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基于人体运动捕捉数据的两足机器人类人行走控制

王宝平  
【摘要】:两足机器人具备着与人体相似的的身体结构,具有其他类别机器人不能比拟的高度仿人特性。研究两足机器人的最终目的就是让两足机器人代替人类去完成不愿完成的工作。两足机器人的步态是它适应真实生活环境的基础。经过漫长的自然选择,人体步态成为了目前能观测到的最完善的双足行走机制。为了让拥有高度拟人结构的两足机器人也拥有优秀的步态特性,最快捷的方式就是通过研究人体步态,使两足机器人实现人体步态特征。总结前人的研究方法,两足机器人的步态主要是基于机器人模型来进行研究的。本论文也将通过建立两足机器人运动学模型和七连杆模型的方法来分析两足机器人的步态。本论文将通过以下几个步骤来实现两足机器人的步态规划:⑴首先,利用了美国Motion Analysis公司的实时动作捕捉分析系统采集人体的步态数据。然后通过滤波、三次样条插值等方法对人体步态数据进行了处理,得出了人体关节角度的变化曲线。⑵其次,以两足机器人运动学模型为基础进行了两足机器人的步态规划。具体的步态规划过程如下:第一步,根据Webots中的Nao机器人的结构特征建立两足机器人运动学模型;第二步,为了解决两足机器人因为与人体身体比例不同而不能直接应用人体步态数据的问题,采用了使两足机器人末端执行器与人体相应部位的运动保持一致的方法,确定了两足机器人末端执行器的位姿矩阵;第三步,利用两足机器人的逆运动学模型,通过末端执行器的位姿矩阵求解出其余关节角度值。这样就完成了两足机器人的步态规划。随着研究的深入,本课课题根据两足机器人的步态特征主要体现在俯仰角的变化的思想简化了两足机器人运动学模型,着重对俯仰角做了步态规划。通过对简化的两足机器人运动学模型的分析,使两足机器人达到了更良好的类人步态规划效果。⑶为了使两足机器人的膝、踝关节轨迹也能够体现人体步态特征,利用了两足机器人的7连杆模型进行了进一步的步态规划。两足机器人的脚部由刚性材料制成,当脚的任意部分离地时,脚部都不会与地面形成支撑面,这样就减少了两足机器人步态周期中双足支撑地面的时间,增加了两足机器人不平衡的概率。采用分割两足机器人步态关键动作的来解决这个问题,使两足机器人摆动腿完全转化成支撑腿后,支撑腿的状态才开始转变,目的是增加两足机器人双足支撑的时间。利用了七连杆模型对分割关键动作的步态数据进行步态规划,具体的步态规划过程如下:通过两足机器人7连杆模型的分析,求出了两足机器人关节运动轨迹;然后使用曲线拟合的方法使两足机器人膝、踝关节运动轨迹与人体膝、踝关节运动轨迹尽量保持一致。⑷最后,本课题在Webots中的Nao机器人完成了初步的仿真实验。本论文研究了人体步态特征,并通过两足机器人模型的运动学模型和七连杆模型完成了两足机器人的类人步态规划,使人体步态特征应用到了两足机器人的步态上。


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