水下機(jī)器人—機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著陸地不可再生資源的不斷減少，海洋資源的開(kāi)發(fā)和利用越來(lái)越受到人類(lèi)的重視，含有作業(yè)機(jī)械手的水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)(UnderwaterVehicle-ManipulatorSystem，簡(jiǎn)稱(chēng)為UVMS)將成為人類(lèi)開(kāi)發(fā)和利用海洋資源過(guò)程中的重要工具，也是目前唯一能在深海作業(yè)的高技術(shù)裝備。UVMS屬于高度冗余、模型非線性的多自由度機(jī)械系統(tǒng)，在給定的水下作業(yè)任務(wù)下，研究其作業(yè)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及控制技術(shù)，對(duì)提高其控制性能、可靠性和智能化水平，加快

2、其實(shí)用化進(jìn)程具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。
　　為了開(kāi)展UVMS運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制技術(shù)的研究工作，本文研制了水下電動(dòng)機(jī)械手的本體結(jié)構(gòu)，與小型AUV本體集成構(gòu)成UVMS實(shí)驗(yàn)裝置;建立了UVMS運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型和仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái);研究了UVMS運(yùn)動(dòng)控制策略和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)。
　　根據(jù)課題要求，研制了適合大深度作業(yè)的小型水下電動(dòng)機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)，與小型AUV本體集成構(gòu)成UVMS實(shí)驗(yàn)裝置。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，進(jìn)行了機(jī)械手總體方案的設(shè)計(jì)。為了便于功能

3、的擴(kuò)展和縮短機(jī)械手的研制周期，完成了機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)關(guān)節(jié)的模塊化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行由模塊化擺動(dòng)關(guān)節(jié)組合成多自由度機(jī)械臂的組裝實(shí)驗(yàn)。根據(jù)機(jī)械手的操作對(duì)象，進(jìn)行了具有纜繩剪切功能末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)。
　　建立UVMS運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型和仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在UVMS建模方面，建立了系統(tǒng)的正向運(yùn)動(dòng)模型，并根據(jù)建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型推導(dǎo)了系統(tǒng)的雅可比矩陣和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。為了解決運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系下速度不可積的問(wèn)題，引入Quasi-Lagrange方程建立了系統(tǒng)在靜水和海流環(huán)

4、境下的動(dòng)力學(xué)模型。為了研究UVMS運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制方法，建立了UVMS仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并給出了用于仿真的UVMS、直流電機(jī)和螺旋槳數(shù)學(xué)模型。
　　研究UVMS運(yùn)動(dòng)控制策略。為了對(duì)UVMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)了基于速度PI和位置PD的雙閉環(huán)PID運(yùn)動(dòng)控制器，以縮短速度響應(yīng)的時(shí)間，同時(shí)抑制或減小位置超調(diào)量。針對(duì)PD控制方法對(duì)水下機(jī)器人進(jìn)行位置控制時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，提出一種基于三次根號(hào)函數(shù)平滑切換的滑模模糊位置控制方法。在靜水和海流作

5、用下，采用以上控制方法對(duì)UVMS進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了不同控制方法的控制性能。
　　研究UVMS運(yùn)動(dòng)規(guī)劃技術(shù)。為了避免UVMS作業(yè)時(shí)機(jī)械手與水下機(jī)器人相碰以及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)超出極限范圍，對(duì)UVMS進(jìn)行了關(guān)節(jié)限位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。針對(duì)傳統(tǒng)關(guān)節(jié)限位算法中關(guān)節(jié)由中間值向其兩個(gè)極限位置運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)一直受限的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)勢(shì)函數(shù)和懲罰調(diào)節(jié)因子進(jìn)行重新定義，提出一種改進(jìn)的加權(quán)最小范數(shù)關(guān)節(jié)限位運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法。在靜水環(huán)境下對(duì)改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法進(jìn)行了仿真