類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，通過對人體骨骼肌仿真模型進(jìn)行編程建模，參照實(shí)驗(yàn)對象對類人機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)、研制；控制類人機(jī)器人參照實(shí)驗(yàn)對象做同樣的運(yùn)動；比較類人機(jī)器人運(yùn)動檢測數(shù)據(jù)與人體骨骼肌仿真模型的輸出數(shù)據(jù)，反復(fù)修正類人機(jī)器人設(shè)計(jì)參數(shù)及仿真模型中的肌肉力預(yù)測公式，直至兩者數(shù)據(jù)接近，得出優(yōu)化的肌肉力預(yù)測模型；該種類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，能改善在肌肉、骨骼系統(tǒng)生物力學(xué)研究中因人體運(yùn)動時(shí)的肌肉力無法通過實(shí)驗(yàn)直接測量，只能依靠肌肉力模型進(jìn)行推算而存在不確定的問題，提高了仿真模型的準(zhǔn)確性。
【專利說明】類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002]人體骨骼肌的生物力學(xué)研究是一個(gè)多學(xué)科的交叉研究領(lǐng)域，包含了臨床解剖學(xué)及醫(yī)學(xué)圖像處理、多剛體動力學(xué)、人體肌肉層建模及肌肉力的數(shù)值計(jì)算等多種學(xué)科技術(shù)，主要通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對人體運(yùn)動仿真及運(yùn)動力學(xué)的預(yù)測計(jì)算。
[0003]目前國內(nèi)外已有學(xué)者進(jìn)行相關(guān)研究并且開發(fā)出骨骼肌仿真軟件。但總體來講，人體骨骼肌系統(tǒng)的研究都有其局限性:在對人體骨骼肌系統(tǒng)進(jìn)行幾何建模時(shí)，由于人體骨骼、肌肉的大量簡化使得人體骨骼肌系統(tǒng)中關(guān)節(jié)缺乏準(zhǔn)確的約束，導(dǎo)致模型的準(zhǔn)確性失真；進(jìn)行肌肉力預(yù)測所建立的數(shù)學(xué)-力學(xué)模型中，諸多元素主要涉及形態(tài)學(xué)指標(biāo)，且各元素間的力和應(yīng)變的分配是任意的或依賴于實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，僅能對肌肉力及之間的協(xié)調(diào)機(jī)理進(jìn)行定性的研究，而定量機(jī)制需進(jìn)一步研究；建立符合真實(shí)人體控制的最佳目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)還需進(jìn)一步探討。這些局限性最終導(dǎo)致了骨骼肌仿真模型的準(zhǔn)確性問題。
[0004]上述問題是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對人體運(yùn)動仿真及運(yùn)動力學(xué)的過程中應(yīng)當(dāng)予以考慮并解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法是通過建立一個(gè)類似人體骨骼肌系統(tǒng)的類人機(jī)器人關(guān)節(jié)樣機(jī)模型，通過控制類人機(jī)器人關(guān)節(jié)樣機(jī)與人體做同樣的運(yùn)動動作，實(shí)時(shí)檢測類人機(jī)器人在運(yùn)動過程中的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)變化，用于判別及修正人體骨骼肌仿真模型，進(jìn)而提高仿真模型的準(zhǔn)確性。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
[0007]—種類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一，人體骨骼系統(tǒng)建模:建立三維立體圖形的人體骨骼系統(tǒng)；
[0009]步驟二，人體肌肉系統(tǒng)建模:采用肌肉作用線對人體肌肉進(jìn)行建模；
[0010]步驟三，骨骼肌系統(tǒng)力學(xué)分析:采用基于反向動力學(xué)的靜態(tài)優(yōu)化方法進(jìn)行骨骼肌系統(tǒng)力學(xué)分析；
[0011]步驟四，類人機(jī)器人關(guān)節(jié)樣機(jī)的設(shè)計(jì)與研制:采用彈性材料制成的線性體模擬人類的彈性肌腱，線性體的起點(diǎn)、止點(diǎn)與人體肌肉的起點(diǎn)、止點(diǎn)位置一致；
[0012]步驟五，類人機(jī)器人關(guān)節(jié)樣機(jī)的運(yùn)動控制:基于人體肌肉的特征，進(jìn)行基于彈性材料制成的線性體模擬人類肌腱的類人機(jī)器人控制中，在智能控制的基礎(chǔ)上引入導(dǎo)納、阻抗控制進(jìn)行類人關(guān)節(jié)樣機(jī)的仿生智能運(yùn)動控制；
[0013]步驟六，類人機(jī)器人樣機(jī)運(yùn)動過程中運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)的檢測:使用扭矩傳感器、力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)檢測；
[0014]步驟七，類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動對人體骨骼肌的修正:使類人機(jī)器人保持與參考的實(shí)驗(yàn)對象的進(jìn)行同步的運(yùn)動動作，通過傳感器檢測出的類人機(jī)器人上的基于彈性材料制成的線性體的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)與動力學(xué)數(shù)據(jù)，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的人體骨骼肌生物力學(xué)仿真模型提供參考數(shù)據(jù)，通過對類人機(jī)器人樣機(jī)及仿真模型的反復(fù)修正，得出肌肉力預(yù)測模型。
