[发明专利]一种基于人体示教的仿人机器人步态规划的方法

权利要求书

1.一种基于人体示教的仿人机器人步态规划的方法，其特征在于，将人体运动过程中的骨骼信息作为示教数据，依据示教数据进行机器人的步态规划与平衡控制，实现仿人机器人对人体步态的模仿，具体步骤如下:

步骤(1)、利用体感摄影机kinect获取人体行走过程的骨骼点数据，确定人体骨骼点与机器人驱动关节的匹配关系，并通过逆运算获得机器人驱动角度；

步骤(2)、依据人体示教数据预估机器人质心轨迹信息，并利用滞回曲线确定支撑脚，然后结合机器人稳定性判据ZMP判据计算质心补偿量；

步骤(3)、再确定质心补偿量后，需通过机器人的质心-角度雅可比矩阵计算角度补偿值，利用补偿角度与驱动角度的相加值驱动机器人可保持机器人步态的稳定性。

2.根据权利要求1所述的一种基于人体示教的仿人机器人步态规划的方法，其特征在于：步骤1中对人体骨骼点与机器人驱动关节进行了匹配，通过空间向量运算获得示教驱动角度。

3.根据权利要求1所述的一种基于人体示教的仿人机器人步态规划的方法，其特征在于：步骤2中利用人体运动过程中的骨骼点信息构建关节向量，通过人体关节向量与机器人质量信息预估机器人质心轨迹信息。

4.根据权利要求1所述的一种基于人体示教的仿人机器人步态规划的方法，其特征在于：步骤3具体为：为通过质心补偿实现机器人的动态平衡，需利用机器人质心-角度雅可比矩阵J表达质心位置与关节角的关系并通过二次规划对补偿角度进行求解，利用雅可比矩阵的思想，假设机器人每一个关节角产生了微小的变化δq，会对整体质心产生一个微小的偏移δg，二者关系用雅可比矩阵来表达：

δg＝Jδq (13)

假设当质心产生了一个偏移，为补偿偏移量，角度的补偿量表达为：

δq＝J^-1δg (14)

此时问题转化为质心-角度的雅可比矩阵求解问题，已知

由于

其中，m_j代表各连杆质量，p_j为各连杆位置，g为机器人质心位置，n为机器人自由度数目，定义连杆位置-角度的雅可比矩阵为：

此时J由下式求得：

以右腿为支撑腿时为例，设右大腿的雅可比矩阵J_p，t₁,t₂是轴方向上的单位向量，r₁,r₂是连杆质点坐标，l₁,l₂是由关节点指向右大腿质点的向量，连杆位置与角度的关系表达为:

由此可知右大腿的雅可比矩阵J_p＝(t₁×l₁,t₂×l₂,0,0,0…)∈R^3×n，其中n代表机器人的自由度数目，依此方法求得各连杆的雅可比矩阵后，根据式(18)确定质心-角度雅可比矩阵；

通过求解质心-角度雅可比矩阵，可以得到机器人质心与角度二者的变化关系，结合质心预估的偏移量，可求解对应的质心补偿角，但在求解关节角度补偿问题时，由于矩阵J不是一个方阵，因此引入伪逆矩阵进行求解，即J⁺＝J^T(JJ^T)^-1，通过伪逆矩阵即可求出唯一解，此唯一解对应于全身所有自由度的调整以实现质心补偿，采用权值可调的线性二次型优化方法进行求解，数学描述如下：

S.T.Jδq＝δg (21)

解得

δq＝W^-1J^T(JW^-1J^T)^-1δg (22)

对于指标其中，δq表示为满足质心平衡做出的角度补偿，W为一个权值矩阵；在权值选取时，对于上肢关节要取较大的权值进行抑制，而取较小的权值使下肢关节进行补偿调整；通过调整权值矩阵W便可优化模仿行为。