三自由度水下机械手本体结构及阻抗控制研究

论文摘要

随着海洋开发进程的加快,对水下作业装备的需求日益增加。水下作业机械手是完成水下作业任务的重要工具,在水下勘探、水下采矿、海洋石油工程等领域发挥着越来越重要的作用。同时,由于水下特殊的工况环境,与陆上机械手相比,水下机械手的体系结构与控制技术有许多特殊的问题需要研究和解决。本文以ROV搭载机械手为研究对象,研制了三自由度水下机械手实验样机,针对水下机械手阻抗控制问题进行了理论与实验研究工作。在分析和研究国内外水下作业机械手体系结构与控制技术研究现状的基础上,根据水下作业机械手工作环境、作业内容及性能的要求,提出了三自由度水下作业机械手的总体方案,确定使用关节式的整体机构,包括本体结构、传动系统,密封和手爪结构,各个关节结构形式和转角范围确定。在此基础上设计了水下机械手本体结构与控制系统,完成了机械手本体及控制系统的安装和调试。建立了三自由度水下机械手运动学模型,研究了机械手运动学逆解问题,推导出机械手的雅可比矩阵,利用Lagrange方程建立了水下环境的动力学方程并进行了计算机仿真,分析了陆上环境和水下环境不同水阻系数对水下机械手运动的影响。采用静力学分析方法,分析了水下机械手作业空间。水下机械手力、位置控制是机械手研究的热点问题之一,本文从力信息反馈角度,提出了一种未知环境下基于位置的阻抗控制算法,进行了多种约束环境下计算机仿真研究,仿真结果表明调整和优化阻抗控制参数可以有效减小水下机械手与作用对象接触时冲击力,研究并总结了阻抗控制参数调节规律。完成了水下机械手原理样机的研制,建立了较完整的陆上及水池实验系统,并进行了水下机械手关节特性、位置控制、力控制实验研究,总结出通过在不同水深环境下水下机械手关节控制规律。进行了水下约束环境下机械手力跟踪和约束平面控制实验,实验结果表明本文所提出的水下机械手控制策略和控制方法的有效性和可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外水下机器人和机械手研究综述
• 1.2.1 国外水下机器人和机械手研究综述
• 1.2.2 国内水下机器人和机械手研究综述
• 1.3 水下机械手力控制技术研究综述
• 1.4 课题来源与本文主要研究工作
• 第2章 水下机械手总体方案研究
• 2.1 引言
• 2.2 主要技术指标
• 2.3 水下机械手特性分析
• 2.4 水下机械手自由度分析
• 2.5 水下机械手作业空间分析
• 2.6 机械手关节驱动系统
• 2.6.1 驱动力矩分析
• 2.6.2 直流伺服电动机
• 2.7 水下机械手控制系统
• 2.8 本章小结
• 第3章 水下机械手本体研制
• 3.1 引言
• 3.2 机械手单关节结构
• 3.2.1 传动系统分析
• 3.2.2 减速机构分析与设计
• 3.2.3 关节后箱体设计
• 3.3 手爪结构研究
• 3.3.1 手爪本体
• 3.3.2 手爪机构仿真
• 3.3.3 手爪驱动电机
• 3.4 连接臂板
• 3.5 水密性研究与实现
• 3.6 水下机械手本体结构
• 3.7 本章小结
• 第4章 水下机械手运动学和动力学分析
• 4.1 引言
• 4.2 机械手运动学分析
• 4.2.1 运动学正解分析
• 4.2.2 运动学逆解分析
• 4.3 机械手雅可比矩阵
• 4.4 水下机械手动力学分析
• 4.4.1 水下机械手动力学方程
• 4.4.2 水下机械手水阻力矩分析与计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 水下机械手阻抗控制研究
• 5.1 引言
• 5.2 机械手位置控制研究
• 5.2.1 机械手基本位置控制
• 5.2.2 机械手位置控制仿真
• 5.3 机械手力控制研究
• 5.3.1 机械手阻抗控制
• 5.3.2 机械手位置阻抗控制仿真研究
• 5.3.3 机械手阻抗参数调整规律
• 5.4 本章小结
• 第6章 水下机械手实验研究
• 6.1 引言
• 6.2 实验平台的建立
• 6.3 机械手运动控制系统
• 6.4 位置伺服控制实验
• 6.5 阻抗控制实验研究
• 6.5.1 力矩传感器标定
• 6.5.2 约束平面控制实验研究
• 6.5.3 约束空间下力跟踪实验
• 6.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