水下水液壓機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計及位置測量技術(shù)研究.pdf

1、自主式水下機(jī)器人(AUV：Autonomous Underwater Vehicle)具有運(yùn)動靈活、工作范圍大等優(yōu)點(diǎn)，成為了海洋環(huán)境調(diào)查與資源探測的重要裝備。AUV一般搭載小型電動機(jī)械手，其作業(yè)范圍及負(fù)載能力都遠(yuǎn)不及ROV搭載的液壓機(jī)械手，無法滿足實(shí)際作業(yè)的需要，特別是針對復(fù)雜、狹小空間，危險、極限環(huán)境下的水下高精度作業(yè)任務(wù)，不但要保證機(jī)械手較小的收納體積來減小AUV航行阻力，還要滿足其較大的作業(yè)范圍和更高的作業(yè)精度以保障作業(yè)的安全性與

2、可靠性。因此，研究具有大作業(yè)范圍、小型化、高靈活性、高精度的AUV用水下液壓機(jī)械手系統(tǒng)具有重要的理論研究意義和實(shí)際應(yīng)用價值。
　　本文以高精度五自由度水下水液壓機(jī)械手系統(tǒng)為主線進(jìn)行了研究，重點(diǎn)研究了水下水液壓機(jī)械手系統(tǒng)及機(jī)械手末端精度測量裝置。
　　針對水下作業(yè)機(jī)械手的主要功能特點(diǎn)，從結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式角度，分析國內(nèi)外AUV用水下機(jī)械手及水液壓機(jī)械手發(fā)展現(xiàn)狀，明確適用于小型AUV的水下水液壓機(jī)械手結(jié)構(gòu)研究工作的方向。同時分析

3、精度測量方法及水下機(jī)械手控制方法研究現(xiàn)狀，為本文設(shè)計的空間測量裝置及提高水液壓機(jī)械手精度提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
　　針對輕量化、模塊化、大展開長度、小收回體積的設(shè)計要求，本文分析研究水下機(jī)械手的總體設(shè)計方案，對機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊劃分和設(shè)計。為了提高機(jī)械手結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度，減小振動頻率，增加機(jī)械手結(jié)構(gòu)的可靠性，本文對機(jī)械手關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化，并對機(jī)械手臂進(jìn)行模態(tài)分析。為實(shí)現(xiàn)機(jī)械手高精度控制精度，針對機(jī)械手驅(qū)動關(guān)節(jié)的小流量控制需要，

4、本文設(shè)計了一套小流量水液壓驅(qū)動系統(tǒng)，并分析液壓系統(tǒng)壓力損失、摩擦特性及水介質(zhì)與液壓軟管的等效體積模量。
　　研究機(jī)械手的正向運(yùn)動學(xué)，基于D-H法建立其正向運(yùn)動學(xué)方程，基于反變換法建立逆向運(yùn)動學(xué)方程。針對水液壓介質(zhì)及軟管的可壓縮性，導(dǎo)致機(jī)械手對液壓控制系統(tǒng)命令響應(yīng)慢動作滯后、調(diào)節(jié)時間長、控制誤差大等問題，本文提出一種分段PID控制方法，通過對機(jī)械手腕擺動關(guān)節(jié)進(jìn)行分段PID控制及普通PID控制實(shí)驗(yàn)，對比驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

5、>　　對機(jī)械手末端位置誤差進(jìn)行仿真分析，分析計算機(jī)械手各種誤差因素對末端位置的影響；為了檢測機(jī)械手實(shí)際作業(yè)精度，研制了一套空間空間測量裝置；針對位置檢測傳感器行程與精度的矛盾，本文對其進(jìn)行改進(jìn)，并對測量裝置自身精度進(jìn)行了誤差分析。使用改進(jìn)的空間測量裝置對機(jī)械手末端靜態(tài)、動態(tài)精度進(jìn)行檢測。在分析機(jī)械手末端誤差的基礎(chǔ)上，為了提高機(jī)械手末端精度，本文提出機(jī)械手末端位置補(bǔ)償方法。
　　對自行研制的五自由度水液壓機(jī)械手和空間測量裝置進(jìn)行了相

6、關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。針對機(jī)械手手爪剪切力的技術(shù)要求，通過對手爪液壓缸手動打壓、控制機(jī)械手手爪進(jìn)行真實(shí)作業(yè)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。在單關(guān)節(jié)分段PID控制的基礎(chǔ)上，將分段PID應(yīng)用到機(jī)械手前四個關(guān)節(jié)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分段PID控制方法對機(jī)械手系統(tǒng)的有效性。為驗(yàn)證本文研究的水下機(jī)械手末端靜態(tài)精度是否滿足技術(shù)指標(biāo)，使用本文研制的空間位置測量裝置對機(jī)械手末端靜態(tài)精度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。為提高機(jī)械手末端靜態(tài)精度，驗(yàn)證本文提出誤差補(bǔ)償方法的有效性，本文在實(shí)驗(yàn)中使用機(jī)械手肘關(guān)節(jié)、腕擺