[發明專利]基于肌肉參數優化構建約束力場的機器人運動控制方法

有效

• 申請號: 202110396855.0
• 申請日: 2021-04-13
• 公開（公告）號: CN113084813B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 鐘汕林;陳紫渝;周俊杰;喬紅
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京市恒有知識產權代理事務所(普通合伙) 11576
• 代理人: 郭文浩;尹文會

本發明屬于智能機器人領域，具體涉及一種基于肌肉參數優化構建約束力場的機器人運動控制方法，旨在解決現有的肌肉骨骼機器人運動控制精度較差的問題。本方法包括計算機器人各肌肉的附著點之間的距離之和，作為肌肉長度；計算各肌肉對應的肌肉力；計算肌肉力臂；計算肌肉驅動力在機器人末端點形成的等效力；通過優化肌肉的最大等距力和激活量，形成以目標點為均衡中心的約束力場；計算約束力場中各等效力指向目標點的力分量，得到向心等效力場；利用分水嶺算法計算對應的約束力場的有效范圍；控制機器人在約束力場的牽引作用下運動至目標點。本發明提高了肌肉骨骼機器人運動控制精度。

技術領域

本發明屬于智能機器人領域，具體涉及一種基于肌肉參數優化構建約束力場的機器人運動控制方法、系統、設備。

背景技術

如何讓機器人實現高精度、高柔順的運動能力，是機器人研究領域長期關注的問題。傳統的關節型機器人系統為了提高系統重復運動精度，要求機器人系統具有很高的剛度，同時需要精密傳感設備的協同發展，使得現有機器人系統的精度提升十分緩慢，極大地限制機器人的廣泛應用。而相比于關節連桿型機器人系統，由肌肉、肌腱、骨骼、運動神經構成的生物運動系統，不僅能夠產生瞬時爆發力實現快速大負載的奔跑、跳躍、抬舉，同時也能保證在精巧任務中對力和動作的精準把控。這種卓越的運動特性主要得益于生物肌肉-骨骼運動系統冗余性與柔順性的相輔相成。因此，將機器人學、神經科學和生物力學的前沿成果進行深度融合，開展生物啟發式肌肉骨骼機器人研究，有望將生物運動系統的優勢引入機器人系統，為進一步提高機器人系統的靈巧性和柔順性、實現人類水平的運動和操作能力帶來新的思路。基于此，本發明提出了一種基于肌肉參數優化構建約束力場的機器人運動控制方法。

發明內容

為了解決現有技術中的上述問題，即為了解決現有的肌肉骨骼機器人運動控制精度較差的問題，本發明第一方面，提出了一種基于肌肉參數優化構建約束力場的機器人運動控制方法，應用于具有類人結構、類肌肉驅動器的肌肉骨骼型機器人或具有繩驅式結構的機器人，該方法包括：

S10，獲取機器人各肌肉的附著點在機器人系統基坐標系下的空間坐標；基于所述空間坐標，計算附著點之間的距離之和，作為肌肉長度；

S20，對各肌肉長度進行歸一化，并利用歸一化的肌肉長度，計算各肌肉的主動力乘子、被動力乘子；結合各肌肉對應的最大等距力、激活量，對主動力乘子、被動力乘子求和，得到各肌肉對應的肌肉力；

S30，將橫跨于機器人各關節兩端的兩個最近鄰附著點投影至關節旋轉軸的正交平面上，并計算旋轉軸遠點到投影線的距離，作為肌肉力臂；

S40，對各肌肉對應的肌肉力與肌肉力臂進行乘積求和，得到肌肉力施加于關節的力矩，并結合機器人系統在笛卡爾坐標系下的轉置雅克比陣的逆陣，計算肌肉驅動力在機器人末端點形成的等效力；

S50，對于機器人工作空間中任一給定目標點r_T，通過優化肌肉的最大等距力和激活量，形成以r_T為均衡中心的約束力場；所述均衡中心為肌肉在恒定激活量作用下使機器人末端點上的等效力等于0；

S60，計算約束力場中各等效力指向r_T的力分量，得到向心等效力場；

S70，結合所述向心等效立場，利用分水嶺算法計算對應的約束力場的有效范圍；

S80，當機器人末端點進入約束力場的有效范圍內，將機器人的人工肌肉力學特性所表達的最大等距力調整為第一最大等距力，將機器人所有肌肉的激活量設定為第一激活量，機器人將在約束力場的牽引作用下運動至目標點；所述第一最大等距力、所述第一激活量為步驟S50優化時獲取的最優的最大等距力、激活量。

在一些優選的實施方式中，“對各肌肉長度進行歸一化”，其方法為：