面向软体多指手的抓持刚度分配机理、抓持规划及动态稳定性评价方法研究

Multi-fingered soft robotic hand with the characteristics of flexibility, adaptability and safety, is a brand new branch of robotics and has wide application prospect in many fields. However, due to the particularity of structural principle, the way of driving and material, the interacting model and mechanism between the soft hand and its object are not known, and there is no grasping planning algorithm. The problem has been the key factor that holds back the application of soft robotic hand. The project aims to solve the key problems, such as the connotation of the soft robotic finger grasping stiffness and the principle of real-time detecting, the mapping mechanism between object grasping force/torque matrix and grasping stiffness matrix of soft robotic finger, grasping stiffness distribution as well as dynamic scheduling and switch control of master-slave grasping finger in the process of accurate manipulation, by studying the implementing mechanism of actively variable stiffness and the grasping stiffness model of the soft robotic finger, contact mechanics model between soft robotic finger and the object, stiffness distribution method for the power grasping of multi-fingered soft robotic hand, stiffness distribution and manipulation planning method for precision grasping, dynamic stability evaluation method for the accurate grasp of multi-fingered soft robotic hand, and establish basic theories and methods of grasping planning for multi-fingered dexterous hand with soft structure, which provides the basic theoretical method and technical support for the applied research and development of the multi-fingered soft robotic hand.

软体多指手是机器人学领域的崭新方向，具有柔性、顺应性和安全性的特点，在诸多领域具有广阔的应用前景。然而由于采用完全不同于刚性机械手的设计理念、结构原理、驱动方式和柔性材质，其与操作对象的交互作用模式与机理尚未明确，更没有相应的抓持规划方法。针对这一阻碍软体多指手应用的关键因素，本项目拟通过研究软体手指主动刚度实现机理与抓持刚度模型、软体手指抓持目标的软指接触力学模型、软体多指手强力抓取过程中的刚度分配方法，提出软体多指手精细抓取刚度分配与操作规划方法及抓持动态稳定性评价方法，解决软体手指抓持刚度实时检测方法、目标抓持的力/力矩矩阵与软体多指手的抓持刚度矩阵映射机理、软体多指手精细操作的抓持刚度分配和主从抓持手指动态调度与控制切换等关键科学问题，建立适用于软体结构多指灵巧手的抓持规划基本理论和方法，为软体多指灵巧手的应用研究与开发提供基本的理论方法及技术支撑。

随着社会经济和人类生活生产的需求不断提升，各种应用领域和场景中都对机器人多指灵巧手提出了迫切的需求，然后现有的技术并不能满足实际应用的要求。究其原因，主要是机器人多指灵巧手的抓持和操作规划与控制问题一直是困扰传统多指灵巧手研究和开发的难题，时至今日并未得到有效解决。本项目的主要目标就是结合软体机器人的相关技术，融合人手的仿生抓持操作建模，建立机器人多指灵巧手操作规划的方法、控制策略和稳定性评价。.主要研究内容：1）人手操作过程分析与建模，包括：（1）人手运动过程捕捉与分析：① 基于肌电信号的运动手势的检测与分类；② 基于动捕技术的人手操作目标物体时的运动轨迹规律研究。（2）手-物协同运动建模：① 三个手指转动一个单位球体为典型运动的任务规划及运动模式规划；② 手指操作的运动学分析与建模。2）软指尖接触与刚度建模，包括：（1）软指接触力学分析：① 基于微积分法的指尖接触空间几何模型；② 基于微元积分方法的软指接触力分布模型；③ 软指指尖接触力的线性等效方法。（2）软指接触刚度建模，① 软指尖的弹性点接触刚度模型，② 软指接触模型，③ 软指接触的刚度矩阵。3）软体/刚柔软融合多指灵巧手设计与开发，包括：（1）软体五指灵巧手，（2）全驱动无耦合仿生多指灵巧手，（3）三指灵巧手。4）多指灵巧手控制策略研究，包括：（1）软体多指手抓取刚度建模：① 两个软指接触的抓取刚度建模，② 三个软指接触的抓取刚度。（2）软体多指灵巧手抓取规划：① 触点力学模型及其线性化，② 抓取位置的最优化规划。（3）多指灵巧手在抓握过程的接触力学模型与稳定性评价：① 建立接触刚度与关节刚度模型，② 抓持稳定性评价方法。.本项目从仿生的角度解释了人手抓持和复杂操作过程的力学简约实现途径和复杂操作过程的实现机制，映射到机器人多指灵巧手的力学分析和操作建模。为机器人多指灵巧手的操作规划和控制提供了新方法。