[发明专利]一种适用于欠驱动机械手的抓取仿真系统

说明书

技术领域

本发明属于机器人仿真技术领域，具体涉及一种适用于欠驱动机械手的抓取仿真系统。

背景技术

欠驱动机械手是一种独立驱动器数量少于关节自由度数量的新型机械手。通过巧妙的传动链设计及引入弹性元器件，这类机械手能够利用较少的驱动器带动所有关节自由度，并保留一定的抓取灵活性和形状自适应性。与传统全驱动机械手相比，其具有体积小、重量轻、控制方式简单、功耗低的特点，特别适合于仿人假肢手及其它一些对尺寸、重量等有着严格限制的应用场合。

具备接近人手抓取功能的机械手是一个复杂的系统，因此在设计过程中需要反复调整和优化参数。如果研发过程中采用“制造样机-试验分析-调整参数”的模式，往往造成研发周期长、设计效率低、优化效果不佳。如果能利用计算机仿真系统对抓取过程进行模拟、获得仿真试验结果、快速进行设计迭代，则能够有效地提高设计效率、缩短研发周期。

自20世纪80年代起，传统全驱动机械手的抓取问题得到了深入研究，基于此发展出了一套完备的抓取仿真方法及相应的仿真工具。例如Miller等开发的一款叫做“GraspIt！”的抓取仿真系统，就实现了对一些具有代表性的全驱动机械手的抓取仿真(Miller A T,Allen P K.Graspit！a versatile simulator for robotic grasping[J].Robotics&Automation Magazine,IEEE,2004,11(4):110-122)。

对于欠驱动机械手而言，由于驱动器数量的减少及关节被动顺应性的引入，使得该类机械手与传统全驱动机械手在抓取特性上有着本质的区别，这导致了原有的一些适用于全驱动机械手的较为成熟的抓取仿真方法及工具无法直接用于该类新型机械手。近年来，人们在传统全驱动机械手抓取研究的基础上开始对欠驱动机械手的抓取进行了初探。Bicchi等学者构建了欠驱动机械手抓取基础框架，并开发了一款专门针对具有关节被动顺应性的欠驱机械手抓取仿真工具“SynGrasp”(Gabiccini M,Farnioli E,Bicchi A.Grasp analysis tools for synergistic underactuated robotic hands[J].The International Journal of Robotics Research,2013:0278364913504473)。Guo等研究者也开发了一款类似的抓取仿真工具，并将其用于一个自由度数为20的仿人机械手的抓取仿真(Guo D,Sun F,Zhang J,et al.A grasp synthesis and grasp synergy analysis for anthropomorphic hand[C].Robotics and Biomimetics,2013IEEE International Conference on,2013:1617-1622)。

然而，目前上述这些针对新型机械手的抓取仿真系统仍然存在问题：即仿真方法中所使用的抓取模型没有考虑抓取中的接触及摩擦约束条件，这使得仿真结果与实际抓取存在较大偏差。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，改进了欠驱动机械手抓取模型，提供了一种更为接近真实抓取情况的、专门针对欠驱动机械手的抓取仿真系统。

本发明的技术方案如下：

一种适用于欠驱动机械手的抓取仿真系统，其包括了以下几个模块：

(1)模型生成模块：用于机械手模型及被抓取物体模型的定义与生成。

(2)抓取规划模块：在给定机械手模型及物体模型后，通过随机优化算法产生若干机械手抓取初始构形。之后由初始构形出发，采用随机优化算法计算最优抓取路径。

(3)抓取求解模块：该模块是整个抓取仿真系统的核心，其采用准静力学分析方法，将抓取系统状态变量的求解转化为了一个凸二次规划，然后使用内点法对其进行求解获得抓取系统的新状态。

(4)抓取质量评估模块：在仿真抓取实施过程中计算评估抓取质量的指标，并反馈给抓取规划模块。

(5)数据可视化模块：将各模块的数值计算结果通过图形形式直观地显示出来，以便于用户观察和分析。