專利名稱：基于人體運動軌跡的仿人形機器人動作的相似性評價的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為基于人體運動軌跡的仿人形機器人動作相似性評價方法，屬于機器人技術(shù)和自動化領(lǐng)域。通過該方法可以有效設(shè)計出與人體動作具有高相似性的仿人形機器人動作，實現(xiàn)仿人形機器人模仿人體動作的運動控制。
背景技術(shù)：
為使仿人形機器人進(jìn)行動作表演或?qū)崿F(xiàn)某種作業(yè)行為，則要設(shè)計規(guī)劃仿人形機器人運動，以此來對仿人形機器人進(jìn)行運動控制。目前，仿人形機器人的運動規(guī)劃大多采用運動解析方法。此方法是通過對仿人形機器人進(jìn)行模型簡化，建立運動解析方程，求解運動軌跡得出仿人形機器人各關(guān)節(jié)軌跡，來對仿人形機器人進(jìn)行運動控制。其優(yōu)點是易于滿足機器人的機械約束條件、運動學(xué)及動力學(xué)穩(wěn)定性條件，并能使運動軌跡平滑。但是，對于人類的復(fù)雜動作如人類舞蹈和體育運動等，如果仍然采用這種方法，運動方程解析式不僅復(fù)雜，建立困難，有時難以求解，甚至無解。而且此方法，由于在動作設(shè)計過程中加入了設(shè)計者的主觀認(rèn)識，使得設(shè)計出的仿人形機器人運動動作與人體動作原型會有較大差異，產(chǎn)生視覺上的動作不相象。
應(yīng)用運動捕捉系統(tǒng)對人體運動軌跡進(jìn)行測量，將人體運動數(shù)據(jù)應(yīng)用于仿人形機器人動作設(shè)計上，這種運動規(guī)劃方法避免了對復(fù)雜動作難以建立起運動方程的問題，而且在動作相象程度上也有了很大進(jìn)步。但是，由于人體運動模型與仿人形機器人模型在尺寸、關(guān)節(jié)范圍等方面存在差距。所以并不能將人體運動數(shù)據(jù)直接應(yīng)用仿人形機器人動作設(shè)計上。要通過運動學(xué)匹配算法與動力學(xué)匹配算法來滿足仿人形機器人運動學(xué)約束條件、機械約束條件和動力學(xué)約束條件。但是在進(jìn)行上述匹配算法過程中，也會產(chǎn)生與人體動作原型的差異，需要解決在滿足仿人形機器人約束條件的基礎(chǔ)上得到具有與人體動作高相似性運動軌跡的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)對人體動作的高相似性動作模仿，本發(fā)明提出了一種基于人體運動軌跡的仿人形機器人動作設(shè)計評價方法。
本發(fā)明采用的主要技術(shù)方案是在運動捕捉系統(tǒng)中對人體運動模型進(jìn)行簡化，使仿人形機器人模型與人體簡化模型具有相同的自由度數(shù)目，這樣就建立起人體與仿人形機器模型之間的運動學(xué)對應(yīng)關(guān)系。應(yīng)用運動學(xué)匹配與動力學(xué)匹配算法對采集到的人體運動數(shù)據(jù)進(jìn)行重新調(diào)整設(shè)計，在上述算法中加入動作相似性評價函數(shù)，最后得到在滿足仿人形機器人約束條件的基礎(chǔ)上具有與人體動作高相似性運動軌跡。
評價人體與機器人動作的相似可以歸為幾何相似。本發(fā)明采用對應(yīng)關(guān)節(jié)角度的軌跡關(guān)系來評價人體與機器人的動作相似性，提出相似性評價函數(shù)，并根據(jù)各關(guān)節(jié)在動作中所起作用的不同，函數(shù)中引入了加權(quán)系數(shù)。
用向量θh＝[qh1，qh2，....，qhn]T表示人體模型的關(guān)節(jié)角，向量θr＝[qr1，qr2，...，qrn]T表示機器人的關(guān)節(jié)角，那么相似性函數(shù)可以用下式表示S(qhi,qri)=11+Σi=1nKi|qri-qhiqrimax-qrimin|---(1)]]>其中qrimax和qrimin是仿人形機器人第i個關(guān)節(jié)角運動范圍的最大值和最小值，n是自由度的數(shù)目。Ki是加權(quán)系數(shù)，它根據(jù)各關(guān)節(jié)在全身動作中所起作用的不同而設(shè)定。對于相似性函數(shù)值有0＜S≤1，在S＝1時，說明仿人形機器人關(guān)節(jié)的運動軌跡與人體運動完全相同，仿人形機器人的運動動作相似性就達(dá)到最大值。
本發(fā)明的有益效果是1.可以使仿人形機器人模仿人類的各種復(fù)雜動作。
2.可以在滿足運動學(xué)條件和機器人機械約束條件下實現(xiàn)對人體動作的高相似性模仿。
3.算法較為簡單，實現(xiàn)容易。


圖1是人體簡化模型與仿人形機器人模型。
圖2是單腳支撐到雙腳支撐運動匹配算法。
