基于质点-弹簧-阻尼模型的人机接触运动皮肤三维形变仿真

人机接触运动中,在接触区域后方和前方皮肤表面分别产生拉伸和堆积形变。针对当前该领域研究的局限性,该文研究了黏滑摩擦下皮肤三维形变仿真模型,为人机作业参数优化、在线轨迹规划和控制提供参考。该文基于皮肤解剖结构,构建皮肤、肌肉脂肪、骨骼3层质点-弹簧-阻尼模型,描述皮肤在拉伸、剪切和弯曲作用下的形变;基于皮肤黏滑摩擦机理,结合改进Kelvin-Voigt黏弹模型,构建皮肤质点-弹簧-阻尼动力学模型,模拟不同作业环境下皮肤的实时三维形变;验证了皮肤质点-弹簧-阻尼模型在Kwiatkowska、Franklin等皮肤拉伸测量试验中的有效性。同时,该文搭建了机器人手臂按摩试验平台和皮肤表面形变测量视觉系统。与试验测量结果对比,皮肤三维形变仿真模型拉伸形变在X和Z方向的平均误差分别为0.295、0.360 mm,标准差分别为0.164、0.085 mm;堆积形变在X、Y和Z方向的平均误差分别为0.317、0.248、0.471 mm,标准差分别为0.090、0、0.232 mm。试验结果表明:该文构建的皮肤三维形变仿真模型误差较小、稳定性较高。