【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于空间机器人，尤其涉及一种空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法及系统。
技术介绍
1、目前的地外天体采样方式主要包括浅层铲挖和深层钻取，我国探月工程无人自主采样任务就是利用钻取采样的方式获取深层月壤样品。但是，铲挖和钻取操作会使土壤受切削作用而发生剪切破坏，严重影响取样质量；同时钻进过程中采样装置受土壤反作用力作用极有可能发生剧烈波动，严重影响作业稳定性。
2、传统的“夹钳式”末端操作工具在动作灵活性、非结构化目标适应性和安全交互性等方面存在局限性。
技术实现思路
1、本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法及系统，通过建立运动学与力学模型，实现灵巧手运动学力学快速解算，满足了多指协调运动规划与柔顺力控制需求；通过结构参数设计优化灵巧手的运动传递和动力传输效果，实现高灵活性(弯曲>90°、侧摆>30°)和高指尖力(大于30n)，提高了空间精细操作的灵活度和承载能力。
2、本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，包括：建立15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型；建立手指力学传递模型；基于15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型和手指力学传递模型，以单指弯曲和摆动角度最大化、丝杠行程最小化以及指尖力最大化作为优化目标，对多连杆结构参数进行优化设计。
3、上述空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法中，在15自由度连
4、上述空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法中，在15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型中，构造丝杠电机驱动空间与等效关节角度空间之间的映射关系、等效关节角度空间与末端位置空间之间的映射关系。
5、上述空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法中，丝杠电机驱动空间与等效关节角度空间之间的映射关系包括：单指通过连杆驱动形成多个闭链结构，基于闭链约束关系，推导丝杠行程、各连杆矢量与手指弯曲、摆动角度之间的等式关系，建立关于丝杠行程与手指弯曲、摆动角度的正/逆运动学解析模型；基于正运动学解析模型，根据电机丝杠行程和各连杆连接关系正向计算出等效关节角度；基于逆运动学解析模型，根据等效关节角度和各连杆连接关系逆向计算出电机丝杠行程。
6、上述空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法中，等效关节角度空间与末端位置空间之间的映射关系包括：将单指等效为3自由度四连杆机构，基于雅可比矩阵建立该机构的正运动学方程；基于雅可比矩阵的广义逆建立该机构的逆运动学方程；通过对该机构的逆运动学方程求解，得到满足末端位置空间约束的关节角度空间，进而确定丝杠电机的控制输出量。
7、上述空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法中，在手指力学传递模型中，根据电机传动原理建立电机输出转矩与丝杠输出力之间的映射关系；其中，电机的变速箱与丝杠相连接。
8、上述空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法中，在手指力学传递模型中，将各连杆简化为二力杆，基于各连杆几何关系和力平衡原理确定手指末端指尖力、远指节承载力、近指节承载力和丝杠输出力之间的映射关系。
9、上述空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法中，所述多连杆结构参数包括各连杆长度、闭链内夹角。
10、一种空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算系统，包括：第一模块，用于建立15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型；第二模块，用于建立手指力学传递模型；第三模块，用于基于15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型和手指力学传递模型，以单指弯曲和摆动角度最大化、丝杠行程最小化以及指尖力最大化作为优化目标，对多连杆结构参数进行优化设计。
11、一种电子设备，包括：存储器：用于存储计算机可读指令；以及处理器：用于运行所述计算机可读指令，执行空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法。
12、本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：
13、(1)本专利技术针对连杆驱动灵巧手，建立丝杠电机驱动空间、等效关节角度空间以及末端位置空间之间的映射关系，通过分层次的正/逆运动学求解，能够全面、准确、高效地分析灵巧手的运动状态，从而满足多指灵巧手运动规划与协调控制的要求；
14、(2)本专利技术通过建立可解析的灵巧手运动学与力学模型，能够提高灵巧手的可控性，实现高精度的运动规划与柔顺力控制，从而增强灵巧手对抓捕目标的形、力适应性；具有任务通用性好、抓取灵活度高、操作可靠性强等优势特点；
15、(3)本专利技术通过对连杆驱动灵巧手结构参数设计，优化运动传递和动力传输效果，实现了灵巧手的高灵活性(弯曲>90°、侧摆>30°)和高指尖力(大于30n)，提高了灵巧手的运动和抓握能力，并且改善了结构紧凑性；
16、(4)本专利技术提供的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法使得具有与人手相似的多指灵巧功能，既能够提供极高的抓取精度，以适应抓取尺寸、刚度较小的物体，又能够提供强大的抓握力，以适应尺寸、刚度较大的目标；可满足地外天体表面非结构化物体的重复抓取和操控需求，并且在深空探测以及空间在轨服务等精细操控领域都具有广泛的应用前景，能够产生积极的实用效果。
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1.一种空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：在15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型中，15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型由多个单指组合而成，其中，单指由多个连杆串并联而成，通过指根的三个丝杠电机驱动，模仿人手实现单向弯曲和横向摆动。
3.根据权利要求2所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：在15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型中，构造丝杠电机驱动空间与等效关节角度空间之间的映射关系、等效关节角度空间与末端位置空间之间的映射关系。
4.根据权利要求3所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：丝杠电机驱动空间与等效关节角度空间之间的映射关系包括：
5.根据权利要求3所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：等效关节角度空间与末端位置空间之间的映射关系包括：
6.根据权利要求1所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：在手指力学传递
7.根据权利要求1所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：在手指力学传递模型中，将各连杆简化为二力杆，基于各连杆几何关系和力平衡原理确定手指末端指尖力、远指节承载力、近指节承载力和丝杠输出力之间的映射关系。
8.根据权利要求1所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：所述多连杆结构参数包括各连杆长度、闭链内夹角。
9.一种空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算系统，其特征在于包括：
10.一种电子设备，其特征在于，包括：
...【技术特征摘要】
1.一种空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于包括：
2.根据权利要求1所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：在15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型中，15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型由多个单指组合而成，其中，单指由多个连杆串并联而成，通过指根的三个丝杠电机驱动，模仿人手实现单向弯曲和横向摆动。
3.根据权利要求2所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：在15自由度连杆驱动灵巧手运动学模型中，构造丝杠电机驱动空间与等效关节角度空间之间的映射关系、等效关节角度空间与末端位置空间之间的映射关系。
4.根据权利要求3所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学力学计算方法，其特征在于：丝杠电机驱动空间与等效关节角度空间之间的映射关系包括：
5.根据权利要求3所述的空间多自由度连杆驱动灵巧手运动学...
【专利技术属性】
技术研发人员：初晓昱，刘磊，文闻，韩知非，程俊波，张强，周元子，李晓辉，高静琦，杨泽琨，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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