一種仿人機器人摔倒動作的相似性評價方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是涉及一種仿人機器人動作評價方法，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 仿人機器人是與人類最接近的一種機器人，和其他構(gòu)形的機器人相比，仿人機器 人在外形上更加友好，同時能方便地使用為人類發(fā)明設(shè)計的各種工具，更容易適應(yīng)人類生 活環(huán)境。隨著科技的發(fā)展，人們對智能機器人的需求日益增長。仿人機器人具有廣闊的發(fā) 展前景。
[0003] 但是目前大多數(shù)仿人機器人只能在特定環(huán)境中移動，難以適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境，而無法 投入實際應(yīng)用。主要瓶頸之一是仿人機器人摔倒會對自身造成致命性損傷，從而使其不能 正常運行。
[0004] 為了減小仿人機器人摔倒對自身造成的影響，一些學(xué)者對仿人機器人摔倒運動進 行了研宄，并提出了一些用專門的摔倒控制器來控制其摔倒運動的方法。
[0005] 專利號為200810171982. 5的中國發(fā)明專利《基于人體運動軌跡的機器人節(jié)奏性 動作的相似性評價方法》提出了基于人體規(guī)律的機器人和人體動作的相似性評價方法，包 含空間和時間因素
[0006] 非專利文獻 Huang Q, Yu Z, Zhang W, et al. Design and similarity evaluation on humanoid motion based on human motion capture [J]. Robotica，2010, 28 (05) :737-745.提出了一種描述機器人和人體空間動作（刀書表演）的 相似性評價方法，考慮空間位置和速度的動作相似。
[0007] 機器人的摔倒過程，既包含運動學(xué)上的約束，也包含動力學(xué)上的約束。尤其是摔倒 碰撞過程中，受力情況是一個重要指標。
[0008] 然而，現(xiàn)有的方法大多數(shù)只簡單的考慮了摔倒時下身的運動，而考慮手臂的運動 控制對摔倒的影響的研宄較少，特別是基于仿生的手臂摔倒運動控制更為缺乏。
[0009] 現(xiàn)有的評價函數(shù)大多只考慮空間位形和速度的相似，即只考慮運動學(xué)層次上的相 似，沒有考慮動力學(xué)方面的相似，即沒有把各關(guān)節(jié)加速度和受力因素考慮進來。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的是提供一種一種基于仿生規(guī)律的仿人機器人摔倒過程中，動作的相 似性評價方法。
[0011] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0012] 一種仿人機器人摔倒動作的相似性評價方法，包括以下步驟：
[0013] (1)通過運動捕捉系統(tǒng)捕捉人體摔倒運動數(shù)據(jù)，同時用測力臺分別測人體和機器 人手臂末端觸地受力情況；
[0014] (2)由逆運動學(xué)和逆動力學(xué)，由笛卡爾空間末端位姿，以及受力和/或力矩，求得 關(guān)節(jié)空間各關(guān)節(jié)的姿態(tài)，以及受力和/或力矩；
[0015] (3)按照各個關(guān)節(jié)是否相對于身體運動進行分割，分割段數(shù)目代號p(p = 1，2, 3··· e);對身體關(guān)節(jié)相對運動的時間段進行分析，相對靜止的不考慮，舍掉；
[0016] (4)對每一個分割的基段進行運動學(xué)和動力學(xué)時間上分割并匹配；
[0017] (5)按照匹配的結(jié)果，由機器人機械結(jié)構(gòu)自由度的約束，合理修改人體運動數(shù)據(jù)， 把人體數(shù)據(jù)映射到機器人上；
[0018] (6)對人體和機器人的數(shù)據(jù)按照采樣時間進行三次樣條插值，并得到人體和機器 人在摔倒過程中各個關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度；
[0019] (7)通過相似性評價函數(shù)，在運動學(xué)，動力學(xué)和時間上對機器人摔倒過程進行評 價。
[0020] 優(yōu)選地，所述進行評價的公式如下：
[0021 ] Sp= A+B+C+D
[0022] A和B :運動學(xué)層次的相似，即各關(guān)節(jié)位置和速度在對應(yīng)時間段上的相似；
[0023] C和D :動力學(xué)層次的相似，即各關(guān)節(jié)加速度和力（力矩）在對應(yīng)時間段上的相似。
[0024] 優(yōu)選地，所述評價公式具體如下：
【主權(quán)項】
