水下机械手阻抗控制技术研究

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,海底探测、打捞、管线检测与修复等复杂任务对水下机械手的性能提出了越来越高的要求,水下机械手控制技术的研究对提高作业能力及水下机器人的智能化水平具有重要的研究意义和实用价值。水下机器人搭载的作业机械手,受海洋环境及其与艇体之间耦合的影响,其控制技术与陆上机械手相比有很大不同,包括位置控制、力控制在内的控制技术是水下机械手自主完成作业任务的基础和关键技术。为优化水下机械手的作业能力,对机械手结构进行改进,建立了水下机械手的运动学模型,分析了作业空间,建立了水下机器人-机械手系统运动学模型,研究了该系统的运动学逆解问题。分析了水下机械手在环境约束条件下的动力学特性,针对水下坏境,分析了海流、水阻力、附加质量力对系统动力学的影响。建立了基于阻抗控制的水下机械手力控制系统,通过位置内环和力外环的双闭环系统来实现目标阻抗,分析了目标阻抗参数对力控制性能的影响,总结出阻抗参数调节规律。阻抗控制是通过调节参考位置间接地实现力控制,参考位置的设定与目标位置与刚度有关,水下机械手工作环境的不确定性将给参考位置设定带来困难,本文探讨了估计单一特定环境位置与刚度的方法,以确定控制器的参考位置,提出了一种未知环境下参考位置的估计方法,基于力与位置反馈信息对环境位置进行在线估计,进而给定参考位置,规划水下机械手下一步动作,使水下机械手跟随目标物并与其表面保持期望接触力,通过力跟踪仿真实验验证了所提方法的有效性。以水下机械手为实验载体,进行了位置与姿态控制实验,进行了多种约束条件下水下机械手的力跟踪实验、目标物抓取实验及模拟剪缆实验,对提出的参考位置估计算法的有效性进行了实验验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机械手力控制研究综述
• 1.2.1 经典力控制
• 1.2.2 现代控制
• 1.2.3 智能控制
• 1.3 力控制在不同任务中的应用
• 1.4 课题来源与本文主要研究工作
• 第2章 机械手运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 三关节机械手结构
• 2.3 机械手运动学分析
• 2.3.1 机械手正向运动学分析
• 2.3.2 机械手逆向运动学分析
• 2.4 uvms运动学分析
• 2.4.1 uvms正向运动学分析
• 2.4.2 uvms逆向运动学分析
• 2.5 机械手运动规划仿真
• 2.6 小结
• 第3章 水下机械手阻抗控制研究
• 3.1 引言
• 3.2 运动受限水下机械手动力学模型
• 3.2.1 运动受限动力学分析
• 3.2.2 水环境影响的分析与计算
• 3.2.3 操作空间动力学建模
• 3.3 阻抗力跟踪控制研究
• 3.3.1 机械手末端与环境的等效模型
• 3.3.2 阻抗控制器的设计
• 3.3.3 阻抗控制仿真实验及分析
• 3.4 阻抗参数调节方法
• 3.5 本章小结
• 第4章 阻抗控制参考轨迹估计
• 4.1 引言
• 4.2 稳态力误差分析
• 4.3 环境参数估计
• 4.4 在线参考轨迹估计
• 4.4.1 未知约束估计
• 4.4.2 参考轨迹生成及控制策略
• 4.5 仿真实验及分析
• 4.5.1 环境参数估计法仿真
• 4.5.2 在线参考轨迹估计法仿真
• 4.6 本章小结
• 第5章 水下机械手实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 水下机械手实验系统组成及实验主要内容
• 5.2.1 实验系统简介
• 5.2.2 实验内容
• 5.3 位姿控制实验与结果分析
• 5.4 阻抗实验与结果分析
• 5.4.1 虚拟力觉传感器
• 5.4.2 平面力跟踪
• 5.4.3 斜面力跟踪
• 5.4.4 曲面力跟踪
• 5.4.5 正弦信号力跟踪
• 5.5 参考轨迹估计法实验
• 5.5.1 环境参数估计法实验
• 5.5.2 在线参考轨迹估计法实验
• 5.6 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