[发明专利]一种仿人机器人模拟人体上肢潜意识动作姿态的方法

权利要求书

1.一种仿人机器人模拟人体上肢潜意识动作姿态的方法，其特征在于，该方法主要包括如下步骤：

(1)根据人体舒适与疲劳的生物力学机理，确定肌力(肌肉硬度、肌电信号)为研究肌肉疲劳的生物力学指标；

(2)根据人体上肢的结构及其运动特征，将人体上肢动作分解为7个分支动作，分别为上臂侧举、上臂水平屈伸，上臂旋转、前臂弯曲、前臂旋转、手腕弯曲和手腕侧屈，并确定每个分支动作的关节运动转角范围和实现运动的相关肌肉群权重；

(3)通过上述生物力学指标的客观试验，结合主观实验和仿真实验数据，分别建立7个分支动作的舒适度分值与其相应关节运动转角的函数关系；

(4)根据人体上肢的结构及其运动特征，建立7自由度上肢动作姿态计算模型，同时以人体动作姿态舒适度最佳为目标，建立以人体上肢7个分支动作关节运动转角为变量的评价及优化模型；

(5)利用Matlab优化模块中的“惩罚函数法”，通过优化程序计算，得出最佳舒适度下人体抓取已知目标点时潜意识动作姿态的各关节运动转角；

(6)利用上述评价及优化模型所得到的各关节运动转角参数作为机器人相关关节驱动电机的输入量，实现仿人机器人对人体潜意识动作姿态的真实模拟。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述各分支动作的舒适度分值和相应关节运动转角的函数关系是依照人体上肢关节运动舒适度测试试验数据确定的，试验步骤如下：

(1)受试者从初始角度开始动作，以相同的角度增量改变动作角度，最终完成每个分支动作试验中相应关节运动转角范围内肌力数据的测量；

(2)在每一分支动作的相应测量角度位置需停留设定的时间，测量人体上肢相关肌肉群的肌力数据；对所测得的数据进行处理，将个体之间有差异的肌力数据转换成可以相互比较的肌肉舒适度分值，进而得到每个分支动作舒适度分值与其相应关节运动转角的函数关系。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的7自由度上肢动作姿态计算模型按如下步骤进行建立：

(1)将人体上肢模型简化为3个连杆，分别代表人体的上臂、前臂和手，根据人体上肢3个关节运动形式的特点，将肩关节简化为3个自由度的球面副，肘关节和腕关节分别为2自由度的运动副；

(2)以上臂臂长、前臂臂长、掌心距和上肢各动作关节角度为参数，定义上肢处于初始位置时，上臂、前臂、手掌自然下垂，呈竖直向下状态，手掌、前臂与上臂向量同向，且前臂弯曲和手掌弯曲角度均为零度，参照中国成年人人体尺寸标准GB10000-88，上肢模型取50百分位男子人体尺寸参数，L₁＝313mm、L₂＝237mm、L₃＝92mm。；

(3)将所得到的每个分支动作舒适度分值和相应关节运动转角的函数关系通过加权处理，建立以人体上肢7个分支动作关节运动转角为变量的上肢动作姿态舒适度评价及优化模型；

(4)在所建立的7自由度上肢动作姿态计算模型中，约束条件包括掌心的向量坐标与目标点向量坐标重合方程和关节运动转角范围不等式。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的人体上肢7个分支动作舒适度分值与其相应关节运动转角的函数关系如下所示：

f1(θ1)=-0.0000012338θ13+0.0008038852θ12-0.0616327321θ1+1.46145]]>

f2(θ2)=0.0000033422θ23-0.0011117671θ22+0.14212277θ2+1.39854]]>

f3(θ3)=0.00000580θ33+0.001484465θ32+0.046862098θ3+0.41773]]>

f4(θ4)=0.00000114411θ43+0.0000351901θ42-0.00319436θ4+2.1888]]>

f5(θ5)=0.00000214101θ53+0.0000421522θ52+0.00621365θ5+1.3173]]>

f6(θ6)=0.000001061θ63+0.00169623θ62-0.00551086θ6+0.29228]]>

f7(θ7)=0.00003112θ73+0.00212648θ72-0.00226453θ7+2.346]]>

其中：f_i(θ₁)表示上臂侧举分支动作的舒适度分值；

      f_i(θ₂)表示上臂水平屈伸分支动作的舒适度分值；

      f_i(θ₃)表示上臂旋转分支动作的舒适度分值；

      f_i(θ₄)表示前臂弯曲分支动作的舒适度分值；

      f_i(θ₅)表示前臂旋转分支动作的舒适度分值；

      f_i(θ₆)表示手腕弯曲分支动作的舒适度分值；

      f_i(θ₇)表示手腕侧屈分支动作的舒适度分值；

      θ₁～θ₇表示7个分支动作对应关节运动转角。