基于动捕系统的机器人步态规划与实验研究

作     者：孙军 吕连杰 孙诗华 李东华 SUN Jun;LüLianjie;SUN Shihua;LI Donghua

作者机构：沈阳建筑大学机械工程学院辽宁沈阳110168 中国工业互联网研究院辽宁分院辽宁沈阳110020 

出 版 物：《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》 (Journal of Shenyang Jianzhu University：Natural Science)

年 卷 期：2022年第38卷第1期

页      面：164-171页

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 

基　　金：国家自然科学基金项目(52075348)。 

主　　题：人形机器人 动作捕捉 步态规划 逆运动学 

摘      要：目的针对机器人行走时髋关节高度与人体髋关节变化规律不相符的现象,提出一种模仿人类步行的步态规划方法,以增强机器人运动的拟人性,减少能耗损失,增强行走稳定性。方法将动捕系统采集的人体步行数据进行递推平均滤波和savgol_filter函数预处理后得到人体步行样本;对人体步行样本进行几何缩放后生成机器人步行样本,从中提取机器人运动学参数;采用五次样条插值算法,依据人体步行样本运动规律,规划机器人下肢关节参数化运动轨迹;利用多目标粒子群优化算法得到一组满足三个设定目标的机器人运动学参数;将该组运动学参数代入机器人下肢关节参数化轨迹方程,建立机器人前向和侧向运动学模型,利用逆运动学求解下肢关节角度;使用NAO机器人验证步态规划的可行性。结果预处理能消除噪声点;几何缩放解决了机器人与人在肢体长度等方面存在的差异;五次样条插值规划的关节运动轨迹的平均相似度为95%以上;多目标粒子群算法优化结果显示:若机器人具有较高的步行稳定性,则会以降低步行速度为代价;机器人下肢髋、踝关节翻滚角度存在大小相等、方向相反的变化规律;机器人物理样机的ZMP轨迹位于支撑多边形内部;机器人行走步态与人体步行样本具有相似性。结论模仿人类步行的步态规划方法使机器人行走步态具有高稳态、低能耗、拟人化的行走特性。