[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

说明书

技术领域

本发明涉及人机工程学和机器人学领域，涉及仿人机器人上肢位姿的生成方法，尤其涉及一种仿人机器人模拟人体上肢潜意识动作姿态的方法。

背景技术

人机工程学的研究是人机环境布局评价及优化设计的重要手段，也是减少人机环境布局设计缺陷所引起的误操作和人体疲劳损伤等问题的重要途径，但由于人机工程学的理论与方法多为机理性研究，所提出的设计方法主要集中于宏观指导和主观评价，缺乏必要的人机评价及优化设计客观试验依据及辅助检测装备。因此，人机环境布局评价及优化设计的客观试验依据及辅助检测装备是其有待解决的重要问题。

目前，人机环境布局评价及优化设计主要依据已有设计经验，在样机制造出之后，由测试人员或者人机工效专家进行现场主观评价，进而对不合理之处进行更改，但以上方法并没有依据客观试验数据，难以真实而有效地实现对人机环境布局的客观评价及优化设计，这极大地制约了人机工程学在人机环境布局评价及优化设计领域的应用，也成为该领域的一大瓶颈。正是基于上述原因，一些学者将具有拟人位姿的仿人机器人引入该领域，但大多数仿人机器人的位姿生成通常采用示教再现法和D-H法等，这些方法虽然在一定程度上模拟了人体的动作姿态，但尚未在人体动作姿态和机器人位姿之间建立联系，进而利用人体潜意识动作规律控制仿人机器人的位姿生成，将人体动作姿态舒适度准则即人体潜意识动作规律运用于仿人机器人位姿的生成，使其位姿与人体潜意识动作姿态一致。因此，将对人体潜意识动作规律的研究成果应用于仿人机器人位姿的生成领域是实现其拟人位姿的一个重要途径，同时也为人机环境布局评价及优化设计提供了客观试验依据及辅助检测装备。

发明内容

本发明的目的在于依据人体潜意识动作就是人体最舒适动作姿态这一基本思想，提出了一种仿人机器人模拟人体上肢潜意识动作姿态的方法，将人体动作姿态舒适度准则即人体潜意识动作规律运用于仿人机器人上肢位姿的生成，使仿人机器人上肢位姿与人体上肢潜意识动作姿态一致，提高了其拟人程度。

为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：

(1)根据人体舒适与疲劳的生物力学机理，即肌肉主动收缩产生肌力对外做功，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，对所测得的数据进行处理，将个体之间有差异的肌力和血流特性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；

(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，同时基于(3)中所述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，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上肢动作姿态舒适度评价及优化模型；

(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。

本发明依据人体舒适度的生物力学指标客观试验所得到的数据，通过对数据的处理，在分别得出人体上肢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后，进一步以人体动作姿态舒适度最佳为目标，将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拟合成以人体上肢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，得出人体最舒适动作姿态即为人体潜意识动作姿态，并将此研究成果应用于机器人上肢位姿的生成，实现仿人机器人上肢位姿的拟人化。本发明方法具有以下优点：1、该方法源于对人体潜意识动作姿态的研究，此研究基于客观生物力学试验，得出了客观的人体上肢动作姿态舒适度分值与其各关节运动转角的函数关系；2、该方法的原理来源对人体动作姿态舒适度的研究，因此，利用该方法控制位姿生成的仿人机器人拟人化程度更高；3、该方法形式简单，易于实现。

附图说明

图1是本发明所述仿人机器人模拟人体上肢潜意识动作姿态的方法流程图。