一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法技术

本发明专利技术公开一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法，步骤1.建立沿手指长度方向的等效线性模型；步骤2.计算抓手变形数值模型并进行迭代；步骤3.终止条件判断：设定终止条件，判断抓手变形程度是否达到设定的终止条件；若达到，则继续下一步；若否，则跳转到步骤2；步骤4.计算理想宽度：计算以实现抓手闭合抓取为目标的手指理想宽度；步骤5.收敛判断：设定收敛条件，判断所得理想宽度和当前宽度的误差是否满足收敛条件，若满足则完成抓手形状优化，输出数值模型，否则返回步骤2，直至满足收敛条件；步骤6.输出平面几何模型，本发明专利技术提高了软体手指状抓手抓取物体时的可靠性和鲁棒性，还可以实现对多个物体同时抓取而不发生掉落的现象。实现对多个物体同时抓取而不发生掉落的现象。实现对多个物体同时抓取而不发生掉落的现象。

【技术实现步骤摘要】
一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法


[0001]本专利技术涉及自动化抓手
，具体涉及一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法。

技术介绍

[0002]自动化抓手是被机器人携带对目标物体进行抓取、移动、放置等操作的执行部件，由此实现提高生产效率和生产质量的目的。目前的手指状抓手多采用力抓取模式，即通过接触目标物体表面产生接触力从而实现对目标物体的抓取，但力抓取模式需要依靠对材料、控制、传感等领域的选择和设计以适应不同形状、大小和重量的目标物体及减轻抓取动作对于目标物体表面的损伤，所以导致力抓取模式的设计和制造工艺都较为复杂。而对于包络抓取模式只需将物体包络住基本上就可以抓取住物体，所以在设计时就不需要考虑这么多因素因而手指状抓手在设计和制造工艺方面较力抓取模式的抓手简单，进而使得成本较低，故障率也较低，受到市场青睐。但是现有的手指状抓手手指在弯曲抓取物体时是离散分布的。
[0003]如公告号为CN115008495A的中国专利技术申请，公开了一种可更换软体手爪，包括手爪本体，所述手爪本体包括一个手掌和若干手指，若干所述手指均匀间隔地设置在所述手掌周边上，所述手指包括指骨、指筋和指尖，所述指筋是从所述手指中部切割后分离出来的，且所述指筋远离手掌的一端与所述手指相连在一起，所述指筋靠近所述手掌的一端与所述手掌断开，所述指筋和所述指骨远离所述手掌的一端与所述指尖相连，所述手掌边缘设有若干与所述指筋数量相同的限位孔，所述指筋可穿入到所述限位孔内，且所述指筋可在所述限位孔内移动。参见图3和图4，该软体手爪在抓握状态时，手指之间是离散分布的，具有缝隙，导致难以对目标物体实现闭合的包络抓取，这可能会影响抓取的稳定性，以及难以完成对多物体的同时抓取。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法，解决了现有的软体手指状抓手难以对目标物体实现闭合的包络抓取，可能会影响抓取的稳定性，以及难以完成对多物体的同时抓取。
[0005]为了达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法，满足以下假设条件：
[0006]1)手指可看作线性物体，即沿一个正交方向比沿其他两个方向尺寸大得多的物体；
[0007]2)手指抓握过程中只产生平面内变形。
[0008]一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法包括以下步骤：
[0009]步骤1.建立等效线性模型：根据软体抓手初始平面几何模型，分析抓手各部分功能特征并建立沿手指长度方向的等效线性模型；
[0010]步骤2.计算抓手变形数值模型并进行迭代：根据实际情况下抓手被驱动和约束情况，对抓手变形过程进行数值计算，以模拟抓手抓握过程；
[0011]步骤3.终止条件判断：设定终止条件，判断抓手变形程度是否达到设定的终止条件；若达到，则继续下一步；若否，则跳转到步骤2；
[0012]步骤4.计算理想宽度：根据得到的终止条件下数值模型和几何关系，计算以实现抓手闭合抓取为目标的手指理想宽度；
[0013]步骤5.收敛判断：设定收敛条件，判断所得理想宽度和当前宽度(现有软体手指状抓手手指宽度)的误差是否满足收敛条件，若满足则完成抓手形状优化，输出数值模型，否则返回步骤2，直至满足收敛条件；
[0014]步骤6.输出平面几何模型：根据优化后的数值模型，得到满足闭合抓取目标的抓手手指任意点宽度，设计出平面几何模型。
[0015]在上述技术方案的基础上，步骤2中，对步骤1所得等效线性模型用有限单元剖分，建立有限元模型，并对节点参数进行初始化。(因为是有限元方法，所以会有节点和单元，相当于把长的手指，分成了一小段一小段去进行计算，每一段就是一个单元，段与段的连接点就是节点。)
