[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

说明书

本发明属于智能机器人领域，具体涉及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，旨在解决现有的肌肉骨骼机器人运动控制精度较差的问题。本方法包括计算机器人各肌肉的附着点之间的距离之和，作为肌肉长度；计算各肌肉对应的肌肉力；计算肌肉力臂；计算肌肉驱动力在机器人末端点形成的等效力；通过优化肌肉的最大等距力和激活量，形成以目标点为均衡中心的约束力场；计算约束力场中各等效力指向目标点的力分量，得到向心等效力场；利用分水岭算法计算对应的约束力场的有效范围；控制机器人在约束力场的牵引作用下运动至目标点。本发明提高了肌肉骨骼机器人运动控制精度。

技术领域

本发明属于智能机器人领域，具体涉及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、系统、设备。

背景技术

如何让机器人实现高精度、高柔顺的运动能力，是机器人研究领域长期关注的问题。传统的关节型机器人系统为了提高系统重复运动精度，要求机器人系统具有很高的刚度，同时需要精密传感设备的协同发展，使得现有机器人系统的精度提升十分缓慢，极大地限制机器人的广泛应用。而相比于关节连杆型机器人系统，由肌肉、肌腱、骨骼、运动神经构成的生物运动系统，不仅能够产生瞬时爆发力实现快速大负载的奔跑、跳跃、抬举，同时也能保证在精巧任务中对力和动作的精准把控。这种卓越的运动特性主要得益于生物肌肉-骨骼运动系统冗余性与柔顺性的相辅相成。因此，将机器人学、神经科学和生物力学的前沿成果进行深度融合，开展生物启发式肌肉骨骼机器人研究，有望将生物运动系统的优势引入机器人系统，为进一步提高机器人系统的灵巧性和柔顺性、实现人类水平的运动和操作能力带来新的思路。基于此，本发明提出了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。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有的肌肉骨骼机器人运动控制精度较差的问题，本发明第一方面，提出了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，该方法包括：

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。

在一些优选的实施方式中，“对各肌肉长度进行归一化”，其方法为：