外肢体机器人作业策略半物理仿真方法及系统与流程

1.本发明属于机器人仿真技术领域，尤其涉及一种外肢体机器人作业策略半物理仿真方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.在如核电运行维护、大飞机生产制造等工业领域中，存在大量操作流程复杂、工作强度大、灵活性要求高、难以实现机械化与自动化的工作任务，执行这些任务只能依靠人为操作。在作业执行过程中，作业人员的工作效率与人身安全难以保证。因此，能够与人协同运动，实现部分作业任务自动化的外肢体辅助机器人成为解决上述问题的新型技术手段。
4.外肢体机器人是一种新型可穿戴式机器人，通过增加额外的肢体，增强穿戴者的身体技能，因此它可以在特定工作场景下，与操作者进行协作，从而完成一些高难度操作，辅助操作者完成施工。外肢体辅助机器人是一个多工况、多任务空间的高维系统，针对该系统的多任务运动规划与控制方法是提高机器人协同作业能力的关键。
5.尽管外肢体机器人具有高度人机交互的特点，但实际制造起来较为复杂，而且专门针对外肢体机器人的安全性的研究较少，外肢体机器人的控制器与控制方案如果没有经过全面的测试，可能会在实际应用中发生严重事故。


技术实现要素：

6.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种外肢体机器人作业策略半物理仿真方法及系统，其通过硬件在环仿真的方式，为外肢体机器人人机交互作业策略提供了很好的验证方式。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的第一个方面提供一种外肢体机器人作业策略半物理仿真方法，包括：
9.捕捉外肢机器人的关节点位置信息；
10.根据捕捉的关节点位置信息，利用多体动力学仿真原理与仿真人体模型建立对应关系；
11.通过控制策略和对应关系，控制仿真人体模型作出外肢机器人的动作；
12.通过识别仿真人体模型动作，对外肢机器人的机械臂做出相应轨迹规划。
13.本发明的第二个方面提供一种外肢体机器人作业策略半物理仿真系统，包括：
14.动作采集模块，被配置为捕捉外肢机器人的关节点位置信息；
15.动作处理模块，被配置为根据捕捉的关节点位置信息，利用多体动力学仿真原理与仿真人体模型建立对应关系；
16.动作实现模块，被配置为通过控制策略和对应关系，控制仿真人体模型作出外肢机器人的动作；
17.动作规划模块，被配置为通过识别仿真人体模型动作，对外肢机器人的机械臂做出相应轨迹规划。
18.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
19.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一个方面所述的一种外肢体机器人作业策略半物理仿真方法中的步骤。
20.本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
21.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的一种外肢体机器人作业策略半物理仿真方法中的步骤。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
23.本发明通过光学动捕软件可以准确的捕捉人体动作信息，通过该信息可以简单有效的控制软件中人体的运动；减少了每次模型设计变化带来重复过度的实验时间和成本；减少了在验证测试阶段因难以预测的破损，而带来的时间和金钱的损失。
24.本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
25.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
26.图1是本发明实施例中外肢体机器人作业策略半物理仿真方法流程图；
27.图2是本发明实施例中人体标记关键点示意图。
具体实施方式
28.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
29.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
30.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
31.需要注意的是，附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，或者它们有时也可以按照相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。同样应当注意的是，流程图和/或框图中的每个方框、以及流程图和/或框图中的方框的组合，可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来
实现，或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
32.实施例一
33.如图1所示，本实施例提供了一种外肢体机器人作业策略半物理仿真方法，本实施例以该方法应用于服务器进行举例说明，可以理解的是，该方法也可以应用于终端，还可以应用于包括终端和服务器和系统，并通过终端和服务器的交互实现。服务器可以是独立的物理服务器，也可以是多个物理服务器构成的服务器集群或者分布式系统，还可以是提供云服务、云数据库、云计算、云函数、云存储、网络服务器、云通信、中间件服务、域名服务、安全服务cdn、以及大数据和人工智能平台等基础云计算服务的云服务器。终端可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑、台式计算机、智能音箱、智能手表等，但并不局限于此。终端以及服务器可以通过有线或无线通信方式进行直接或间接地连接，本技术在此不做限制。本实施例中，该方法包括以下步骤：
