踏板式行走交互平臺(tái)設(shè)計(jì)與行走控制算法分析.pdf

1、在軍事、醫(yī)學(xué)和工業(yè)等領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為解決難以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜問題提供了一種新的有效手段;踏板式行走交互平臺(tái)，為實(shí)現(xiàn)用戶在虛擬環(huán)境中完全沉浸式、交互式自由行走，提供了較為理想的技術(shù)方案。但目前踏板式行走交互平臺(tái)，存在占地空間大、運(yùn)行速度低、延遲大、交互方式不夠自然等不足，嚴(yán)重制約著行走交互技術(shù)的發(fā)展。本論文，提出了一種新的踏板式行走交互平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案并對(duì)升降機(jī)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了新的行走控制算法，克服了占地空間大、延遲大、交互方式

2、不夠自然等缺點(diǎn)。
　　本論文基于步行運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，結(jié)合人體下肢多剛體模型，理論計(jì)算出:理想交互行走狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。研究中，將足部運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為剛體繞動(dòng)點(diǎn)踝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)，建立了8剛體7節(jié)點(diǎn)20自由度的人體下肢多剛體模型。結(jié)合多剛體運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，處理步行運(yùn)動(dòng)捕捉數(shù)據(jù)，得出了自然行走狀態(tài)下和理想交互行走狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。分析踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，設(shè)計(jì)了以踝關(guān)節(jié)位置跟蹤、回撤為核心的行走控制算法。
　　提出了結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)的踏板式

3、行走交互平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案，并針對(duì)最影響占地空間的升降機(jī)構(gòu)部分進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。升降機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以桿長(zhǎng)、桿長(zhǎng)比和最小夾角為設(shè)計(jì)變量，以占地空間、力學(xué)性能和運(yùn)動(dòng)學(xué)性能為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用踏板撓曲線方程等建立多個(gè)約束條件。當(dāng)桿長(zhǎng)取310mm、桿長(zhǎng)比為0.5、最小夾角為20°時(shí)，升降機(jī)構(gòu)取得最優(yōu)設(shè)計(jì)效果。
　　在交互行走過程中的擺動(dòng)相和支撐相，設(shè)計(jì)了不同的行走控制算法:雙支撐相，踏板與踝關(guān)節(jié)相對(duì)靜止;擺動(dòng)相（單支撐相），踏板跟蹤、支撐、協(xié)調(diào)

4、運(yùn)載用戶運(yùn)動(dòng);擺動(dòng)相控制算法是行走控制算法的核心。針對(duì)平面直線行走，設(shè)計(jì)了擺動(dòng)相基于踝關(guān)節(jié)位置預(yù)測(cè)的行走控制算法，是踏板式行走交互平臺(tái)行走控制算法的核心。針對(duì)平面轉(zhuǎn)彎，設(shè)計(jì)了單一擺動(dòng)相小角度分階段轉(zhuǎn)彎控制算法，并推導(dǎo)了轉(zhuǎn)彎判斷準(zhǔn)則。針對(duì)空間行走，提出了運(yùn)用虛擬地形信息的基本原則，并設(shè)計(jì)了基于平均速度的上下臺(tái)階、上下坡行走控制算法。
　　最后，建立了ADAMS-MATLAB聯(lián)合仿真模型，定量分析采樣頻率對(duì)直線行走擺動(dòng)相基于踝關(guān)節(jié)位置