[0016]在上述技术方案的基础上，节点初始化过程具体包括以下步骤：
[0017]1)初始化节点宽度系数(R
i
)用以表示节点i处的抗弯截面系数；其中，i＝1，2，...，n，n为节点总数量；
[0018]2)初始化节点的弧长(s
i
)和切线方位角(θ
i
)。
[0019]在上述技术方案的基础上，步骤2中，将关键节点的切线方位角(θ
i
)约束作为边界条件，并引入驱动特征作为约束条件和迭代起始、终止条件。
[0020]在上述技术方案的基础上，步骤2中，根据线性物体的内能在其稳定变形状态下达到最小值的原理，可对抓手变形过程中任一状态进行静态建模。根据表达式(1)计算出内能V；
[0021]V＝U
‑
∑
i
W
i
ꢀꢀ
(1)
[0022]其中，W
i
为节点i上外力做功，U为线性物体的势能，根据表达式(2)计算出势能U；
[0023]U＝U
flex
+U
ext
+U
grav
ꢀꢀ
(2)
[0024]其中，U
flex
、U
ext
、U
grav
分别表示物体的弯曲势能、伸展势能和重力势能，根据表达式(3)、(4)可分别计算弯曲势能U
flex
、伸展势能U
ext
,假设重力沿x轴起作用重力势能U
grav
可由表达式(5)计算：
[0025][0026][0027][0028]其中，R
f
表示物体的弯曲刚度，R
e
表示物体的拉伸刚度，D表示物体单位长度的重量，K表示物体上任意点处的曲率，ε表示线性物体上任意点沿其中心轴的拉伸应变；
[0029]在上述技术方案的基础上，步骤6中，可使用插值的方法得到两节点间任意点的手指宽度，进而得到优化后手指边界上任意点的坐标，进而可通过曲线拟合的方法得到手指
边界曲线，从而输出抓手平面几何模型。
[0030]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0031]本专利技术提供的一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法，以原有的软体手爪的平面几何模型为基础，将手指宽度作为优化目标，通过对手指进行有效线性建模、模拟抓手的抓握状态，在满足终止条件下计算手指的理想宽度，设定收敛条件，当手指理想宽度和当前手指宽度误差满足收敛条件，输出数值模型，设计出优化后的手指平面几何模型，实现离散分布的手指经弯曲后对目标物体形成闭合抓取的目的，提高了物体被抓取时的可靠性和鲁棒性，还可以实现对多个物体同时抓取而不发生掉落的现象。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法，其特征在于，对原有软体抓手的手指宽度进行优化，旨在实现离散分布的手指经弯曲后对目标物体形成闭合抓取的目的，该优化方法满足以下假设条件：1)手指被看作线性物体，即沿一个正交方向比沿其他两个方向尺寸大得多的物体；2)手指抓握过程中只产生平面内变形；该优化方法包括以下步骤：步骤1.建立等效线性模型：根据现有软体抓手平面展开几何模型，分析抓手各部分功能特征并建立沿手指长度方向的等效线性模型；步骤2.计算抓手变形数值模型并进行迭代：根据实际情况下抓手被驱动和约束情况，对抓手变形过程进行数值计算，以模拟抓手抓握过程；步骤3.终止条件判断：设定终止条件，判断抓手变形程度是否达到设定的终止条件；若达到，则继续下一步；若否，则跳转到步骤2；步骤4.计算理想宽度：根据得到的终止条件下数值模型和几何关系，计算以实现抓手闭合抓取为目标的手指理想宽度；步骤5.收敛判断：设定收敛条件，判断所得理想宽度和当前宽度(现有软体手指状抓手手指宽度)的误差是否满足收敛条件，若满足则完成抓手形状优化，输出数值模型，否则返回步骤2，直至满足收敛条件；步骤6.输出平面几何展开模型：根据优化后的数值模型，得到满足闭合抓取目标的抓手手指任意点宽度，设计出平面展开几何模型。2.如权利要求1所述的一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法，其特征在于：步骤2中，对步骤1所得等效线性模型用有限单元剖分，建立有限元模型，并对节点参数进行初始化。3.如权利要求2所述的一种软体手指状抓手平面展开形状优化方法，其特征在于：节点初始化过程具体包括以下步骤：1)初始化节点宽度系数(R
i
)用以表示节点i处的抗弯截面系数；其中，i＝1，2，...，n，n为节点总数量；2)初始化节点的弧长(s
i
)和切线方位角(θ
i
)。4.如权利要求1所述的一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁建军，胡冰艳，杜亮，鲍晟，王明远，马书根，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：