[发明专利]基于分布位置优化实现肌肉骨骼机器人运动控制的方法

说明书

本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种基于分布位置优化实现肌肉骨骼机器人运动控制的方法，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；通过优化肌肉的附着点的位置分布，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，具体涉及一种基于分布位置优化实现肌肉骨骼机器人运动控制的方法、系统、设备。

背景技术

机器人被誉为“制造业皇冠顶端的明珠”，已成为衡量一个国家综合科技实力的重要指标之一。自1962年第一台工业机器人上线开始，越来越多机器人系统进入工业生产线，替代工人完成重复性高、危险性强、负载量大的工作，为制造企业持续创造令人瞩目的生产效益。随着物联网、大数据、人工智能技术的持续发展，推动着机器人技术不断迭代变革，高精度、高速度、高可靠、高智能已成为新一代机器人发展的灯塔。

尽管目前的工业机器人能够保持较高的精度重复完成同一任务，但是如何让机器人变得更加灵活、更加智能，实现像人一样灵巧、柔顺、精准的运动和作业能力，仍然是机器人研究领域关注的关键问题。

人在完成高精密的操作任务过程中，一方面可以借助大脑发达的神经网络，充分调用自由度高、驱动数量冗余肌肉-骨骼系统实现灵巧运动，另一方面，人可以巧妙利用环境中的有利因素辅助完成高难度的操作任务，从而极大地提升了运动操作的鲁棒性与稳定性。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、实现人类水平的鲁棒运动和精准操作能力带来新的思路。基于此，本发明提出了一种基于分布位置优化实现肌肉骨骼机器人运动控制的方法。

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，提出了一种基于分布位置优化实现肌肉骨骼机器人运动控制的方法，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，通过优化肌肉的附着点的位置分布，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，结合所述向心等效力场，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，将机器人的肌肉的附着点的位置调整为第一位置，机器人将在约束力场的牵引作用下运动至目标点；所述第一位置为步骤S50优化时获取的最优位置分布对应的附着点的位置。