[发明专利]基于相似性度量的机械臂仿人运动示教方法

说明书

本发明公开了基于相似性度量的机械臂仿人运动示教方法，获取人手臂弯曲后肘关节角度，通过人手臂和机械臂的相似性度量来定义多自由度机械臂的肘关节，计算多自由度机械臂其余的关节角，实现仿人运动。本发明方法可以简化运算，实现关节数和关节长度未定的多自由度机械臂的仿人运动，将调用程序封装为功能模块，适合大多数机器人平台，提高机器人的通用性。

技术领域

本发明属于人机示教技术领域，具体涉及一种基于相似性度量的多自由度机械臂仿人运动示教方法。

背景技术

目前人机示教方式主要是直接记录人体动作。当仅关注运动捕捉时，可以使用各种现有基于视觉、外骨骼或其他可佩戴的运动传感器的运动跟踪系统。这些跟踪人体运动的外部装置返回对关节的角位移的精确测量，用于全身运动的各种工作。这些方法的优点在于它们允许人自由运动，但是需要对关节匹配问题有良好的解决方案。通常，通过人和机器人关节之间的显性映射来实现，但是如果机器人结构与人类有较大的差异，则显性映射可能是相当困难的。主要原因是无法准确定义多自由度机械臂肘关节，使得人机关节映射有较大困难。

随着机器人技术的发展，越来越多的行业对仿人机器人技术提出了更高的要求。尤其是对于提高机器人的通用性，简化运算来说，使用不是类人机械臂的机器人，模仿人体动作，具有很高的价值。

发明内容

本发明针对目前人机示教方式需要提高机器人的通用性的技术问题，提出基于相似性度量的机械臂仿人运动示教方法。

为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提出基于相似性度量的机械臂仿人运动示教方法包括以下步骤：

采用运动捕捉系统获取人手臂的肩、肘和腕三个点的空间坐标，基于获得的空间坐标确定人手臂弯曲后的各关节角度；基于预先利用机械臂与人手臂的相似度确定的机械臂肘关节，计算机械臂其余的关节角，实现仿人运动。

进一步地，预先确定机械臂肘关节的方法如下：

以机械臂基座为起点，从第一个关节开始至最后一个关节，依次改变关节角度使机械臂关节角与预先确定的人手臂弯曲后的肘关节角一致，并基于每次机械臂改变的关节确定机械臂与人手臂的相似度；

使用运动量化的比较算法，将相似度最高时对应的被改变的机械臂关节设定为机械臂肘关节。

再进一步地，采用运动捕捉系统获取人的肩、肘和腕三个点的空间坐标，基于获得的空间坐标确定人手臂弯曲后的肘关节角度，计算公式如下：

d(j_a，j_b)＝||j(x_a，y_a，z_a)-j(x_b，y_b，z_b)||

d(j_a，j_b)是关节j_a和关节j_b之间的欧几里得距离；θ_肘为手臂弯曲后的肘关节角度；j(x_a，y_a，z_a)是关节j_a的空间坐标，j(x_b，y_b，z_b)是关节j_b的空间坐标。

进一步地，预先确定机械臂肘关节的具体方法包括如下步骤：

采集机械臂改变每个关节的关键帧图像，同时采集手肘弯曲至肘关节角度θ_肘时的动作关键帧图像。

将采集的人手臂和多自由度机械臂运动的关键帧图像分别做量化处理：

求人手臂和多自由度机械臂全局运动变换矩阵；