本發(fā)明涉及機器人仿真，特別涉及一種欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺及其搭建方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代科技飛速發(fā)展，機器人技術(shù)在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛，靈巧、自適應(yīng)的機器人系統(tǒng)特別是機械臂-手系統(tǒng)因能適應(yīng)多任務(wù)場景而備受關(guān)注。然而，直接在真實物理環(huán)境中對這類系統(tǒng)進行算法設(shè)計和驗證帶來了極大的經(jīng)濟和時間成本。因此，基于仿真平臺模擬實際機器人任務(wù)場景，進行算法先期驗證和優(yōu)化已成為一種高效的方式。

2、作為機械臂末端執(zhí)行器，機器人靈巧手因外形仿人，可以對不同形狀的物體完成復(fù)雜的操作，相對于傳統(tǒng)夾爪具有巨大優(yōu)勢。靈巧手是一個高度集成的機電系統(tǒng)，內(nèi)部空間狹小，因此欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)成為如今的發(fā)展趨勢。所謂欠驅(qū)動結(jié)構(gòu)，是指獨立驅(qū)動器數(shù)目少于自由度數(shù)的結(jié)構(gòu)，在降低成本和控制難度的同時，保證了系統(tǒng)的靈活性和自適應(yīng)性。但欠驅(qū)動的引入，也給靈巧手的仿真建模帶來了極大的挑戰(zhàn)。

3、在當前的仿真建模技術(shù)中，對于欠驅(qū)動機械手的精確建模仍然存在諸多難點，如關(guān)節(jié)耦合和解耦問題，指間自適應(yīng)問題等。因此，研究一種基于mujoco物理仿真引擎的欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺及其實現(xiàn)方法，對于解決當前欠驅(qū)動機械手仿真建模的難點具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了，以解決背景技術(shù)所提到的技術(shù)問題。

2、為達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

3、本發(fā)明提供了一種欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺的搭建方法，包括如下步驟：

4、s1、基于mujoco仿真引擎，建立mjcf格式的xml文件一，在xml文件一內(nèi)設(shè)置仿真環(huán)境參數(shù)模塊，仿真環(huán)境參數(shù)模塊包括仿真環(huán)境中的平臺配置參數(shù)、整體物理參數(shù)以及視覺配置參數(shù)；設(shè)置仿真場景模塊，仿真場景模塊包括仿真環(huán)境中的世界信息和機器人工作場地信息；

5、s2、在裝配體模型中將三指欠驅(qū)動靈巧手或五指欠驅(qū)動靈巧手安裝在機械臂上，得到臂-手機器人模型，然后依據(jù)機器人運動學(xué)樹將臂-手機器人模型轉(zhuǎn)換為urdf模型，再通過mujoco將urdf模型轉(zhuǎn)換為mjcf格式的xml文件二；然后將xml文件一與xml文件二合并，得到mjcf格式的xml文件三；

6、s3、依據(jù)真實機器人運動學(xué)機理在mjcf格式的xml文件三內(nèi)為臂-手機器人設(shè)置傳動驅(qū)動模塊；

7、s4、在mjcf格式的xml文件三內(nèi)為臂-手機器人布設(shè)多個傳感器，從而完成多傳感器模塊的設(shè)置；

8、s5、將s4得到的xml文件三與python程序調(diào)試模塊交互對接，至此，欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺搭建完畢。

9、本發(fā)明另一方面還提供了一種欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺，通過上述搭建方法進行搭建；包括仿真環(huán)境參數(shù)模塊、仿真場景模塊、機器人結(jié)構(gòu)模塊、機器人傳動驅(qū)動模塊、多傳感器模塊和python程序調(diào)試模塊；

10、仿真環(huán)境參數(shù)模塊用于儲存仿真環(huán)境中的平臺配置參數(shù)、整體物理參數(shù)以及視覺配置參數(shù)；

11、仿真場景模塊用于儲存仿真環(huán)境中的世界信息和機器人工作場地信息；

12、機器人結(jié)構(gòu)模塊包括機械臂以及安裝在機械臂末端上的三指欠驅(qū)動靈巧手或五指欠驅(qū)動靈巧手的三維模型；

13、機器人傳動驅(qū)動模塊用于為三指欠驅(qū)動靈巧手或五指欠驅(qū)動靈巧手提供仿真驅(qū)動；

14、多傳感器模塊用于反饋和監(jiān)測臂-手機器人模型的運動；

15、python程序調(diào)試模塊為程序接口，用于實現(xiàn)臂-手機器人模型在多任務(wù)仿真場景中對對象的抓取和操作任務(wù)。

16、本發(fā)明的有益效果：

17、1、本發(fā)明提供了一種欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺的搭建方法，通過虛擬肌腱、空間肌腱和位置驅(qū)動器的設(shè)計，有效模擬了三指欠驅(qū)動靈巧手以及五指欠驅(qū)動靈巧手的驅(qū)動、各個關(guān)節(jié)耦合與解耦、以及三指手食指和中指之間的扭簧，實現(xiàn)了手指內(nèi)和手指間的自適應(yīng)能力，同時可使得搭建的欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺的仿真結(jié)果更加準確。

