[发明专利]基于肌肉参数优化构建约束力场的机器人运动控制方法

权利要求书

1.一种基于肌肉参数优化构建约束力场的机器人运动控制方法，应用于具有类人结构、类肌肉驱动器的肌肉骨骼型机器人或具有绳驱式结构的机器人，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S10，获取机器人各肌肉的附着点在机器人系统基坐标系下的空间坐标；基于所述空间坐标，计算附着点之间的距离之和，作为肌肉长度；

S20，对各肌肉长度进行归一化，并利用归一化的肌肉长度，计算各肌肉的主动力乘子、被动力乘子；结合各肌肉对应的最大等距力、激活量，对主动力乘子、被动力乘子求和，得到各肌肉对应的肌肉力；

S30，将横跨于机器人各关节两端的两个最近邻附着点投影至关节旋转轴的正交平面上，并计算旋转轴远点到投影线的距离，作为肌肉力臂；

S40，对各肌肉对应的肌肉力与肌肉力臂进行乘积求和，得到肌肉力施加于关节的力矩，并结合机器人系统在笛卡尔坐标系下的转置雅克比阵的逆阵，计算肌肉驱动力在机器人末端点形成的等效力；

S50，对于机器人工作空间中任一给定目标点r_T，通过优化肌肉的最大等距力和激活量，形成以r_T为均衡中心的约束力场；所述均衡中心为肌肉在恒定激活量作用下使机器人末端点上的等效力等于0；

S60，计算约束力场中各等效力指向r_T的力分量，得到向心等效力场；

S70，结合所述向心等效立场，利用分水岭算法计算对应的约束力场的有效范围；

S80，当机器人末端点进入约束力场的有效范围内，将机器人的人工肌肉力学特性所表达的最大等距力调整为第一最大等距力，将机器人所有肌肉的激活量设定为第一激活量，机器人将在约束力场的牵引作用下运动至目标点；所述第一最大等距力、所述第一激活量为步骤S50优化时获取的最优的最大等距力、激活量。

2.根据权利要求1所述的基于肌肉参数优化构建约束力场的机器人运动控制方法，其特征在于，“对各肌肉长度进行归一化”，其方法为：

其中，l_i(L)分别表示归一化后、归一化前的肌肉长度，表示第i条肌肉的最优肌纤维长度，L表示肌肉的附着点的空间坐标的集合。

3.根据权利要求2所述的基于肌肉参数优化构建约束力场的机器人运动控制方法，其特征在于，“计算各肌肉的主动力乘子、被动力乘子”，其方法为：

其中，分别表示肌肉的主动力乘子、肌肉的被动力乘子，γ表示高斯形状因子，k^PE表示被动力与肌肉长度间的非线性因子，表示肌肉m的被动力应力因子。

4.根据权利要求3所述的基于肌肉参数优化构建约束力场的机器人运动控制方法，其特征在于，所述肌肉力施加于关节的力矩，其计算方法为：

其中，τ_j表示肌肉力施加于关节的力矩，Λ＝(a₁,…,a_i,…,a_M)，Λ表示肌肉的激活量，表示最大等距力，R_ji(L)表示肌肉力臂，M表示肌肉的数量。

5.根据权利要求4所述的基于肌肉参数优化构建约束力场的机器人运动控制方法，其特征在于，“计算肌肉驱动力在机器人末端点形成的等效力”，其方法为：

其中，Q表示肌肉驱动力在机器人末端点形成的等效力，A(r)表示转置雅克比阵的逆阵，A_ij(r)表示矩阵A(r)中第i行第j列的元素，K表示机器人的关节数量，Γ表示肌肉在恒定的激活量和最大等距力作用下对为各关节运动提供的力矩，分别表示机器人末端等效力在笛卡尔坐标系[x₁,…,x_D]维度上的力分量。