34.s100：捕捉外肢机器人的关节点位置信息；
35.s200：根据捕捉的关节点位置信息，利用多体动力学仿真原理与仿真人体模型建立对应关系；
36.s300：通过控制策略和对应关系，控制仿真人体模型作出外肢机器人的动作；
37.s400：通过识别仿真人体模型动作，对外肢机器人的机械臂做出相应轨迹规划。
38.在步骤s100之前，还包括：外肢体模型与人体模型的建立与导入；
39.步骤s101：建立单肢体机械臂模型，其主要由后肩关节、前肩关节和肘关节组成，
40.步骤s102：通过镜像复制、位置移动，将单肢体模型建立为四肢体模型，此时的外肢体模型主要由四条机械臂、背板与电池盒构成；
41.步骤s103：将建立好的多肢体机械臂导入recurdyn(多体动力学系统仿真软件)；为保证模型作为一个整体进行运动，对模型各部位施加相应运动副，以满足相应运动要求，具体包括：
42.背板和电池盒之间施加固定副，让二者旋转和平移自由度为零，保证二者无相对运动；
43.背板和机械臂连接处施加固定副，让机械臂可以绕背板做相应运动；
44.机械臂各连接处施加旋转副，关节具有一个旋转自由度，平移自由度为0。
45.根据如上要求，共施加26个运动副。
46.步骤s104：导入人体模型；
47.步骤s105：对背板和人体模型连接处施加固定副，保证背板和人体无相对位移。
48.在步骤s100中，具体为：
49.通过在人体肩部、手肘、手部、胯部、膝盖以及脚踝等(共13个关键点)关键部位标记(如图2所示)，利用光学动作捕捉系统，采集人体下蹲、挥手、前进等动作信息。
50.在步骤s200中，利用recurdyn软件实现人体动作仿真，具体为：
51.定义39条样条曲线，共39个数值表达式，每一个数值表达式包含两列数据：第一列为时间列，第二列为光学动作捕捉软件获取的关键点某一轴向运动数据变化，基于此，构成了13个点位的运动函数；
52.采用弹簧力链接13个位点和肢体，让位点带动人体模型运动，其中弹簧力公式为：
[0053][0054]
其中，k代表弹簧劲度系数，l代表弹簧长度，lf代表弹簧自由长度，m代表弹簧劲度系数指数，c代表弹簧阻尼系数，n代表阻尼系数指数，f代表弹簧处于自由长度时所承受的载荷(预载荷)。
[0055]
在步骤s400中，机械臂轨迹规划为：
[0056]
标记好机械臂末端目标位置，利用havsin函数，在末端初始位置和目标位置两个标记点之间进行插值，havsin函数具体表达式为：
[0057][0058]
式中，x代表定义的havsin的输入变量，在此处指时间；x0代表初始时刻；h0代表初始时刻位置；x1代表结束时刻；h1代表结束时刻位置(目标位置)。通过这种插值函数方式构建机械臂末端移动轨迹表达式。
[0059]
构建13个cmotion-group，构建方式为(point1，point2)，其中point1为base body上的点，在这里为大地，point2为action body上的点，此处为机械臂末端位置。cmotion-group中笛卡尔运动类型选择displacement(位移类型)，约束的自由度选择为x、y、z；笛卡尔运动的表达式选择由havsin插值函数得到的表达式。
[0060]
根据以上方式确定好人体和机械臂的移动方式与施加约束，在recurdyn软件中开始仿真验证。
[0061]
实施例二
[0062]
本实施例提供了一种外肢体机器人作业策略半物理仿真系统，包括：
[0063]
动作采集模块，被配置为捕捉外肢机器人的关节点位置信息；
[0064]
动作处理模块，被配置为根据捕捉的关节点位置信息，利用多体动力学仿真原理与仿真人体模型建立对应关系；
[0065]
动作实现模块，被配置为通过控制策略和对应关系，控制仿真人体模型作出外肢机器人的动作；
[0066]
动作规划模块，被配置为通过识别仿真人体模型动作，对外肢机器人的机械臂做出相应轨迹规划。
[0067]
此处需要说明的是，上述动作采集模块、动作处理模块、动作实现模块和动作规划模块对应于实施例一中的步骤s100至s400，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例一所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
[0068]
实施例三
[0069]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种外肢体机器人作业策略半物理仿真方法中的步骤。
[0070]
实施例四
[0071]
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种外肢体机器人作业策略半物理仿真方法中的步骤。
[0072]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0073]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0074]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0075]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0076]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0077]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。