18、2、本發(fā)明另一方面還提供了一種欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺，仿真平臺中的機器人、被操作工具和工作臺部分均按真實大小和物理參數(shù)進行建模，有效還原了機器人真實工作場景，以便于算法向現(xiàn)實中遷移。

19、3、本發(fā)明提供的欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺使用pycharm作為與其交互的程序接口，mujoco作為一種高效的機器人物理仿真引擎，提供了簡單易用的api(應(yīng)用程序編程接口)，便于與其他機器學(xué)習(xí)庫集成，以支持控制算法的開發(fā)。

20、4、本發(fā)明提供的欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺內(nèi)的各個模塊采用模塊化設(shè)計，用戶可自行修改代碼以替換機械臂、機械手和操作對象。同時，可自行增加其它傳感器，以實現(xiàn)對機器人更豐富的狀態(tài)監(jiān)測，可推廣性強。

技術(shù)特征：

1.一種欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺的搭建方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的搭建方法，其特征在于，所述平臺配置參數(shù)用于描述欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺的基本特性，平臺配置參數(shù)至少包括角度單位的選擇、3d模型路徑設(shè)置、仿真時間步長設(shè)置、數(shù)值積分器類型、約束求解器類型及最大迭代次數(shù)，以及每個時間步中允許的最大關(guān)節(jié)數(shù)和接觸對數(shù)中的一項或者多項；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的搭建方法，其特征在于，所述世界信息包括天空、地板；機器人工作場地信息包括具體操作場地及相關(guān)配套設(shè)施。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的搭建方法，其特征在于，所述三指欠驅(qū)動靈巧手包括拇指、食指、中指、三個獨立驅(qū)動模塊、三個近驅(qū)動滑輪一(11)、三個中驅(qū)動滑輪(12)、三個遠驅(qū)動滑輪(13)、一個近耦合滑輪(14)、三個中耦合滑輪(15)、三個遠耦合滑輪(16)以及兩個近驅(qū)動滑輪二(17)；

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的搭建方法，其特征在于，所述五指欠驅(qū)動靈巧手包括大拇指、食指、中指、無名指、小拇指、三個雙電機驅(qū)動模塊以及兩個單電機驅(qū)動模塊；且大拇指、食指、中指、無名指、小拇指五根手指均分別包括依次轉(zhuǎn)動連接的遠指節(jié)、中指節(jié)、近指節(jié)和連接座；其中近指節(jié)通過近關(guān)節(jié)與連接座轉(zhuǎn)動連接，中指節(jié)通過中關(guān)節(jié)與近指節(jié)轉(zhuǎn)動連接，遠指節(jié)通過遠關(guān)節(jié)與中指節(jié)轉(zhuǎn)動連接；

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的搭建方法，其特征在于，所述s2具體包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的搭建方法，其特征在于，所述s3具體包括如下步驟：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的搭建方法，其特征在于，所述s33具體包括如下步驟：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的搭建方法，其特征在于，所述s34具體包括如下步驟：

10.一種利用權(quán)利要求1至9任一項所述的搭建方法搭建的欠驅(qū)動靈巧臂-手仿真平臺，其特征在于，包括仿真環(huán)境參數(shù)模塊、仿真場景模塊、機器人結(jié)構(gòu)模塊、機器人傳動驅(qū)動模塊、多傳感器模塊和python程序調(diào)試模塊；

技術(shù)總結(jié)
一種欠驅(qū)動靈巧臂?手仿真平臺及其搭建方法，方法包括：1、建立MJCF格式的XML文件一，并設(shè)置仿真環(huán)境參數(shù)模塊、仿真場景模塊；2、在裝配體模型中將三指欠驅(qū)動靈巧手或五指欠驅(qū)動靈巧手安裝在機械臂上，并轉(zhuǎn)換為URDF模型，再通過MuJoCo轉(zhuǎn)換為XML文件二，然后通過合并，得到XML文件三；3、依據(jù)真實機器人運動學(xué)機理在XML文件三內(nèi)為機器人設(shè)置傳動驅(qū)動模塊；4、在XML文件三內(nèi)為機器人布設(shè)多個傳感器，從而完成多傳感器模塊的設(shè)置；5、將最新得到的XML文件三與Python程序調(diào)試模塊交互對接。本發(fā)明通過肌腱和驅(qū)動器設(shè)計，有效完成了欠驅(qū)動多指靈巧手驅(qū)動模擬和關(guān)節(jié)柔性耦合模擬，使仿真結(jié)果更加準確。

技術(shù)研發(fā)人員：陳文銳,吳思杰,鄢銼,王耀南,李鑫,高啟鑫,刁強,楊凡,王杰
受保護的技術(shù)使用者：湖南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/4/24