1. 一種仿人機器人摔倒動作的相似性評價方法，包括以下步驟： (1) 通過運動捕捉系統(tǒng)捕捉人體摔倒運動數(shù)據(jù)，同時用測力臺分別測人體和機器人手 臂末端觸地受力情況； (2) 由逆運動學(xué)和逆動力學(xué)，由笛卡爾空間末端位姿，以及受力和/或力矩，求得關(guān)節(jié) 空間各關(guān)節(jié)的姿態(tài)，以及受力和/或力矩； (3) 按照各個關(guān)節(jié)是否相對于身體運動進行分割，分割段數(shù)目代號p(p= 1，2, 3…e); 對身體關(guān)節(jié)相對運動的時間段進行分析，相對靜止的不考慮，舍掉； (4) 對每一個分割的基段進行運動學(xué)和動力學(xué)時間上分割并匹配； (5) 按照匹配的結(jié)果，由機器人機械結(jié)構(gòu)自由度的約束，合理修改人體運動數(shù)據(jù)，把人 體數(shù)據(jù)映射到機器人上； (6) 對人體和機器人的數(shù)據(jù)按照采樣時間進行三次樣條插值，并得到人體和機器人在 摔倒過程中各個關(guān)節(jié)的位置、速度、加速度； (7) 通過相似性評價函數(shù)，在運動學(xué)，動力學(xué)和時間上對機器人摔倒過程進行評價。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述進行評價的公式如下： Sp= A+B+C+D A和B :運動學(xué)層次的相似，即各關(guān)節(jié)位置和速度在對應(yīng)時間段上的相似； C和D :動力學(xué)層次的相似，即各關(guān)節(jié)加速度和力（力矩）在對應(yīng)時間段上的相似。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述評價公式具體如下：
sp:分割段p的相似性評價系數(shù)； n:完成相應(yīng)摔倒動作的所有相關(guān)的關(guān)節(jié)數(shù)目； i :完成相應(yīng)動作的相關(guān)聯(lián)的關(guān)節(jié)編號； h:運動學(xué)層次上的空間和時間相似權(quán)重的比例調(diào)節(jié)系數(shù)； m:動力學(xué)層次上的各關(guān)節(jié)加速度相似影響系數(shù)；
《少"）=:機器人的i關(guān)節(jié)在分割段p的各個采樣時間段 (1…k)的關(guān)節(jié)角； [t(d(<) ..'(<) r:人體映射的i關(guān)節(jié)在分割段p的各個采樣時間段 (1…k)的關(guān)節(jié)角； AQri(tr) = |AQri(tr)眶_AQri(tr) min| :機器人對應(yīng)動作中，相關(guān)聯(lián)的所有關(guān)節(jié)的最大 誤差； it) = KU).. .tap r:機器人的i關(guān)節(jié)在分割段P的各個采樣時間段 (1…k)的關(guān)節(jié)速度； ) = :人體映射的i關(guān)節(jié)在分割段p的各個采樣時間 段（1…k)的關(guān)節(jié)速度； AQ，ri(tr) = |八(^(釷）_-八(^(釷）_| :機器人對應(yīng)動作中，相關(guān)聯(lián)的所有關(guān)節(jié)的 最大速度誤差；
= [l.(f )1.(0...1.?:)]7:機器人的i關(guān)節(jié)在分害U段p的各個采樣時間段 (1…k)的關(guān)節(jié)加速度；
4.(產(chǎn)）=T :人體映射的i關(guān)節(jié)在分割段p的各個采樣時間 段（1…k)的關(guān)節(jié)加速度； AAri(tr) = |AAri(tr)眶一AArJtU :機器人對應(yīng)動作中，相關(guān)聯(lián)的所有關(guān)節(jié)的最大 加速度誤差；
= [4.(04(0...4.(6)]":機器人的i關(guān)節(jié)在分害U段P的各個采樣時間段 (1…k)的關(guān)節(jié)受力或力矩；
4.(0 = [4. ?.(<).. .4(6)/:人體映射的i關(guān)節(jié)在分割段P的各個采樣時間段 (1…k)的關(guān)節(jié)受力或力矩； AFri(tr) = lAFr^tO^-AFriaO-l :機器人對應(yīng)動作中，相關(guān)聯(lián)的所有關(guān)節(jié)的最大 受力或力矩的誤差； Ci:權(quán)重系數(shù)，摔倒過程中，起主要作用的關(guān)節(jié)的權(quán)重大，輔助 作用的權(quán)重小。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述運動學(xué)層次上的空間和時間相似權(quán) 重的比例調(diào)節(jié)系數(shù)設(shè)為0.25。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述動力學(xué)層次上的各關(guān)節(jié)加速度相 似影響系數(shù)設(shè)為0.25。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，對于任意的分割段p， G :分割段P人體運動的總時間；
Th:人體摔倒的總體時間，，=Z " r:機器人摔倒的總體時間，廠=Ztj為保證采樣結(jié)果正確，需滿足如下約束：
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種仿人機器人摔倒動作的相似性評價方法，通過提出的相似性評價函數(shù)，綜合運動學(xué)和動力學(xué)全方位的因素，把各關(guān)節(jié)加速度和受力因素考慮進來，提供了綜合考慮機器人摔倒過程中的相似性評價方法。
【IPC分類】B25J9-16
【公開號】CN104816298
【申請?zhí)枴緾N201510239456
【發(fā)明人】黃強, 余張國, 武贏, 陳學(xué)超, 孟立波, 張偉民, 田野
【申請人】北京理工大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月12日