[发明专利]非线性肌肉骨骼机器人控制方法、系统及设备

说明书

本发明属于肌肉骨骼机器人控制领域，具体涉及了一种非线性肌肉骨骼机器人控制方法、系统及设备，旨在解决现有拉线式骨骼机器人控制精度低、难度大的问题。本发明包括：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；结合机器人的力臂矩阵，获取机器人每条肌肉的肌肉力、肌腱长度，并计算机器人每条肌肉长度；通过后向差分获取肌纤维变化速度；基于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；通过PID控制器进行前馈控制器输出信号的调整；按照调整后的控制信号，控制机器人按照期望轨迹运动。本发明非线性肌肉骨骼机器人的前馈控制器具有鲁棒性和较强的适用性。

技术领域

本发明属于肌肉骨骼机器人控制领域，具体涉及了一种非线性肌肉骨骼机器人控制方法、系统及设备。

背景技术

目前，在自动化生产装配领域，不仅对执行操作的机器手臂的控制精度有很高要求，对机器人的灵活性以及鲁棒性也有很高得要求。现有机械臂已经具有较高的位置控制精度，但是其灵活性以及柔性较差，难以完成精细的操作任务，例如3C行业对于各种电子器件的组装，是非常困难的。目前对于该领域的组装工作主要依赖人工完成，快速且重复性的劳动对人的身心是一种摧残。为了更大程度的解放这一类劳动力，开发出一种具有类人柔顺性的机械手臂并设计一种鲁棒的控制器是至关重要的。

现有针对提升机械臂柔性和灵活性的方案一般有两种：一是通过改进传统关节连杆电机的控制方法，使其作业具有柔性，例如采用阻抗控制；但此方法需要较高的力传感精度，且控制频率要求很高，通信要求严格，因此其鲁棒性难以保证。二是通过仿生结构实现类人肌肉骨骼机械臂，希望借鉴人的结构特性和肌肉驱动特性实现柔性以及灵活性装配操作。现存仿生肌肉骨骼系统一般采用简化的类人肌肉排布和气动肌肉进行驱动，其缺点在于无法精确模拟生物肌肉的驱动特性，且气动控制精度较低，受气压和温度影响较大；还有采用电机拉线作为驱动和传动系统的机械臂，已经有一定的发展，但其控制精度和类人柔顺性较差，不具备装配作业能力。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有拉线式骨骼机器人拉线布局不合理，拉线力输出特性仿生程度不够，冗余度低，控制精度低、难度大的问题，本发明提供了一种非线性肌肉骨骼机器人控制方法，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。

在一些优选的实施例中，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。

在一些优选的实施例中，所述机器人每条肌肉的肌肉力，其计算方法为：

F^TD＝W^-1τ