基于人体运动捕捉数据的仿人机器人步态规划和控制

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1、中文图书分类号：TP24密级：公开UDC：621.3学校代码：10005硕士学位论文MASTERALDISSERTATION论文题目：基于人体运动捕捉数据的仿人机器人步态规划和控制论文作者：邵杰学科：控制科学与工程指导教师：龚道雄副教授论文提交日期：2017年5月UDC：621.3学校代码：10005中文图书分类号：TP24学号：S201402125密级：公开北京工业大学工学硕士学位论文（全日制）题目：基于人体运动捕捉数据的仿人机器人步态规划和控制英文题目：STUDYOFGAITPLANNINGANDCONTROLOFTHEHUMANOIDROBOTBASED

2、ONHUMANMOTIONCAPTUREDATA论文作者：邵杰学科专业：控制科学与工程研究方向：机器人技术申请学位：工学硕士指导教师：龚道雄副教授所在单位：信息学部答辩日期：2017年5月授予学位单位：北京工业大学独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：邵杰日期：2017年6月

3、8日关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：邵杰日期：2017年6月8日导师签名：龚道雄日期：2017年6月8日摘要摘要仿人机器人实现其各项活动的前提是有稳定的步态。仿人机器人的步态研究包括步态规划和步行控制两个方面，其中步态规划的目的是获得一组下肢各关节关于时间的角度序列，步行控制的目的是在步态规划的前提下依照相关稳定性控制策略对步态进行修正控制。人类拥

4、有世界上最完善的两足行走方式，参考人类的步态对仿人机器人进行步态规划和控制不仅能够大大降低步态规划的难度，同时可以获得更加类人的步态，具有广阔的应用前景。本课题基于人体运动模式生成了机器人的运动模式，并且基于ZMP控制策略对其步态进行稳定性控制，实现了机器人的稳定行走，取得的成果包括以下几个方面：(1)基于人体运动捕捉数据的人体步态模式提取实现了人体步态模式的提取。模式是主体行为的一般方式，人类步态模式即是人类的步行规律。首先建立了人体骨骼的D-H模型，联合卡内基梅隆大学图像实验室提供的.bvh格式的运动捕捉数据解析完成了关节空间中人体各自由度的姿态解算，生成

5、了适用于机器人控制的在关节空间中各肢体相对运动的角度；其次基于步态周期分割、归一化等数学操作提取了人体步态模式，为机器人步态模式的生成奠定了基础。MotionBuilder以及Matlab仿真实验证明了人体步态模式的有效性。(2)基于人体步态模式的仿人机器人步态模式生成实现了机器人步态模式的生成。首先基于仿人机器人的自由度配置完成了在Webots中仿真模型的搭建；人体和机器人之间存在结构差异，需要对人体和机器人之间进行运动学匹配工作，因此其次分析了人体和机器人步行模型之间的结构差异，完成了基于关节自由度约束、仿人机器人初始位姿调整、关键帧位姿约束的人体和机器人

6、之间的运动学匹配；最后经过平均值滤波、Hermite插值等工作，完成了机器人步态模式的生成。Webots中的运动学仿真实验表明了机器人步态模式的有效性。(3)基于ZMP稳定性能指标和步态模式的机器人步行控制实现了机器人的稳定性控制。首先分析了仿人机器人稳定行走的条件，求解了多质点和单质点仿人机器人模型的ZMP位置；其次基于机器人脚底的压力传感器完成了机器人实时ZMP的测量，并且基于ZMP控制策略对机器人的髋关节角度进行了算法寻优求解，Webots中的动力学仿真实验表明机器人在行走过程中，其ZMP点始终处于稳定区域内，证实了基于ZMP生成的机器人步态模式的I北京

7、工业大学工学硕士学位论文有效性；最后完成了机器人行走过程中的类人性评价，相似性函数结果表明机器人和人体的步态相似性在绝大部分时刻超过70%，满足机器人步态类人性的要求。关键词：仿人机器人，人体运动捕捉数据，步态规划，步行控制IIAbstractAbstractThepremiseofhumanoidrobotstoachievetheiractivitiesistohaveastablegait.Thegaitresearchofhumanoidrobotsincludestwoaspectsofgaitplanningandgaitcontrol,inwhi

8、chthepurposeofgaitp