[发明专利]柔性多指采摘机械手的接触动力学仿真方法及系统

说明书

本发明公开了一种柔性多指采摘机械手的接触动力学仿真方法及系统，其中方法包括：读入系统模型及拓扑数据；控制机械手模型执行抓取动作，基于非碰撞动力学求解机械手模型的动力学参数，并计算机械手模型的振动与变形；判断机械手模型与果实模型之间是否产生碰撞并形成碰撞对；当机械手模型与果实模型发生碰撞，判断碰撞对的状态并计算机械手模型的动力学响应量；本发明可对抓取过程中机械手模型与果实模型的碰撞接触过程进行模拟，以捕捉到采摘机械手的手指部的运动速度与变形、碰撞力、碰撞点位置、碰撞点在接触过程中存在多次粘滞‑滑动切换、粘滞正逆向微小滑动等接触状态的切换，可为现实中对采摘的机械手的运动控制提供基础。

技术领域

本发明涉及计算机仿真计算技术领域，特别是涉及一种柔性多指采摘机械手的接触动力学仿真方法及系统。

背景技术

本发明涉及的对象是一种用于采摘果实的采摘机械手，由于果实具有脆弱的特征，在采摘机械手对果实进行采摘的过程中，抓持力超调会抓伤果实，抓持力的响应速度太慢则无法稳固抓持果实，因此，对采摘机械手的柔顺性、灵巧性要求很高。采摘机械手抓取变形体控制一般需要获得指尖力、指尖速度与变形等信息，以期望夹持力可以快速、无超调地跟踪设定力，抓持和操作以一种协调的方式执行。在现实中，对于采摘机械手实体的控制调试的操作难度大，因此有必要对采摘机械手与果实的碰撞模型进行计算机建模与模拟仿真以对两者抓取过程中的碰撞接触过程进行模拟，以为采摘机械手的控制提供基础。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种能够对采摘机械手与果实之间的非碰撞、碰撞初始、连续接触粘滞/滑动过程进行模拟仿真的柔性多指采摘机械手的接触动力学仿真方法及系统。

技术方案：为实现上述目的，本发明的柔性多指采摘机械手的接触动力学仿真方法，所述方法包括：

读入系统模型及拓扑数据；所述系统模型包括机械手模型与果实模型，所述机械手模型具备基座与多个抓取部，所述抓取部由手指部构成；所述拓扑数据用于定义所述机械手模型与所述果实模型的属性；

控制所述机械手模型执行抓取动作；

基于非碰撞动力学求解所述机械手模型的动力学参数，并计算所述机械手模型的振动与变形；

判断所述机械手模型与所述果实模型之间是否产生碰撞并形成碰撞对；

当所述机械手模型与所述果实模型发生碰撞，判断所述碰撞对的状态并计算所述机械手模型的动力学响应量；所述动力学响应量包括所述机械手模型的振动、变形、法向接触力、切向接触力及碰撞接触持续时间。

进一步地，所述基于非碰撞动力学求解所述机械手模型的动力学参数具体为：

基于动力学方程计算所述手指部的动力学参数；其中，为广义加速度列阵，为广义质量阵，为非碰撞的广义力阵。

进一步地，所述判断所述机械手模型与所述果实模型之间是否产生碰撞并形成碰撞对包括：

根据法向碰撞约束方程是否成立以判断所述机械手模型与所述果实模型之间是否产生碰撞并形成碰撞对；其中，所述法向碰撞约束方程为：

；

其中，，为处于连续接触状态的碰撞对的集合；为位移约束雅可比矩阵；为速度约束雅可比矩阵；为加速度约束雅可比矩阵；为速度列阵；为法向约束的雅可比矩阵。

进一步地，所述判断所述碰撞对的状态并计算所述机械手模型的动力学响应量包括：

采用冲量-动量法方程求解碰撞初始时刻的速度跳跃条件；

基于增减约束法建立机械手模型的含摩擦多点碰撞的动力学方程；

根据粘滞-滑移切换准则判断所述碰撞对所处状态，并采用粘滞状态动力学方程或滑动状态动力学方程对各状态下所述机械手模型的动力学响应量进行求解。

进一步地，所述碰撞初始时刻的速度跳跃条件基于如下动力学方程求解：

；