计算效率。

关键词：仿人机器人人体运动控制运动基元最优控制

来源： cnki会议评论

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面向手语合成的运动基元获取研究

面向手语合成的运动基元获取研究

第六届和谐人机环境联合学术会议（HHME2010)、第19届全国多媒体学术会议（NCMT2010）、第6届全国人机交互学术会议（CHCI2010）、第5届全国普适计算学术会议（PCC2010）

作者：何文静陈益强刘军发周经野颜庆聪中国科学院计算技术研究所普适计算研究中心湘潭大学信息工程学院

利用运动基元进行手语合成可以提高手势数据的复用率,合成出新的手势,为实现多国手语合成提供一种思路。本文通过分段、挖掘、加权聚类及聚类评价从真实手势数据中获得运动基元。所提加权手势聚类及评价方法可以区分手臂运动的微小变化... 详细信息

利用运动基元进行手语合成可以提高手势数据的复用率,合成出新的手势,为实现多国手语合成提供一种思路。本文通过分段、挖掘、加权聚类及聚类评价从真实手势数据中获得运动基元。所提加权手势聚类及评价方法可以区分手臂运动的微小变化以及获得最优的聚类结果。实验表明,该运动基元获取方法能反映真实的手势数据变化,提高运动基元聚类的准确性。

关键词：手语合成运动基元加权手势聚类聚类评价多国手语

来源： cnki会议评论

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手写运动的协作基元合成分析方法

智能系统学报 2010年第5期5卷 405-410页

作者：刘敏王国利中山大学信息科学与技术学院广东广州510006

研究一种生物运动神经控制机理与数据合成分析相结合的手写运动分析方法.特别地,将运动协作基元的概念用于手写运动数据分析,研究手写运动的协作基元合成分析方法,建立符合生物运动神经控制规律的手写运动数据理解模式.提出的协作基元... 详细信息

研究一种生物运动神经控制机理与数据合成分析相结合的手写运动分析方法.特别地,将运动协作基元的概念用于手写运动数据分析,研究手写运动的协作基元合成分析方法,建立符合生物运动神经控制规律的手写运动数据理解模式.提出的协作基元合成分析过程由2个交替迭代的优化算法组成:其一,基于非负矩阵因子分解模式估计协作基元及调制幅度;其二,采用相似性最大化准则估计协作基元的激活时间.针对笔画切分的实验研究表明,采用协作基元合成分析方法获得的笔画切分结果,能够很好揭示相邻笔画之间的重叠连接模式,证实了所提方法的有效性.

关键词：手写运动运动基元合成分析非负矩阵分解生物运动神经控制相似最大化准则