一種適用于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取仿真系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取仿真系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手是一種獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器數(shù)量少于關(guān)節(jié)自由度數(shù)量的新型機(jī)械手。通過(guò)巧妙的傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)及引入彈性元器件，這類機(jī)械手能夠利用較少的驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng)所有關(guān)節(jié)自由度，并保留一定的抓取靈活性和形狀自適應(yīng)性。與傳統(tǒng)全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手相比，其具有體積小、重量輕、控制方式簡(jiǎn)單、功耗低的特點(diǎn)，特別適合于仿人假肢手及其它一些對(duì)尺寸、重量等有著嚴(yán)格限制的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0003]具備接近人手抓取功能的機(jī)械手是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化參數(shù)。如果研發(fā)過(guò)程中采用“制造樣機(jī)-試驗(yàn)分析-調(diào)整參數(shù)”的模式，往往造成研發(fā)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)效率低、優(yōu)化效果不佳。如果能利用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)對(duì)抓取過(guò)程進(jìn)行模擬、獲得仿真試驗(yàn)結(jié)果、快速進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代，則能夠有效地提高設(shè)計(jì)效率、縮短研發(fā)周期。
[0004]自20世紀(jì)80年代起，傳統(tǒng)全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取問(wèn)題得到了深入研宄，基于此發(fā)展出了一套完備的抓取仿真方法及相應(yīng)的仿真工具。例如Miller等開發(fā)的一款叫做"GraspIt ! ”的抓取仿真系統(tǒng)，就實(shí)現(xiàn)了對(duì)一些具有代表性的全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取仿真(Miller A T,Allen P K.Graspit ! a versatile simulator for robotic grasping[J].Robotics&Automat1n Magazine, IEEE, 2004, 11 ⑷:110-122)。
[0005]對(duì)于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手而言，由于驅(qū)動(dòng)器數(shù)量的減少及關(guān)節(jié)被動(dòng)順應(yīng)性的引入，使得該類機(jī)械手與傳統(tǒng)全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手在抓取特性上有著本質(zhì)的區(qū)別，這導(dǎo)致了原有的一些適用于全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的較為成熟的抓取仿真方法及工具無(wú)法直接用于該類新型機(jī)械手。近年來(lái)，人們?cè)趥鹘y(tǒng)全驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓取研宄的基礎(chǔ)上開始對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取進(jìn)行了初探。Bicchi等學(xué)者構(gòu)建了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓取基礎(chǔ)框架，并開發(fā)了一款專門針對(duì)具有關(guān)節(jié)被動(dòng)順應(yīng)性的欠驅(qū)機(jī)械手抓取仿真工具“SynGrasp” (Gabiccini M, Farn1li E, BicchiA.Grasp analysis tools for synergistic underactuated robotic hands[J].TheInternat1nal Journal of Robotics Research, 2013:0278364913504473) o Guo 等研宄者也開發(fā)了一款類似的抓取仿真工具，并將其用于一個(gè)自由度數(shù)為20的仿人機(jī)械手的抓取仿真(Guo D, Sun F，Zhang J, et al.A grasp synthesis and grasp synergy analysisfor anthropomorphic hand[C].Robotics and B1mimetics, 2013IEEE Internat1nalConference on,2013:1617-1622)。
[0006]然而，目前上述這些針對(duì)新型機(jī)械手的抓取仿真系統(tǒng)仍然存在問(wèn)題:即仿真方法中所使用的抓取模型沒(méi)有考慮抓取中的接觸及摩擦約束條件，這使得仿真結(jié)果與實(shí)際抓取存在較大偏差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述問(wèn)題，改進(jìn)了欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手抓取模型，提供了一種更為接近真實(shí)抓取情況的、專門針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取仿真系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0009]一種適用于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手的抓取仿真系統(tǒng)，其包括了以下幾個(gè)模塊:
