基于人体运动建模的逆运动学算法研究

来源:用户上传      作者:

　　【摘 要】为提高逆运动建模的速度，并针对传统逆运动学数值法精度不高的问题，提出了一种循环坐标下降算法和BFGS算法结合的逆运动学求解算法。首先利用三维动作捕捉系统得到人体的运动数据，并建立人体的关节模型;然后对循环坐标下降和BFGS结合的算法的实现方法进行分析;最后通过仿真实验验证了算法的可行性。
　　【关键词】运动建模;逆运动学;循环坐标下降;BFGS
　　【中图分类号】TP391.9 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2019）03-0076-03
　　 逆运动学是给定末端执行器的目标位置和姿态，求解机器人各个关节的关节角。逆运动学在机器人的研究领域占有重要地位，它的好坏直接影响到后面的运动分析、运动控制和轨迹规划。因此，设计性能优越的逆运动学求解算法成为仿生机器人研究中的一個热点。
　　 针对逆运动学求解问题，国内外诸多学者进行了深入研究，并提出了一系列有效的方法。目前逆运动学求解方法主要分为三大类：代数法、几何法和数值法。代数法可以求解出所有解，但是这种方法计算复杂，适用于六自由度机器人求逆解。几何法需要将机器人空间分解为平面来求解几何参数，适用于机器人连杆参数满足特定值情况下的求解。数值法可以很好地处理自由度较多的复杂运动链，且在关节约束条件下，也具有很好的通用性和灵活性。由于人体逆运动学问题较为复杂，数值法在反复迭代后所求得的解准确度不高，因此需要对数值法的求解进行优化。目前，常用的数值法是牛顿法、Newton-Raphson法、粒子滤波法、循环坐标下降法（CCD）等算法。牛顿法当矩阵有奇异值时无法求解;Newton-Raphson法在初始点离目标点较远时无法求解;粒子滤波法计算复杂度高，而且会出现奇异值问题;传统CCD算法在离目标点较远时求解速度很快，而在近目标点时求解速度急剧下降。针对上述方法只能求得特定情况下的人体运动逆解问题，本文提出了一种更加普遍、快速的逆运动求解算法。
　　 本文的核心思想是将传统CCD算法和BFGS算法结合，融合它们的优点得到一个新的算法，从而达到快速求解的目的，并进行了求解仿真，验证了所提算法的可行性。
　　4 结语
　　 针对人体运动建模中逆运动学求解问题，提出一种CCD算法和BFGS算法结合的新的算法，并通过仿真验证了算法的性能。仿真结果表明，CCD-BFGS算法不仅克服了传统CCD算法近目标点收敛慢的缺点，而且具有较强的鲁棒性。本算法思想还可以应用于运动压缩和合成等方向，同时在推动仿生机器人的运动仿真研究有一定的借鉴意义。
　　参 考 文 献
　　[1]Chenzui L，Jiawei C，Wenjuan O，et al.Motion C-ontrol of Bionic Robots via Biomimetic Learning[J].Unmanned Systems，2018，6（3）：165-174.
　　[2]Lin Y，Min H.Inverse kinematics of modular manipulator robot with shoulder offset based on geometric method mixed with analytical method algorithm[C].IEEE International Conference on Cyber T-echnology in Automation. IEEE，2015.
　　[3]Weber W，Koenig A，Schneider K.Virtual Joints to Solve the Inverse Kinematics Problem[C].Isr/robo-tik;International Symposium on Robotics，2014.
　　[4]王利平，魏航信，刘明治.人形跑步机器人的逆运动学分析[J].机床与液压，2011，39（3）：107-109，113.
　　[5]Hecker C，Raabe B，Enslow R W，et al.Real-ti-me motion retargeting to highly varied user-created morphologies[J].ACM Transactions on Graphics，2008，27（3）：1.
　　[6]Wang L C T，Chen C C.A combined optimization method for solving the inverse kinematics problem of mechanical manipulators[J].Robotics & Autom-ation IEEE Transactions on，1991，7（4）：489-499.
　　[责任编辑：钟声贤]
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14768430.htm