تقليد حركات انسان توسط ربات انسان نماي نائو با استفاده از يك روش تحليلي و در نظر گرفتن تعادل ربات

Imitation of Human Motion by a NAO Humanoid Robot Using an Analytical Method and Considering Balance of the Robot

در اين مقاله يكي از پژوهش هاي موسوم به تعامل انسان و ربات با موضوع تقليد حركات انسان توسط ربات انسان نماي نائو مورد مطالعه قرار گرفته است. در اين تحقيق، ابتدا حركات انسان به واسطه دوربين ديد سه بعدي كينكت كه توسط بسته نرم افزاري سيستم عامل ربات (راس) راه اندازي شده است، دريافت مي گردد. با توجه به اختلاف ابعادي ميان انسان و ربات، حركات دريافتي به ابعاد ربات نگاشت مي شود. بعد از اعمال نگاشت، حل سينماتيك مستقيم و معكوس ربات ارائه مي گردد. بدين منظور، فرم ديستال در حل سينماتيك مستقيم مورد استفاده قرار گرفته و بر مبناي آن راه حل تحليلي براي حل سينماتيك معكوس ارائه شده است. راه حل تحليلي ارائه شده به عنوان يكي از نوآوري هاي اصلي مقاله، دليل اصلي حركات روان ربات در تقليد حركات انسان مي باشد. به منظور حفظ تعادل ربات در زمان تقليد، استراتژي قوزك پا بر مبناي مدل پاندول معكوس خطي و معيار تصوير زميني مركز جرم ارائه شده است. پاندول معكوس مدل شده در دو فاز جفت تكيه گاهي و تك تكيه گاهي توسط كنترل كننده تناسبي-انتگرالي-مشتقي كنترل مي شود. نتايج پياده سازي عملي و شبيه سازي روش ارائه شده در مقاله با در نظر گرفتن محدوديت هاي ناشي از سامانه دريافت حركات انسان، نمايان گر تقليد حركات تمام-بدن انسان با دقت، نرمي و سرعت بالا در ربات مي باشد.

This paper investigated the imitation of human motions by a NAO humanoid robot which can be regarded as a human-robot interaction research. In this research, first, human motion is captured by a Kinect 3-dimensional camera through a Robot Operating System (ROS) package. Captured motion is then mapped into the robot’s dimensions due to the differences between human and humanoid robot dimensions. After performing the mapping procedure, the solution of both forward and inverse kinematic problem of the robot is solved. To this end, a “Distal” form of forward kinematics solution of the NAO humanoid robot is computed and based on the latter form an analytical inverse kinematics solution for the whole-body imitation purpose is used. The foregoing issue, as one of the contributions of this paper, can be regarded as one of the main reasons for obtaining a smooth imitation. In order to keep the robot’s stability during the imitation, an ankle strategy based on a Linear Inverted Pendulum Model (LIPM) and the Ground projection of the Center of Mass (GCoM) criteria is introduced. Moreover, the latter LIPM is controlled by a Proportional-Integral-Derivative (PID) controller for two cases, namely, double and single support phases. Considering the limitation on the motion capture device, from experimental and simulation results obtained by implementing the proposed method on a NAO-H25 Version4 it can be inferred that the robot exhibits an accurate, smooth and fast whole-body motion imitation.