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基于人体特征点的仿人形柔性机器人三维重构与变形

作　者: 奚雪蕾
导　师: 郝矿荣
学　校: 东华大学
专　业: 模式识别与智能控制
关键词: 气囊机器人三维人体建模三维人体形变元球点云截面环神经网络
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

仿人形多气囊柔性机器人是虚拟交互领域内的新课题,本文主要工作是对三维扫描仪获得的人体点云数据进行预处理,并构建气囊机器人模型,同时实现面向不同体型用户的气囊机器人变形。其中涉及的技术有：三维点云预处理技术、气囊机器人曲面重构技术、针对不同体型的气囊机器人形变技术。气囊机器人建模与人体建模不同,在建立气囊机器人之前,必须先确定合适的气囊分布。现有的虚拟人体建模与变形技术不能直接用于气囊机器人建模与变形,因此本文的主要研究内容和创新点如下：(1)创建基于二维元球的自适应弧分割算法,并将该新算法运用到多气囊柔性机器人气囊分布设计与参数曲面模型构建上。(2)创新地提出通过控制截面环曲线填充椭圆的轴长参数,驱动截面环变形的气囊机器人形变方式。本文首先对点云数据按照人体特征进行区域划分,并结合MATLAB对点云数据进行预处理：用三角形填充法进行数据补漏、用层次包围球法进行数据精简、用平面拟合法估算点云表面法向量。本文提出自适应弧分割算法,作为气囊机器人建模的理论基础。首先,将元球法应用于二维轮廓线的逼近,根据气囊形变特性构建椭圆势函数和能量方程。然后,提出一种递进分裂的自动圆拟合算法；并提出3点规则改善自动圆拟合算法的曲线拟合效果；最后,完成准自动椭圆拟合算法,实现封闭曲线的椭圆填充和自适应圆弧划分。在自适应弧分割算法的理论基础上进行气囊分布设计,并构建气囊机器人参数曲面模型。首先,从经过预处理的人体点云数据中选取人体特征截面环数据,并对相邻环上的分段圆弧进行映射,确定气囊位置并构建单线性参数曲面。然后拼接曲面片获得机器人模型。最后,本文提出一种由填充椭圆驱动的截面环形变方法。用准自动椭圆拟合算法拟合人体截面环曲线,获得截面环填充椭圆的各项参数。固定填充椭圆的圆心位置和旋转角度,改变填充椭圆的轴长驱使截面环变形。用BP神经网络对样本截面环进行学习,输入截面环采样点的极长,输出填充椭圆的轴长。通过神经网络获得填充椭圆轴长与截面环形状的对应关系,实现面向不同体型的气囊机器人变形。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-29
  1.1 引言  11-12
  1.2 课题研究背景  12-17
    1.2.1 虚拟试衣系统技术发展历程  12-15
    1.2.2 服装CAD技术中常用模拟方法及不足  15-17
  1.3 气囊机器人虚拟试衣系统介绍  17-19
  1.4 研究现状  19-26
    1.4.1 三维点云预处理的研究现状  20-23
    1.4.2 虚拟人体建模与形变技术的研究现状  23-26
  1.5 本文研究主要内容与章节安排  26-29
    1.5.1 研究内容  26
    1.5.2 创新点  26-27
    1.5.3 章节安排  27-29
第二章三维人体点云预处理  29-43
  2.1 引言  29
  2.2 三维人体扫描  29-32
    2.2.1 三维扫描仪与人体测量  30-31
    2.2.2 三维人体数据坐标调整  31-32
  2.3 三维人体数据特征区域划分  32-35
    2.3.1 人体特征点的提取标准  33-34
    2.3.2 基于特征点的特征区域分割标准  34-35
  2.4 点云数据预处理  35-42
    2.4.1 点云数据片拼接、补漏  35-37
    2.4.2 点云数据精简  37-39
    2.4.3 点云数据表面法向量估算  39-42
  2.5 本章小结  42-43
第三章基于二维元球技术的自适应弧分割算法  43-58
  3.1 引言  43-44
  3.2 构建二维元球势函数和能量约束函数  44-47
    3.2.1 椭圆势函数  44-47
    3.2.2 能量约束函数  47
  3.3 基于二维元球的自适应椭圆拟合算法  47-57
    3.3.1 现有圆拟合方法的分析与比较  47-48
    3.3.2 自动圆拟合曲线逼近算法  48-52
    3.3.3 自动圆拟合规则的优化  52-54
    3.3.4 自动圆拟合法与基于中轴抽取的圆拟合法  54
    3.3.5 准自动椭圆拟合算法  54-57
  3.4 基于椭圆拟合的二维曲线逼近与圆弧划分  57
  3.5 本章小结  57-58
第四章多气囊柔性机器人曲面重构  58-73
  4.1 引言  58-59
  4.2 人体特征数据提取  59-60
    4.2.1 人体躯干截面环选取  59-60
    4.2.2 标准人体躯干部分截面环参数  60
  4.3 柔性机器人表面气囊分布设计  60-68
    4.3.1 基于自适应弧分割法的截面环圆弧划分  60-61
    4.3.2 截面环椭圆填充效果与比较  61-68
    4.3.3 截面环圆弧映射与气囊分布关系  68
  4.4 气囊机器人参数曲面模型  68-71
    4.4.1 构造单片气囊的参数曲面  69-70
    4.4.2 构造气囊机器人胸部至臀部的曲面模型  70-71
    4.4.3 实验分析  71
  4.5 本章小结  71-73
第五章基于神经网络的气囊机器人变形  73-86
  5.1 引言  73-74
  5.2 特殊体型选取标准  74
  5.3 由截面环填充椭圆驱动的机器人变形技术  74-77
    5.3.1 确定截面环填充单元数目  74-75
    5.3.2 由填充椭圆驱动的截面环变形  75-77
  5.4 特征截面环神经网络模型  77-83
    5.4.1 BP神经网络理论基础  77-81
    5.4.2 面向截面环的神经网络  81-83
  5.5 MATLAB实验结果  83-85
  5.6 本章小结  85-86
第六章总结和展望  86-88
  6.1 总结  86
  6.2 展望  86-88
参考文献  88-93
攻读硕士期间参加的项目及发表的论文  93-94
致谢  94

基于人体特征点的仿人形柔性机器人三维重构与变形

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