行步驟B21，則k個(gè)運(yùn)動(dòng)模板由步驟B21中選擇3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板， 以及步驟B22中選擇k-3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板共同構(gòu)成;若非首次執(zhí)行步驟B21，則k個(gè)運(yùn)動(dòng)模板由步 驟B21中選擇3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板、步驟B22中選擇k-4個(gè)運(yùn)動(dòng)模板、步驟B3中前一次計(jì)算得到及 P' new所形成的一組運(yùn)動(dòng)模板共同構(gòu)成。
[0037] 優(yōu)選的，步驟Μ中依據(jù)控制精度和計(jì)算時(shí)間進(jìn)行誤差閾值的設(shè)定。
[0038] 優(yōu)選的，所述的上肢運(yùn)動(dòng)過程包括肌肉激活、肌肉收縮、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程。
[0039] 本發(fā)明提供的一種類人機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)的類神經(jīng)控制方法基于人體運(yùn)動(dòng)的習(xí)慣 計(jì)劃理論和運(yùn)動(dòng)通路中小腦與脊髓間的信息傳播機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠使用已有的運(yùn)動(dòng)模板 及權(quán)重關(guān)系表示新的運(yùn)動(dòng)任務(wù)，并針對(duì)新的運(yùn)動(dòng)任務(wù)生成新任務(wù)的運(yùn)動(dòng)模板，其過程避免 了實(shí)時(shí)的逆動(dòng)力學(xué)求解，大幅減少了計(jì)算量，加快了上肢的反應(yīng)速度，使類人機(jī)器人能同時(shí) 具備高精度、學(xué)習(xí)能力和快速反應(yīng)能力。
【附圖說明】
[0040] 圖1為人體上肢動(dòng)力學(xué)模型的分析圖；
[0041 ]圖2為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照 附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0043] 本發(fā)明的一種類人機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)的類神經(jīng)控制方法，包括模型及模板的構(gòu)建、 模板的選擇和控制輸出兩大部分：
[0044] 第一部分:模型及模板的構(gòu)建：
[0045]步驟A1，建立類人機(jī)器人的上肢動(dòng)力學(xué)模型D;
[0046] 依據(jù)人體各類上肢運(yùn)動(dòng)過程的依次建模來進(jìn)行類人機(jī)器人的上肢動(dòng)力學(xué)模型D的 建立，所述的上肢運(yùn)動(dòng)過程包括肌肉激活、肌肉收縮、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等過程。人體上肢動(dòng)力學(xué)模 型的分析圖如圖1所示，建模過程如下：
[0047] a(t)為肌肉信號(hào)，代表肌肉激活強(qiáng)度，由神經(jīng)元刺激產(chǎn)生，u(t)為神經(jīng)元信號(hào)，關(guān) 系如下公式(1)所示：
[0048]
[0049 ]其中為激活時(shí)間常量，為去激活時(shí)間常量。
[0050] Fm為作用于各關(guān)節(jié)的肌肉力，由肌肉信號(hào)a(t)控制肌肉運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生，關(guān)系如公式 (2)~(5)所示：
[0051] Fm=Fo(fif2a(t)+f3) (2)
[0052]
[0053]
[0054] f3 = 1.3arctan[0.1 (χ-0 .22)10] (5)
[0055] 其ρ
為肌肉纖維長度，Ιο為原始肌肉纖維長度，Vm為肌肉收縮 速度。
[0056] 肌肉力帶動(dòng)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，上肢運(yùn)動(dòng)的廣義加速度母如公式(6)所示：
[0057]
(6)
[0058] 式中，q為廣義坐標(biāo)，?為上肢運(yùn)動(dòng)的廣義加速度，為系統(tǒng)質(zhì)量矩陣的逆矩陣，G 為環(huán)境外力，R為肌肉力臂矩陣。
[0059]結(jié)合運(yùn)動(dòng)的初始狀態(tài)和對(duì)上式(6)的積分，可得關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度α、β，其中α為大臂 與垂直方向的夾角，β為小臂與大臂延長線方向的夾角，根據(jù)幾何關(guān)系，可計(jì)算出上肢運(yùn)動(dòng) 的終點(diǎn)位置P = (x，y)，其中x、y的計(jì)算公式分別為公式(7)和公式(8):
[0060] x = li sina+l2 sin(a+0) (7)
[0061] y = -(li cosa+12 cos(a+0)) (8)
[0062]式中，li為大臂長度，h為小臂長度。
[0063]在類人機(jī)器人的上肢動(dòng)力學(xué)模型D中，上肢運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)為類神經(jīng)元信號(hào)，該信 號(hào)為一組時(shí)間序列，由機(jī)器人控制器產(chǎn)生，將控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并帶動(dòng)上肢肌肉收縮，使上肢運(yùn) 動(dòng)到指定的終點(diǎn)位置，類人機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)的輸出結(jié)果為上肢運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)位置，其中關(guān)系 如公式(9):
[0064] p = (x,y) =D(u(t)) (9)
[0065] 式中，u (t)表示上肢運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)，p = (x，y)表示上肢運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)位置，D表示 上肢動(dòng)力學(xué)模型。
