[发明专利]非线性肌肉骨骼机器人控制方法、系统及设备

权利要求书

1.一种非线性肌肉骨骼机器人控制方法，其特征在于，该方法包括：

步骤S10，根据拉格朗日动力学的逆，前馈控制器输入，计算机器人的关节转矩，并结合机器人的力臂矩阵获取机器人每条肌肉的肌肉力；所述前馈控制器输入包括期望关节角和期望关节角速度；

步骤S20，基于Thelen2003肌肉动力学模型的肌肉力与肌腱长度的函数关系，获取机器人每条肌肉的肌腱长度，并根据机器人肌肉在骨骼上的几何分布关系获取机器人每条肌肉长度；

步骤S30，基于所述机器人每条肌肉长度和肌腱长度，计算机器人每条肌肉的肌纤维长度，并通过后向差分获取肌纤维变化速度；

步骤S40，基于所述机器人每条肌肉的肌肉力、肌纤维长度和变化速度，构建机器人前馈控制器；

步骤S50，以将t_j时刻期望关节角与响应关节角的误差作为PID控制器的输入信号，通过所述PID控制器t_j+1时刻的输出信号进行所述机器人前馈控制器输出信号的调整；

步骤S60，基于调整后的t_j+1时刻的控制信号，控制机器人按照期望轨迹运动。

2.根据权利要求1所述的非线性肌肉骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述机器人的关节转矩，其计算方法为：

其中，τ代表机器人的关节转矩，M代表连杆惯性矩阵，C代表科里奥利力与离心力矩阵，G代表重力变化矩阵，θ、和分别代表期望关节角、期望关节角速度和期望关节角加速度。

3.根据权利要求1所述的非线性肌肉骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述机器人每条肌肉的肌肉力，其计算方法为：

F^TD＝W^-1τ

其中，F^TD代表肌肉力，τ代表机器人的关节转矩，W代表力臂矩阵，W^-1为W的逆矩阵。

4.根据权利要求1所述的非线性肌肉骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述机器人每条肌肉的肌纤维长度，其计算方法为：

l^M＝(l^MT-l^TD)/cosα

其中，l^M代表肌纤维长度，l^MT代表肌肉长度，l^TD代表肌腱长度，α代表羽状角。

5.根据权利要求1所述的非线性肌肉骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述肌纤维变化速度，其计算方法为：

其中，代表时间t为变量的肌纤维变化速度，l^M(t)和l^M(t-1)分别代表t时刻和t-1时刻的肌纤维长度，Δt代表t时刻和t-1时刻的时间变化量。

6.根据权利要求1所述的非线性肌肉骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述机器人前馈控制器激活信号模型为：

其中，a(t)为t时刻机器人前馈控制器控制信号，l^M(t)和分别代表t时刻的肌纤维长度和肌纤维变化速度，F^TD(t)代表t时刻的肌肉力，F^PE代表肌纤维被动伸长产生的力，f_l代表力-长度系数，f_v代表力-速度系数。

7.根据权利要求1所述的非线性肌肉骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述PID控制器t_j+1时刻的输出信号，其表示为：

其中，k_p为比例系数，k_i为积分系数，k_d为微分系数，为PID控制器t_j时刻的输出信号，代表t_j时刻期望关节角与响应关节角的误差，代表关节角速度误差。

8.根据权利要求6所述的非线性肌肉骨骼机器人控制方法，其特征在于，所述F^PE、f_l、f_v通过Thelen2003肌肉动力学模型的函数关系获取。