(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 202210451841.9 (22)申请日 2022.04.26 (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 范业锐　原建博　吴亚雄　乔红　 (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 张文玄 (51)Int.Cl. B25J 9/16(2006.01) B25J 9/00(2006.01) (54)发明名称 人体肌肉骨骼的仿真控制系统及仿真装置 (57)摘要 本发明涉及生物仿真技术领域， 提供一种人 体肌肉骨骼的仿真控制系统及仿真装置， 该系统 包括： 激活信号生成单元、 激活信号补偿单元、 肌 肉骨骼模型单元、 控制单元和肌肉力优化单元； 其中， 激活信号生成单元根据激活信号误差和初 始激活信号输出目标激活信号； 肌肉骨骼模型单 元根据目标激活信号输出目标关节角度、 目标关 节角速度和目标肌肉力； 控制单元根据关节角度 的误差和关节角速度的误差输出驱动力矩误差； 肌肉力优化单元根据驱动力矩误差和反馈肌肉 力输出肌肉力优化数据； 激活信号补偿单元根据 肌肉力优化数据输出激活信号误差。 本发明提供 的人体肌肉骨骼的仿真控制系统提高了仿真控 制系统的精度。 权利要求书2页 说明书9页 附图2页 CN 114918914 A 2022.08.19 CN 114918914 A 1.一种人体肌肉骨骼的仿真控制系统， 其特 征在于， 包括： 激活信号生成单元、 激活信号补偿单元、 肌肉骨骼模型单元、 控制单元以及肌肉力优化 单元； 其中， 所述激活信号生成单元用于根据所述激活信号补偿单元发送的激活信号误差以 及获取的初始激活信号， 输出目标激活信号； 所述肌肉骨骼模型单元用于根据所述初始激活信号输出反馈关节角度、 反馈关节角速 度和反馈肌肉力， 以及根据所述 目标激活信号输出目标关节角度、 目标关节角速度和目标 肌肉力以控制肌肉骨骼硬件 模型； 所述控制单元用于根据获取的实际关节角度和实际关节角速度， 以及所述反馈关节角 度和所述反馈关节角速度输出驱动力矩误差； 所述肌肉力优化单元用于根据 所述驱动力矩误差和所述反馈肌肉力， 输出肌肉力优化 数据； 所述激活信号补偿单 元用于根据所述肌肉力优化数据输出 所述激活信号 误差。 2.根据权利要求1所述的人体肌肉骨骼 的仿真控制系统， 其特征在于， 还包括： 前馈补 偿单元； 所述前馈补偿单元用于根据所述反馈关节角度、 所述反馈关节角速度、 所述实 际关节 角度和所述实际关节角速度计算得到所述肌肉骨骼模型单元中的肌肉骨骼仿真模型和肌 肉骨骼硬件 模型之间的模型误差， 并基于所述模型误差修 正所述肌肉骨骼仿真模型； 所述肌肉骨骼模型单元基于修正后的肌肉骨骼仿真模型， 根据 所述目标激活信号输出 所述目标关节角度、 所述目标关节角 速度和所述目标肌肉力以控制所述肌肉骨骼硬件模 型。 3.根据权利要求1所述的人体肌肉骨骼的仿真控制系统， 其特征在于， 所述肌肉骨骼模 型单元包括： 肌肉模型 单元及骨骼模型 单元； 其中， 所述肌肉模型单元用于根据所述初始激活信号输出所述反馈肌肉力， 以及根据 所述目标激活信号输出 所述目标肌肉力； 所述骨骼模型单元用于根据所述反馈肌肉力输出所述反馈关节角度和所述反馈关节 角速度， 以及根据所述目标肌肉力输出 所述目标关节角度和所述目标关节角速度。 4.根据权利要求3所述的人体肌肉骨骼的仿真控制系统， 其特 征在于， 所述肌肉模型单元中的肌肉模型基于驱动力矩、 关节摩擦力矩、 外部力矩、 关节角度、 关节角速度、 关节角加速度、 肌肉骨骼硬件模型的质量矩阵、 离心力矢量、 科氏力矢量、 重力 矢量、 肌肉力以及每根肌肉的肌肉长度构建得到 。 5.根据权利要求4所述的人体肌肉骨骼的仿真控制系统， 其特征在于， 所述肌肉模型单 元的肌肉模型中， 每根肌肉的肌肉长度根据生物学结构 中关节与肌肉长度的生物学关系， 基于所述关节角度计算得到 。 6.根据权利要求 4所述的人体肌肉骨骼的仿真控制系统， 其特 征在于， 所述肌肉模型中肌肉的数量 为15根， 其中， 每根肌肉的数 学模型采用Hi ll‑type模型。 7.根据权利要求6所述的人体肌肉骨骼的仿真控制系统， 其特 征在于， 所述骨骼模型 单元中骨骼模型采用V ‑rep模型， 所述骨骼模型的自由度为7。 8.根据权利要求7所述的人体肌肉骨骼的仿真控制系统， 其特征在于， 所述肌肉力优化权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114918914 A 2单元用于根据所述驱动力矩误差和所述反馈 肌肉力， 输出肌肉力优化数据， 包括： 所述肌肉力优化单元采用凸优化对所述反馈肌肉力的肌肉力优化问题设计肌肉力优 化目标函数， 利用交替方向乘子法将所述肌肉力优化问题分解为多个局部优化问题， 分别 求解所述多个局部优化问题得到所述肌肉力优化目标函数的解， 作为所述肌肉力优化数 据。 9.根据权利要求 4所述的人体肌肉骨骼的仿真控制系统， 其特 征在于， 所述控制单 元采用比例积分微分PID控制； 所述控制单元用于根据 所述反馈关节角度和所述反馈关节角速度输出驱动力矩误差， 包括： 所述控制单元根据关节角度补偿值、 关节角速度补偿值、 比例系 数、 微分系 数与积分 系数计算得到 关节角加速度补偿值， 并基于所述关节角加速度补偿值与所述肌肉骨骼硬件 模型的质量矩阵输出 所述驱动力矩误差； 所述关节角度补偿值为所述反馈关节角度与所述实际关节角度的差值； 所述关节角速 度补偿值 为所述反馈关节角速度与所述实际关节角速度的差值。 10.一种人体肌肉骨骼的仿真装置， 其特征在于， 包括： 肌肉骨骼硬件模型以及如权利 要求1‑9中任一项所述的人体肌肉骨骼的仿真控制系统； 所述肌肉骨骼硬件模型通过所述人体肌肉骨骼的仿真控制系统进行控制； 所述肌肉骨 骼硬件模型以万向轴结构模拟关节， 以伸缩杆 结构模拟肌肉。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114918914 A 3