[0066] 步驟A2,根據(jù)類人機(jī)器人的上肢動(dòng)力學(xué)模型D，建立m組運(yùn)動(dòng)的初始的運(yùn)動(dòng)模板形 成運(yùn)動(dòng)模板庫并存儲(chǔ)于機(jī)器人控制器中；運(yùn)動(dòng)模板由類人機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)和輸 出結(jié)果組成;初始的運(yùn)動(dòng)模板的個(gè)數(shù)m2 3。
[0067] 類人機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)的控制信號(hào)為類神經(jīng)元信號(hào)，該信號(hào)為一組由機(jī)器人控制器 產(chǎn)生的時(shí)間序列，機(jī)器人控制器依據(jù)類神經(jīng)元信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)類人機(jī)器人的 上肢肌肉運(yùn)動(dòng)，將類人機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)到指定的終點(diǎn)位置，類人機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)的輸出結(jié) 果為上肢運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)位置。
[0068] 該步驟中，運(yùn)動(dòng)模板庫的建立包括如下步驟：
[0069] 步驟A21，設(shè)定一次上肢運(yùn)動(dòng)中期望的終點(diǎn)位置pi= {xi，yi};
[0070] 步驟A22,根據(jù)Pl及上肢動(dòng)力學(xué)模型D反向計(jì)算出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)m;
[0071] 步驟A23,根據(jù)m及上肢動(dòng)力學(xué)模型D計(jì)算出機(jī)器人上肢運(yùn)動(dòng)中實(shí)際的終點(diǎn)位置p 'i；
[0072] 步驟A24,同一次運(yùn)動(dòng)中的m和i將作為一組初始的運(yùn)動(dòng)模板；
[0073]步驟A25，重復(fù)步驟A21至步驟A24獲得m組初始的運(yùn)動(dòng)模板形成運(yùn)動(dòng)模板庫并存儲(chǔ) 于機(jī)器人控制器中，運(yùn)動(dòng)模板庫表示為U= {ui，U2，···，Um}和P' = {p\，pS，···，p\}。
[0074]第二部分:模板的選擇和控制輸出，如圖2所示：
[0075] 步驟B1，給定新的運(yùn)動(dòng)任務(wù)位置Pnew= {xnew，ynew};
[0076] 步驟B2,依據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的習(xí)慣計(jì)劃理論和運(yùn)動(dòng)通路中小腦與脊髓間的信息傳播機(jī) 制，給定新的運(yùn)動(dòng)任務(wù)位置Pnew后機(jī)器人控制器從運(yùn)動(dòng)模板庫中選擇K個(gè)運(yùn)動(dòng)模板;其中k 2 3；
[0077] 步驟B2中運(yùn)動(dòng)模板的選擇方法包括如下步驟：
[0078]步驟B21，從運(yùn)動(dòng)模板庫中選擇3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板，使3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板中類人機(jī)器人上肢的 終點(diǎn)位置f i能夠形成包圍pnew的最小三角形；
[0079] 步驟B22，當(dāng)選擇的模板數(shù)k>3時(shí)，從運(yùn)動(dòng)模板庫中選擇其余的運(yùn)動(dòng)模板，選擇依據(jù) 為類人機(jī)器人上肢的終點(diǎn)位置的距離從小到大順序選擇，且能與步驟B21中所選 擇的3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板中類人機(jī)器人上肢的終點(diǎn)位置形成一個(gè)包圍p new的凸多邊形N;
[0080] 本步驟中所述的其余運(yùn)動(dòng)模板的個(gè)數(shù)為:若為首次執(zhí)行步驟B21則為K-3,若非首 次執(zhí)行步驟B21則為K-4個(gè)運(yùn)動(dòng)模板。
[0081 ]步驟B23，若為首次執(zhí)行步驟B21，則k個(gè)運(yùn)動(dòng)模板由步驟B21中選擇3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板， 以及步驟B22中選擇k-3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板共同構(gòu)成;若非首次執(zhí)行步驟B21，則k個(gè)運(yùn)動(dòng)模板由步 驟B21中選擇3個(gè)運(yùn)動(dòng)模板、步驟B22中選擇k-4個(gè)運(yùn)動(dòng)模板、步驟B3中前一次計(jì)算得到及 P' new所形成的一組運(yùn)動(dòng)模板共同構(gòu)成。
[0082]步驟B3,根據(jù)各所選模版中上肢終點(diǎn)位置與pnew的距離關(guān)系確定各運(yùn)動(dòng)模板的權(quán) 重Wi，將所選擇的各個(gè)運(yùn)動(dòng)模板的控制信號(hào)Ui及對(duì)應(yīng)權(quán)重Wi相乘后求和計(jì)算出新的運(yùn)動(dòng)任 務(wù)所需的控制信號(hào)11_，將1!_輸入上肢動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算上肢運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)位置
[0083] 該步驟中Unew和pZ new具體計(jì)算方法如下：：
[0084] 步驟B31，依次計(jì)算pnew與步驟B2中所選的運(yùn)動(dòng)模板所對(duì)應(yīng)上肢終點(diǎn)位置P' i的權(quán) 重關(guān)系，如公式(10)所示；
[0085](10) '?
[0086] 式中
，di表示ιΛ與pnew的歐幾里得距離；
[0087]步驟B32,利用步驟B2中所選的運(yùn)動(dòng)模板的控制信號(hào)m及對(duì)應(yīng)權(quán)重Wl計(jì)算新任務(wù)所 需的控制信號(hào)11_，計(jì)算公式如公式(11)所示：
[0088]
(11)
[0089]步驟B33,將控制信號(hào)unew帶入上肢動(dòng)力學(xué)模型D，計(jì)算