[0015]優(yōu)選地，在步驟二中，采用肌肉作用線構(gòu)建肌肉模型時(shí)，采用三種肌肉路徑構(gòu)建方式，分別為直線路徑、設(shè)置代止點(diǎn)的折現(xiàn)路徑、設(shè)置障礙物的曲線路徑。
[0016]優(yōu)選地，在步驟二中，根據(jù)人體不同關(guān)節(jié)處的肌肉力的特點(diǎn)選擇合適的路徑方法對肌肉建模，具體的肌肉附著點(diǎn)的簡化為:
[0017]當(dāng)肌肉具有寬大附著點(diǎn)時(shí)，如果在附著點(diǎn)范圍內(nèi)，無論標(biāo)記點(diǎn)在任何地方都不會影響肌力線的位置，則該肌肉的附著點(diǎn)標(biāo)記于附著點(diǎn)骨面的幾何中心；
[0018]當(dāng)肌肉具有寬大附著點(diǎn)時(shí)，如果附著點(diǎn)的標(biāo)記點(diǎn)位置會影響肌力線的位置，則在其他位置增加設(shè)置若干標(biāo)記點(diǎn)幾個(gè)標(biāo)記點(diǎn)；
[0019]當(dāng)肌肉的附著點(diǎn)較為局限時(shí)，即是肌肉縱軸為直線的肌肉，其附著點(diǎn)標(biāo)記于附著點(diǎn)的幾何中心；
[0020]當(dāng)肌肉的起止點(diǎn)的走向?yàn)榍€時(shí)，即肌肉在骨骼或韌帶處轉(zhuǎn)彎，則可用選擇代起點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。
[0021]優(yōu)選地，在步驟三中，骨骼肌系統(tǒng)力學(xué)分析的具體步驟為:根據(jù)運(yùn)動檢測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合多剛體動力學(xué)模型，獲得關(guān)節(jié)力及力矩；通過建立關(guān)節(jié)力及肌肉力之間的力學(xué)平衡方程；根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，求出肌肉力。
[0022]優(yōu)選地，在步驟三中，骨骼肌系統(tǒng)力學(xué)分析的具體過程為:
[0023]根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測人體運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，即在實(shí)驗(yàn)對象的關(guān)鍵部位粘貼標(biāo)記點(diǎn)，在測力軌道上行走，高速攝像機(jī)對實(shí)驗(yàn)對象的運(yùn)動進(jìn)行采集，同時(shí)力板同步輸出腳底力變化信息，利用牛頓歐拉方程，通過反向動力學(xué)計(jì)算可求得運(yùn)動過程中的關(guān)節(jié)力矩T，在某一個(gè)
運(yùn)動瞬時(shí)，通過優(yōu)化進(jìn)行肌肉力的分配，優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為其中，
【權(quán)利要求】
1.一種類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一，人體骨骼系統(tǒng)建模:建立三維立體圖形的人體骨骼系統(tǒng)； 步驟二，人體肌肉系統(tǒng)建模:采用肌肉作用線對人體肌肉進(jìn)行建模； 步驟三，骨骼肌系統(tǒng)力學(xué)分析:采用基于反向動力學(xué)的靜態(tài)優(yōu)化方法進(jìn)行骨骼肌系統(tǒng)力學(xué)分析； 步驟四，類人機(jī)器人關(guān)節(jié)樣機(jī)的設(shè)計(jì)與研制:采用彈性材料制成的線性體模擬人類的彈性肌腱，線性體的起點(diǎn)、止點(diǎn)與人體肌肉的起點(diǎn)、止點(diǎn)位置一致； 步驟五，類人機(jī)器人關(guān)節(jié)樣機(jī)的運(yùn)動控制:基于人體肌肉的特征，進(jìn)行基于彈性材料制成的線性體模擬人類肌腱的類人機(jī)器人控制中，在智能控制的基礎(chǔ)上引入導(dǎo)納、阻抗控制進(jìn)行類人關(guān)節(jié)樣機(jī)的仿生智能運(yùn)動控制； 步驟六，類人機(jī)器人樣機(jī)運(yùn)動過程中運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)的檢測:使用扭矩傳感器、力傳感器、位移傳感器、加速度傳感器，實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)數(shù)據(jù)檢測； 步驟七，類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動對人體骨骼肌的修正:使類人機(jī)器人保持與參考的實(shí)驗(yàn)對象的進(jìn)行同步的運(yùn)動動作，通過傳感器檢測出的類人機(jī)器人上的基于彈性材料制成的線性體的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)與動力學(xué)數(shù)據(jù)，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的人體骨骼肌生物力學(xué)仿真模型提供參考數(shù)據(jù)，通過對類人機(jī)器人樣機(jī)及仿真模型的反復(fù)修正，得出肌肉力預(yù)測模型。
2.如權(quán)利要求1所述的類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于:在步驟二中，采用肌肉作用線構(gòu)建肌肉模型時(shí)，采用三種肌肉路徑構(gòu)建方式，分別為直線路徑、設(shè)置代止點(diǎn)的折現(xiàn)路徑、設(shè)置障礙物的曲線路徑。
