(19)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 202210687339.8 (22)申请日 2022.06.16 (71)申请人 中国科学院自动化研究所 地址 100190 北京市海淀区中关村东路95 号 申请人 北京科技大 学 (72)发明人 吴亚雄　乔红　原建博　范业锐　 (74)专利代理 机构 北京路浩知识产权代理有限 公司 11002 专利代理师 梁军丽 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) (54)发明名称 肌肉骨骼机 械臂控制方法和装置 (57)摘要 本发明提供一种肌肉骨骼机械臂控制方法 和装置， 涉及仿生机器人技术领域， 其中方法包 括： 基于肌肉骨骼机械臂的活动端的目标位置， 以及肌肉骨骼机械臂的运动学模 型， 确定肌肉骨 骼机械臂中各个关节模块的目标关节角和各个 肌肉模块的肌肉长度； 基于各个关节模块的目标 关节角， 以及肌肉骨骼机械臂的骨骼动力学模 型， 确定各个肌肉模块的肌肉力； 基于各个肌肉 模块的肌肉力和肌肉长度， 以及肌肉收缩动力学 模型， 确定肌肉骨骼机械臂中各个肌肉模块的肌 肉控制信号， 并基于各个肌肉模块的肌肉控制信 号， 控制肌肉骨骼机械臂的活动端移动至目标位 置。 本发明提供的方法和装置， 具有低控制频率 实现高控制精度的效果， 且具有较高的环境干扰 抵抗能力。 权利要求书3页 说明书11页 附图4页 CN 115070760 A 2022.09.20 CN 115070760 A 1.一种肌肉骨骼机 械臂控制方法， 其特 征在于， 包括： 基于肌肉骨骼机械臂的活动端的目标位置， 以及所述肌肉骨骼机械臂 的运动学模型， 确定所述肌肉骨骼机 械臂中各个关节模块的目标关节角； 基于各个关节模块的目标关节角， 以及所述肌肉骨骼机械臂 的运动学模型， 确定各个 肌肉模块的肌肉长度； 基于各个关节模块的目标关节角， 以及所述肌肉骨骼机械臂 的骨骼动力学模型， 确定 各个肌肉模块的肌肉力； 基于各个肌肉模块的肌肉力和肌肉长度， 以及肌肉收缩动力学模型， 确定所述肌肉骨 骼机械臂中各个肌肉模块的肌肉控制信号， 并基于各个肌肉模块的肌肉控制信号， 控制所 述肌肉骨骼机 械臂的活动端移动至所述目标位置； 其中， 所述肌肉骨骼机械臂包括多个关节模块， 以及附着在所述关节模块上的肌肉模 块。 2.根据权利要求1所述的肌肉骨骼机械臂控制方法， 其特征在于， 所述肌肉骨骼机械臂 的运动学模型包括： P＝Gl(Θ) Lm＝Gm(Θ) 式中， P为所述肌肉骨骼机械臂的活动端的空间位置， Θ为各个关节模块的关节角组成 的关节角向量， Gl为对所述肌肉骨骼机械臂 进行DH参数建模得到的 映射函数， Lm为各个肌肉 模块的肌肉长度， Gm为通过肌肉模块附着点与关节模块的关节角形成的几何关系推导得到 的肌肉长度与关节角的映射 函数， 为第n个肌肉模块的肌肉长度。 3.根据权利要求2所述的肌肉骨骼机械臂控制方法， 其特征在于， 所述基于肌肉骨骼机 械臂的活动端的目标位置， 以及所述肌肉骨骼机械臂的运动学模型， 确定所述肌肉骨骼机 械臂中各个关节模块的目标关节角， 包括： Pt＝Gl(Θt) Pt＝[xt yt zt] Θt＝[ θ1 θ2…θm] 式中， Pt为所述肌肉骨骼机械臂的活动端在t时刻的目标位置， xt， yt和zt为所述活动端 在t时刻的空间坐标， Θt为t时刻各个关节模块的目标关节角组成的目标关节角向量， θm为 第m个关节模块的目标关节角。 4.根据权利要求2所述的肌肉骨骼机械臂控制方法， 其特征在于， 所述基于各个关节模 块的目标关节角， 以及所述肌肉骨骼机械臂的运动学模型， 确定各个肌肉模块的肌肉长度， 包括： Lmt＝Gm(Θt) 式中， Lmt为t时刻各个肌肉模块的肌肉长度。权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115070760 A 25.根据权利要求1所述的肌肉骨骼机械臂控制方法， 其特征在于， 所述基于各个关节模 块的目标关节角， 以及所述肌肉骨骼机械臂的骨骼动力学模型， 确定各个肌肉模块的肌肉 力， 包括： 对所述肌肉骨骼机械臂进行动力学建模， 得到所述肌肉骨骼机械臂的骨骼动力学模 型； 基于所述骨骼动力学模型， 确定各个肌肉模块的肌肉力； 所述骨骼动力学模型为： τ ＝WF 式中， Θ为各个关节模块的关节角组成的关节角向量， M为所述肌肉骨骼机械臂的惯性 矩阵， C为科氏力和离心力矩阵， G为重力变化矩阵， W为肌肉模块的肌肉速度与关节模块的 关节角速度之间的雅克比矩阵， F为各个肌肉模块的肌肉力组成的向量， τ为关节模块的关 节转矩。 6.根据权利要求5所述的肌肉骨骼机械臂控制方法， 其特征在于， 所述基于所述骨骼动 力学模型， 确定各个肌肉模块的肌肉力， 包括： F＝W‑1(Θt)G(Θt) 式中， 为第n个肌肉模块的肌肉力， Θt为t时刻各个关节模块的目标关节角组成的 目标关节角向量。 7.根据权利要求6所述的肌肉骨骼机械臂控制方法， 其特征在于， 所述基于各个肌肉模 块的肌肉力和肌肉长度， 以及肌肉收缩动力学模型， 确定所述肌肉骨骼机械臂中各个肌肉 模块的肌肉控制信号， 包括： 式中， a(t)为t时刻肌肉模块的肌肉控制信号， FTD为肌肉模块的肌肉力， lM(t)为t时刻 肌肉模块的肌纤维长度， FPE为肌肉模块中肌纤维被动伸长产生的力， 为t时刻肌肉模 块的肌肉速度， fl为肌肉力与肌纤维长度之间的相关系数， fv为肌肉力与肌肉速度之间的相 关系数。 8.一种肌肉骨骼机 械臂控制装置， 其特 征在于， 包括： 关节角确定单元， 用于基于肌肉骨骼机械臂 的活动端的目标位置， 以及所述肌肉骨骼 机械臂的运动学模型， 确定所述肌肉骨骼机 械臂中各个关节模块的目标关节角； 肌肉长度确定单元， 用于基于各个关节模块的目标关节角， 以及所述肌肉骨骼机械臂 的运动学模型， 确定各个肌肉模块的肌肉长度； 肌肉力确定单元， 用于基于各个关节模块的目标关节角， 以及所述肌肉骨骼机械臂 的 骨骼动力学模型， 确定各个肌肉模块的肌肉力； 控制单元， 用于基于各个肌肉模块的肌肉力和肌肉长度， 以及肌肉收缩动力学模型， 确权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115070760 A 3