圖3是運動學(xué)匹配前、后的仿人形機器人髖關(guān)節(jié)角軌跡對比圖。
圖4是運動學(xué)匹配前、后的仿人形機器人髖關(guān)節(jié)角軌跡對比圖。
圖5是運動學(xué)匹配前、后的仿人形機器人髖關(guān)節(jié)角軌跡對比圖。
圖6是運動學(xué)匹配前、后的仿人形機器人髖關(guān)節(jié)角軌跡對比圖。
圖7是人體運動與仿人形機器人運動對比圖。
具體實施例方式仿人形機器人腳與地面之間的接觸約束對于仿人形機器人的運動是關(guān)鍵問題，由于仿人形機器人腿的長度與人的骨骼不成比例，使得地面接觸約束條件常常不能被滿足，導(dǎo)致了滑步、踏空、陷入等問題的產(chǎn)生。仿人形機器人在運動中有兩種支撐階段單腿支撐和雙腿支撐。當(dāng)仿人形機器人從單腿支撐到雙腿支撐過程中，擺動腳應(yīng)該以規(guī)劃的位置和方向落在地面上。在踏空的情況下腳是騰空的。相反地，在陷入時腳在地表面以下。在雙腿支撐階段，兩只腳應(yīng)固定在地面上，不應(yīng)該有滑動，但是，當(dāng)獲取的人體關(guān)節(jié)角數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于仿人形機器人時一只腳或兩只腳的位置有可能會改變，也就是說會發(fā)生滑步現(xiàn)象。
圖2所示為單腿支撐到雙腿支撐的運動匹配算法，主要解決運動學(xué)中踏空與陷入問題。首先，根據(jù)運動約束條件計算懸空腳著地位置的范圍，然后，通過遍歷算法，尋找到所有滿足仿人形機器人機械約束條件和肢體接觸約束條件的著地運動軌跡集合，根據(jù)相似性函數(shù)公式(1)計算出每條著地運動軌跡的相似性評價函數(shù)值并進(jìn)行相互比較，最后，從著地運動軌跡集合中決定動作相似性最大的仿人形機器人著地運動軌跡。
圖3-圖5為運動學(xué)匹配前、后的仿人形機器人關(guān)節(jié)角軌跡對比圖，可以看出運動學(xué)匹配后的關(guān)節(jié)角軌跡比匹配前的軌跡平滑連續(xù)。圖6為相似性評價函數(shù)值。
權(quán)利要求
1.一種基于人體運動軌跡的仿人形機器人動作設(shè)計評價方法。其特征在于通過簡化人體運動模型，使簡化人體模型具有與仿人形機器人模型相同的關(guān)節(jié)數(shù)目，建立起簡化人體模型具有與仿人形機器人模型之間的運動學(xué)對應(yīng)關(guān)系。采用簡化人體模型與仿人形機器人模型對應(yīng)關(guān)節(jié)角度的軌跡關(guān)系來評價人體與仿人形機器人的動作相似性。
2.如權(quán)利要求1所述的評價人體與機器人動作的相似性評價方法，其特征在于通過簡化人體模型與仿人形機器人模型對應(yīng)關(guān)節(jié)角度的軌跡關(guān)系，提出相似性函數(shù)具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式。并在動作設(shè)計中運動學(xué)匹配及動力學(xué)匹配調(diào)整算法中應(yīng)用相似性函數(shù)，能使仿人形機器人模仿各種人體復(fù)雜動作并獲得具有與人體運動軌跡高相似性的運動控制。
3.如權(quán)利要求1所述的評價人體與機器人動作的相似性評價方法，其特征在于不僅可應(yīng)用于基于人體運動軌跡的仿人形機器人動作設(shè)計評價，而且還適用于所用關(guān)節(jié)型機器人對于動作模仿方面的運動軌跡評價問題。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種仿人形機器人模仿人體動作的相似性評價方法?；谌梭w運動軌跡的仿人形機器人動作設(shè)計，由人體運動數(shù)據(jù)提取、運動學(xué)匹配、動力學(xué)匹配和實驗四部分組成。動作相似性評價以簡化人體模型與仿人形機器人模型的對應(yīng)角關(guān)系為依據(jù)，提出了動作相似性評價函數(shù)，應(yīng)用于運動學(xué)匹配和動力學(xué)匹配解算過程，進(jìn)行基于人體運動軌跡的仿人形機器人模仿動作設(shè)計。該相似性評價方法原理簡單，易實現(xiàn)。能使仿人形機器人在滿足運動學(xué)約束條件和動力學(xué)約束條件下，模仿各種人體復(fù)雜動作實現(xiàn)具有與人體運動軌跡高相似性的運動控制，誤差消除效果好。
文檔編號B25J13/00GK1830635SQ200510051399
公開日2006年9月13日 申請日期2005年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月10日
發(fā)明者黃強, 趙曉軍, 彭朝琴, 張利格, 楊潔 申請人:北京理工大學(xué)