肌肉骨骼机械臂控制方法和装置.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115070760A(43)申请公布日2022.09.20(21)申请号202210687339.8(22)申请日2022.06.16(71)申请人中国科学院自动化研究所地址100190北京市海淀区中关村东路95号申请人北京科技大学(72)发明人吴亚雄乔红原建博范业锐(74)专利代理机构北京路浩知识产权代理有限公司11002专利代理师梁军丽(51)Int.Cl.B25J9/16(2006.01)权利要求书3页说明书11页附图4页(54)发明名称肌肉骨骼机械臂控制方法和装置(57)摘要本发明提供一种肌肉骨骼机械臂控制方法和装置，涉及仿生机器人技术领域，其中方法包括：基于肌肉骨骼机械臂的活动端的目标位置，以及肌肉骨骼机械臂的运动学模型，确定肌肉骨骼机械臂中各个关节模块的目标关节角和各个肌肉模块的肌肉长度；基于各个关节模块的目标关节角，以及肌肉骨骼机械臂的骨骼动力学模型，确定各个肌肉模块的肌肉力；基于各个肌肉模块的肌肉力和肌肉长度，以及肌肉收缩动力学模型，确定肌肉骨骼机械臂中各个肌肉模块的肌肉控制信号，并基于各个肌肉模块的肌肉控制信号，控制肌肉骨骼机械臂的活动端移动至目标位置。本发明提供的方法和装置，具有低控制频率实现高控制精度的效果，且具有较高的环境干扰抵抗能力。CN115070760ACN115070760A权利要求书1/3页1.一种肌肉骨骼机械臂控制方法，其特征在于，包括：基于肌肉骨骼机械臂的活动端的目标位置，以及所述肌肉骨骼机械臂的运动学模型，确定所述肌肉骨骼机械臂中各个关节模块的目标关节角；基于各个关节模块的目标关节角，以及所述肌肉骨骼机械臂的运动学模型，确定各个肌肉模块的肌肉长度；基于各个关节模块的目标关节角，以及所述肌肉骨骼机械臂的骨骼动力学模型，确定各个肌肉模块的肌肉力；基于各个肌肉模块的肌肉力和肌肉长度，以及肌肉收缩动力学模型，确定所述肌肉骨骼机械臂中各个肌肉模块的肌肉控制信号，并基于各个肌肉模块的肌肉控制信号，控制所述肌肉骨骼机械臂的活动端移动至所述目标位置；其中，所述肌肉骨骼机械臂包括多个关节模块，以及附着在所述关节模块上的肌肉模块。2.根据权利要求1所述的肌肉骨骼机械臂控制方法，其特征在于，所述肌肉骨骼机械臂的运动学模型包括：P＝Gl(Θ)Lm＝Gm(Θ)式中，P为所述肌肉骨骼机械臂的活动端的空间位置，Θ为各个关节模块的关节角组成的关节角向量，Gl为对所述肌肉骨骼机械臂进行DH参数建模得到的映射函数，Lm为各个肌肉模块的肌肉长度，Gm为通过肌肉模块附着点与关节模块的关节角形成的几何关系推导得到的肌肉长度与关节角的映射函数，为第n个肌肉模块的肌肉长度。3.根据权利要求2所述的肌肉骨骼机械臂控制方法，其特征在于，所述基于肌肉骨骼机械臂的活动端的目标位置，以及所述肌肉骨骼机械臂的运动学模型，确定所述肌肉骨骼机械臂中各个关节模块的目标关节角，包括：Pt＝Gl(Θt)Pt＝[xtytzt]Θt＝[θ1θ2…θm]式中，Pt为所述肌肉骨骼机械臂的活动端在t时刻的目标位置，xt，yt和zt为所述活动端在t时刻的空间坐标，Θt为t时刻各个关节模块的目标关节角组成的目标关节角向量，θm为第m个关节模块的目标关节角。4.根据权利要求2所述的肌肉骨骼机械臂控制方法，其特征在于，所述基于各个关节模块的目标关节角，以及所述肌肉骨骼机械臂的运动学模型，确定各个肌肉模块的肌肉长度，包括：tLm＝Gm(Θt)t式中，Lm为t时刻各个肌肉模块的肌肉长度。2CN115070760A权利要求书2/3页5.根据权利要求1所述的肌肉骨骼机械臂控制方法，其特征在于，所述基于各个关节模块的目标关节角，以及所述肌肉骨骼机械臂的骨骼动力学模型，确定各个肌肉模块的肌肉力，包括：对所述肌肉骨骼机械臂进行动力学建模，得到所述肌肉骨骼机械臂的骨骼动力学模型；基于所述骨骼动力学模型，确定各个肌肉模块的肌肉力；所述骨骼动力学模型为：τ＝WF式中，Θ为各个关节模块的关节角组成的关节角向量，M为所述肌肉骨骼机械臂的惯性矩阵，C为科氏力和离心力矩阵，G为重力变化矩阵，W为肌肉模块的肌肉速度与关节模块的关节角速度之间的雅克比矩阵，F为各个肌肉模块的肌肉力组成的向量，τ为关节模块的关节转矩。6.根据权利要求5所述的肌肉骨骼机械臂控制方法，其特征在于，所述基于所述骨骼动力学模型，确定各个肌肉模块的肌肉力，包括：‑1F＝W(Θt)G(Θt)式中，为第n个肌肉模块的肌肉力，Θt为t时刻各个关节模块的目标关节角组成的目标关节角向量。7.根据权利要求6所述的肌肉骨骼机械臂控制方法，其特征在于，所述基于各个肌肉模块的肌肉力和肌肉长度，以及肌肉收缩动力学模型，确定所述肌肉骨骼机械臂中各个肌肉模块的肌肉控制信号，包括：式中，a(t)