踏板式行走交互平臺設計與行走控制算法分析.pdf

1、在軍事、醫(yī)學和工業(yè)等領域，虛擬現(xiàn)實技術為解決難以進行實驗的復雜問題提供了一種新的有效手段;踏板式行走交互平臺，為實現(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方案。但目前踏板式行走交互平臺，存在占地空間大、運行速度低、延遲大、交互方式不夠自然等不足，嚴重制約著行走交互技術的發(fā)展。本論文，提出了一種新的踏板式行走交互平臺總體設計方案并對升降機構進行了參數(shù)優(yōu)化，設計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。
　　本論文基于步行運動捕捉數(shù)據(jù)，結合人體下肢多剛體模型，理論計算出:理想交互行走狀態(tài)下踝關節(jié)運動規(guī)律。研究中，將足部運動簡化為剛體繞動點踝關節(jié)的轉(zhuǎn)動，建立了8剛體7節(jié)點20自由度的人體下肢多剛體模型。結合多剛體運動學理論，處理步行運動捕捉數(shù)據(jù)，得出了自然行走狀態(tài)下和理想交互行走狀態(tài)下踝關節(jié)運動規(guī)律。分析踝關節(jié)運動學規(guī)律，設計了以踝關節(jié)位置跟蹤、回撤為核心的行走控制算法。
　　提出了結構緊湊、通用性強的踏板式

3、行走交互平臺總體設計方案，并針對最影響占地空間的升降機構部分進行參數(shù)優(yōu)化設計。升降機構優(yōu)化設計，以桿長、桿長比和最小夾角為設計變量，以占地空間、力學性能和運動學性能為目標函數(shù)，運用踏板撓曲線方程等建立多個約束條件。當桿長取310mm、桿長比為0.5、最小夾角為20°時，升降機構取得最優(yōu)設計效果。
　　在交互行走過程中的擺動相和支撐相，設計了不同的行走控制算法:雙支撐相，踏板與踝關節(jié)相對靜止;擺動相（單支撐相），踏板跟蹤、支撐、協(xié)調(diào)

4、運載用戶運動;擺動相控制算法是行走控制算法的核心。針對平面直線行走，設計了擺動相基于踝關節(jié)位置預測的行走控制算法，是踏板式行走交互平臺行走控制算法的核心。針對平面轉(zhuǎn)彎，設計了單一擺動相小角度分階段轉(zhuǎn)彎控制算法，并推導了轉(zhuǎn)彎判斷準則。針對空間行走，提出了運用虛擬地形信息的基本原則，并設計了基于平均速度的上下臺階、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直線行走擺動相基于踝關節(jié)位置