[0010](I)模型生成模塊:用于機(jī)械手模型及被抓取物體模型的定義與生成。
[0011](2)抓取規(guī)劃模塊:在給定機(jī)械手模型及物體模型后，通過(guò)隨機(jī)優(yōu)化算法產(chǎn)生若干機(jī)械手抓取初始構(gòu)形。之后由初始構(gòu)形出發(fā)，采用隨機(jī)優(yōu)化算法計(jì)算最優(yōu)抓取路徑。
[0012](3)抓取求解模塊:該模塊是整個(gè)抓取仿真系統(tǒng)的核心，其采用準(zhǔn)靜力學(xué)分析方法，將抓取系統(tǒng)狀態(tài)變量的求解轉(zhuǎn)化為了一個(gè)凸二次規(guī)劃，然后使用內(nèi)點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行求解獲得抓取系統(tǒng)的新狀態(tài)。
[0013](4)抓取質(zhì)量評(píng)估模塊:在仿真抓取實(shí)施過(guò)程中計(jì)算評(píng)估抓取質(zhì)量的指標(biāo)，并反饋給抓取規(guī)劃模塊。
[0014](5)數(shù)據(jù)可視化模塊:將各模塊的數(shù)值計(jì)算結(jié)果通過(guò)圖形形式直觀地顯示出來(lái)，以便于用戶觀察和分析。
[0015]所述模型生成模塊接收輸入的機(jī)械手D-H參數(shù)、關(guān)節(jié)剛度、欠驅(qū)動(dòng)矩陣、物體參數(shù)以及物體剛度并生成機(jī)械手模型和物體模型；所述抓取規(guī)劃模塊與模型生成模塊連接，接收模型生成模塊輸出的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、系統(tǒng)剛度和物體參數(shù)并計(jì)算出最優(yōu)抓取初始狀態(tài)；所述抓取求解模塊與抓取規(guī)劃模塊連接，接收抓取規(guī)劃模塊輸出的初始狀態(tài)，計(jì)算抓取動(dòng)態(tài)過(guò)程和接觸點(diǎn)位置以及接觸力；所述抓取質(zhì)量評(píng)估模塊與抓取求解模塊連接，接收抓取時(shí)接觸點(diǎn)位置和接觸力，計(jì)算抓取質(zhì)量并將其傳遞給抓取規(guī)劃模塊；所述數(shù)據(jù)可視化模塊分別與模型生成模塊、抓取規(guī)劃模塊、抓取求解模塊和抓取質(zhì)量評(píng)估模塊連接，將機(jī)械手模型、物體模型、抓取動(dòng)態(tài)過(guò)程以及抓取特性用圖形方式顯示出來(lái)。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，與現(xiàn)有欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械手仿真方法相比，因考慮了真實(shí)抓取中的接觸及摩擦約束條件，使得仿真得到的結(jié)果更接近真實(shí)抓取情況。其能夠快速進(jìn)行該類新型機(jī)械手的設(shè)計(jì)迭代、參數(shù)優(yōu)化，有利于提高該類機(jī)械手的研發(fā)效率。
【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明的一種較佳實(shí)施例的原理框圖。
[0018]圖2為本發(fā)明仿真系統(tǒng)的使用步驟。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0020]圖1所示是本發(fā)明的一種實(shí)施方式的原理框圖，該仿真系統(tǒng)是基于MATLAB語(yǔ)言環(huán)境開發(fā)的，其主要由模型生成模塊、抓取規(guī)劃模塊、抓取求解模塊、抓取質(zhì)量評(píng)估模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊構(gòu)成。所述模型生成模塊接收輸入的機(jī)械手D-H參數(shù)、關(guān)節(jié)剛度、欠驅(qū)動(dòng)矩陣、物體參數(shù)以及物體剛度并生成機(jī)械手模型和物體模型；所述抓取規(guī)劃模塊與模型生成模塊連接，接收模型生成模塊輸出的機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、系統(tǒng)剛度和物體參數(shù)并計(jì)算出最優(yōu)抓取初始狀態(tài)；所述抓取求解模塊與抓取規(guī)劃模塊連接，接收抓取規(guī)劃模塊輸出的初始狀態(tài)，計(jì)算抓取動(dòng)態(tài)過(guò)程和接觸點(diǎn)位置以及接觸力；所述抓取質(zhì)量評(píng)估模塊與抓取求解模塊連接，接收抓取時(shí)接觸點(diǎn)位置和接觸力，計(jì)算抓取質(zhì)量并將其傳遞給抓取規(guī)劃模塊；所述數(shù)據(jù)可視化模塊分別與模型生成模塊、抓取規(guī)劃模塊、抓取求解模塊和抓取質(zhì)量評(píng)估模塊連接，將機(jī)械手模型、物體模型、抓取動(dòng)態(tài)過(guò)程以及抓取特性用圖形方式顯示出來(lái)。各個(gè)模塊的原理如下:
[0021](I)模型生成模塊:利用該模塊用戶可以與抓取仿真系統(tǒng)進(jìn)行交互，通過(guò)輸入?yún)?shù)定義和生成機(jī)械手模型及被抓取物體模型。對(duì)于機(jī)械手模型，用戶可以通過(guò)配置機(jī)器人手的D-H參數(shù)來(lái)描述機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，包括手指的數(shù)量、每個(gè)手指基座的位置、各個(gè)關(guān)節(jié)的位置、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)范圍，同時(shí)可以配置機(jī)械手各關(guān)節(jié)的剛度系數(shù)，以及描述獨(dú)立驅(qū)動(dòng)器到各手指關(guān)節(jié)耦合運(yùn)動(dòng)映射關(guān)系的欠驅(qū)動(dòng)矩陣；對(duì)于物體模型，仿真系統(tǒng)提供球體、圓柱體、立方體這幾種基本的幾何體，用戶可以配置被抓取物體的類型，配置物體的幾何參數(shù)以及物體剛度系數(shù)。該模塊同時(shí)也提供了多種預(yù)設(shè)的機(jī)械手和物體模型，用戶可在這些模型基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)修