[发明专利]一种三指灵巧手动力学建模方法、系统、设备及存储介质

说明书

本发明公开了一种三指灵巧手动力学建模方法、系统、设备及存储介质，将三指灵巧手系统作为复杂机械系统；根据灵巧手与抓取物体的约束情况，将三指灵巧手与抓取物体分割为三个开放式运动链结构的手指子模型和一个抓取物体子模型，并将四个独立的子模型作为四个子系统；建立手指子系统与抓取物体的约束方程；将四个子系统堆聚起来，得到三指灵巧手动力学模型的解析模型；基于U‑K方程建立工作空间与关节空间灵巧手的动力学模型；建立工作空间与关节空间之间的接触约束力关系；建立工作空间下灵巧手接触力解析模型。解决了灵巧手与抓取物体之间保持接触的动力学问题及接触力模型的精确建模问题。

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及一种三指灵巧手动力学建模方法、系统、设备及存储介质。

背景技术

三指灵巧手作为机器人的一种拟人化末端执行机构，具有灵活性高、操作方式多样和适用性强等特点，可以代替人手在医疗康复、航空航天、灾害救援等高精尖和高危领域中完成精细作业任务，具有广泛的应用价值。

灵巧手由多个开放式运动链结构的手指组成的机构，具有关节多、运动链复杂的结构特点，是一个复杂的非线性动力学系统，导致其动力学建模过程复杂繁琐。具体地：灵巧手的结构优化与传感器在结构设计中的高集成度极大地提高了灵巧手的灵巧性与感知能力，并使得灵巧手运动的灵活度和操作精度得到提升，但同时也极大地增加了系统的复杂程度，使得灵巧手动力学分析和控制系统设计的难度大大增加。因此，为日趋复杂化的灵巧手系统寻求一种高效、简洁的动力学建模方法是该领域亟待解决的一个难题。

目前，灵巧手的动力学建模方法中最为常用的是拉格朗日法，该方法主要利用每个手指和抓取物体的能量项对运动参数和时间进行微分，得到手指和抓取物体的动力学方程，并通过拉格朗日乘子引入手指与抓取物体之间的约束，虽然避免了复杂的受力分析，建立的模型比较简洁并且便于动力学模型向控制模块转化，但由于作为辅助变量的拉格朗日乘子很难确定，其接触约束力的解析模型很难给出，随着灵巧手自由度数的增加、约束方程的复杂化，牛顿-欧拉方法中运动方程建立的数目也将增多，导致推导过程的计算量较大；拉格朗日法建模过程简单，得到的模型较为简洁，但针对具有约束的灵巧手系统，其动力学模型建立时需要引入辅助变量，无法清晰地获得约束力解析模型。无法快速、高效地建立灵巧手的动力学解析模型。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种三指灵巧手动力学建模方法、系统、设备及存储介质，解决了灵巧手与抓取物体之间保持接触的动力学问题及接触力模型的精确建模问题。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种三指灵巧手动力学建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将三指灵巧手系统作为由三个具有相似结构的开放式运动链通过末端与抓取物的接触约束组合而成的复杂机械系统；

步骤二，根据灵巧手与抓取物体的约束情况，将三指灵巧手与抓取物体分割为三个开放式运动链结构的手指子模型和一个抓取物体子模型，并将四个独立的子模型作为四个子系统；

步骤三，利用拉格朗日法建立每个子系统的动力学模型；

步骤四，建立手指子系统与抓取物体的约束方程；

步骤五，通过每个手指与抓取物体的约束方程将四个子系统堆聚起来，得到三指灵巧手动力学模型的解析模型；

步骤六，基于U-K方程建立工作空间与关节空间灵巧手的动力学模型；

步骤七，基于工作空间与关节空间灵巧手的动力学模型和三指灵巧手动力学模型的解析模型，建立工作空间与关节空间之间的接触约束力关系；

步骤八，根据三指灵巧手动力学模型的解析模型和工作空间与关节空间之间的接触约束力关系，建立工作空间下灵巧手接触力解析模型。

优选的，步骤三中，手指子系统的动力学模型为：