(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111656997.2 (22)申请日 2021.12.3 0 (71)申请人 华中科技大 学 地址 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路 1037号 (72)发明人 熊蔡华　辛培阳　李全林　 (74)专利代理 机构 华中科技大 学专利中心 42201 代理人 孔娜 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) B25J 9/00(2006.01) (54)发明名称 基于人体肌骨模型的冗余机械臂拟人运动 学逆解求解方法 (57)摘要 本发明属于拟人机械臂逆运动学算法相关 技术领域， 其公开了一种基于 人体肌骨模型的冗 余机械臂拟人运动学逆解求解方法， 包括以下步 骤： (1)以最小 化肌肉损失为目标构建目标方程； (2)采用位置域的解析IK算法计算关节角反解 qs， 将qs映射为数值IK求解的初始值qind， 进而采 用LM方法进行优化求解 关节角q， 将q作为局部最 优求解的初值； (3)基于手臂关节角q初值进行局 部优化搜索， 直至满足终止准则， 在当前所有局 部最优值中选择最优结果作为全局最优解qopt； (4)通过臂的摇摆角建立肌骨模型与 拟人机械臂 的映射， 进而将得到的全局最优解映射到机械臂 运动学模型中， 以确定机械臂的拟人姿态。 本发 明增加了机械臂的安全感与舒适度， 提高了人机 交互效率。 权利要求书3页 说明书9页 附图1页 CN 114329986 A 2022.04.12 CN 114329986 A 1.一种基于人体肌骨模型的冗余机械臂拟人运动学逆解求解方法， 其特征在于， 该方 法包括以下步骤： (1)基于人体手臂肌肉损失的数学模型及人体手臂肌骨模型对应的运动学方程， 以最 小化肌肉损失为目标构建目标 方程； (2)基于所述目标方程及拟人机械臂运动学模型， 采用位置域的解析IK算法计算关节 角反解qs， 将qs映射为基于肌骨模型的数值IK求解的初始值qind， 进而采用LM方法进行优化 求解以得到满足运动学约束的关节角q， 将q作为局部最优求 解的初值； (3)基于每一个求解得到的手臂关节角q初值进行局部优化搜索， 对容许范围内的手臂 旋转角 ψH进行预定间隔范围内的重采样， 获取不 同手臂关节角q初值并重复进行局部搜索 过程， 直至满足 终止准则， 在当前 所有局部最优值中选择最优结果作为全局最优解qopt； (4)通过臂的摇摆角建立肌骨模型与拟人机械臂的映射， 进而将得到的全局最优解映 射到机械臂运动学模型中， 以确定机械臂的拟人姿态， 计算得到机械臂在拟人姿态下 的各 个关节角度， 完成机 械臂逆运动学冗余姿态解析。 2.如权利要求1所述的基于人体肌骨模型的冗余机械臂拟人运动学逆解求解方法， 其 特征在于： 基于人体手臂的肌骨模型， 对于给定的末端抓取目标位姿， 对应的运动学方程 为： Te＝fe(q) q≤qu q≥ql 其中， q∈R20*1是肌骨模型关节的广义坐标系， A(q)∈R20*20是肌骨模型的质量矩阵， 是向心力和科式力向量， g(q)∈R20*1是重力向量， τ∈R20*1是广义控制力矩 向量， Te∈R4*4是抓取目标姿态矩阵， qu∈R20*1是广义坐标系的上限， ql∈R20*1是广义坐标系 的下限， fe(·)： R20→R4*4是基于手臂肌骨 模型的从关节角到手臂末端姿态的连续非线性正 运动学映射。 3.如权利要求2所述的基于人体肌骨模型的冗余机械臂拟人运动学逆解求解方法， 其 特征在于： 人体 手臂肌肉损失的数 学模型为： s.t. am是肌肉m的激活水平， 是肌肉m的最大轴向力， lm是肌肉m的长度， υm是肌肉m的收缩 速度， 是肌肉m的力矩 ‑长度‑速度平面， rm， j是肌肉m关于关节轴j的力臂， αm是 肌肉m的羽状角， τj是作用在关节轴j上的广义力。 4.如权利要求3所述的基于人体肌骨模型的冗余机械臂拟人运动学逆解求解方法， 其权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 114329986 A 2特征在于： 以最小化肌肉损失为优化目标的目标 方程为： τ ＝g(q) Te＝fe(q) q≤qu q≥ql 其中， lm(q)是肌肉m与姿态相关的肌肉长度， rm， j(q)是肌肉m关于关节轴j的姿态相关的 力臂。 5.如权利要求1所述的基于人体肌骨模型的冗余机械臂拟人运动学逆解求解方法， 其 特征在于： 步骤(2)中采用的映射 准则为： qind＝Kqs 其中， K一般为稀疏矩阵， 稀疏矩阵K的设定取决于具体机 械臂的结构特性。 6.如权利要求1所述的基于人体肌骨模型的冗余机械臂拟人运动学逆解求解方法， 其 特征在于： 局部优化搜索的方向为： 其中， qind是手臂肌骨模型的独立关节坐标系， Jv(q)是几何雅可比矩阵， W是将qind转换 为q的权重矩阵， N( ·)是求算矩阵的零空间的运算符， 步长ρ 为正值标量， 以在搜索过程中 减少E(q)； 设置ρ初始值为1e ‑3， 当ρ小于设定的常量， 或者E(q)在两个搜索方向同时递增 时， 则满足局部收敛准则。 7.如权利要求1所述的基于人体肌骨模型的冗余机械臂拟人运动学逆解求解方法， 其 特征在于： 步骤(3)中的重采样的终止准则为： 其中， ω为所有求解得到的不同的局部最优值的数量， N是应用于局部最优求解的采样 值的数量， ε和 δ 是 具体的终止准则。权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 114329986 A 3