3.如權(quán)利要求1所述的類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于:在步驟二中，根據(jù)人體不同關(guān)節(jié)處的肌肉力的特點(diǎn)選擇合適的路徑方法對肌肉建模，具體的肌肉附著點(diǎn)的簡化為: 當(dāng)肌肉具有寬大附著點(diǎn)時(shí)，如果在附著點(diǎn)范圍內(nèi)，無論標(biāo)記點(diǎn)在任何地方都不會影響肌力線的位置，則該肌肉的附著點(diǎn)標(biāo)記于附著點(diǎn)骨面的幾何中心； 當(dāng)肌肉具有寬大附著點(diǎn)時(shí)，如果附著點(diǎn)的標(biāo)記點(diǎn)位置會影響肌力線的位置，則在其他位置增加設(shè)置若干標(biāo)記點(diǎn)幾個(gè)標(biāo)記點(diǎn)； 當(dāng)肌肉的附著點(diǎn)較為局限時(shí)，即是肌肉縱軸為直線的肌肉，其附著點(diǎn)標(biāo)記于附著點(diǎn)的幾何中心； 當(dāng)肌肉的起止點(diǎn)的走向?yàn)榍€時(shí)，即肌肉在骨骼或韌帶處轉(zhuǎn)彎，則可用選擇代起點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記。
4.如權(quán)利要求1所述的類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于:在步驟三中，骨骼肌系統(tǒng)力學(xué)分析的具體步驟為:根據(jù)運(yùn)動檢測系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)結(jié)合多剛體動力學(xué)模型，獲得關(guān)節(jié)力及力矩；通過建立關(guān)節(jié)力及肌肉力之間的力學(xué)平衡方程；根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，求出肌肉力。
5.如權(quán)利要求1所述的類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于，在步驟三中，骨骼肌系統(tǒng)力學(xué)分析的具體過程為: 根據(jù)實(shí)驗(yàn)檢測人體運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)參數(shù)，即在實(shí)驗(yàn)對象的關(guān)鍵部位粘貼標(biāo)記點(diǎn)，在測力軌道上行走，高速攝像機(jī)對實(shí)驗(yàn)對象的運(yùn)動進(jìn)行采集，同時(shí)力板同步輸出腳底力變化信息，利用牛頓歐拉方程，通過反向動力學(xué)計(jì)算可求得運(yùn)動過程中的關(guān)節(jié)力矩T，在某一個(gè)運(yùn)動瞬時(shí),通過優(yōu)化進(jìn)行肌肉力的分配,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為
6.如權(quán)利要求5所述的類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于，通 過優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為
7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于:在步驟四中，類人機(jī)器人關(guān)節(jié)樣機(jī)的設(shè)計(jì)與研制的具體步驟為: 通過CT圖像軟件獲得人體骨骼的輪廓曲線，結(jié)合三維繪圖軟件獲得人體骨骼輪廓三維實(shí)體模型，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過快速成型機(jī)或三維打印技術(shù)復(fù)制骨骼實(shí)體模型； 對復(fù)制出的骨骼實(shí)體模型采用增加輔助裝置的方法來實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)的定位于運(yùn)動； 在骨骼實(shí)體模型上對肌肉的起、止點(diǎn)進(jìn)行定位，采用彈性材料制成的線性體或薄膜面來模擬人類的彈性肌腱，并把這些線性體或薄膜面固定在肌肉的起、止點(diǎn)上。
8.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于:在步驟六中，檢測的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)包括:運(yùn)動過程中各肌肉線的長度變化、各肌肉線上的力變化、各肌肉薄膜面的變化、骨骼關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度變化、骨骼關(guān)節(jié)間的力矩變化。
9.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的類人機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動的肌肉力模型優(yōu)化方法，其特征在于:在步驟七中，通過對類人機(jī)器人樣機(jī)及仿真模型的反復(fù)修正，具體為通過調(diào)整類人機(jī)器人樣機(jī)中的仿生肌肉的彈性材料性能參數(shù)，并調(diào)整骨骼肌生物力學(xué)仿真模型中的肌肉力優(yōu)化求解方法，多次修正比較后，得出肌肉力預(yù)測模型。
【文檔編號】G06F17/50GK103761392SQ201410030758
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月23日
【發(fā)明者】韓亞麗, 朱松青, 祈兵, 于建銘, 高海濤 申請人:南京工程學(xué)院