水下作业机械手抓取力伺服控制的研究

论文摘要

论文研究了基于力感知能力电液伺服系统的水下作业机械手抓取力动态反馈控制。针对国内外水下作业机械手缺乏环境感知能力,尤其是力感知能力,无法进行抓取力伺服控制；在深入分析抓取作业与伺服力给定优化的基础上,本文在863课题“用于水下的智能化机器人手爪”研制的作业手本体基础上,根据其结构特点和系统特性,在简化工程模型又反映其科学本质的前提下,对机械手进行运动学分析、建立液压驱动力数学模型,并运用Matlab计算和验证了相关设计和分析；运用PID与滑模控制理论,针对机械手具体设计了力伺服控制策略；实验表明,控制精度在允许的控制范围内,误差比较合理,使机械手抓取作业更加有效和精准,能够胜任精细作业。本文为水下作业机械手抓取力伺服控制扫清主要技术障碍。论文总共分为六章：第一章阐明了论文的研究意义和研究目标,以及国内外对作业手的研究现状,分析了目前研究的不足之处,介绍了本文的论文组织框架和研究内容。第二章论述了水下作业机械手系统构建。在分析水下作业环境和作业任务的需求,综合考虑陆地上、太空中作业手的机械构成形式与驱动原理及前人的研究工作,充分理解863计划书提出的设计目标的基础上,提出机械设计方案、驱动方式选取与工程实现、控制系统搭建,并成功研制出系统样机,为力伺服控制搭建实验与理论研究平台。第三章对机械手进行运动学分析。这是从理论研究的角度出发,建立作业手的数学模型,采用D-H法,建立作业手整体的运动学方程并求解。对已建立的结构进行分析,计算出作业手的工作空间以及雅克比矩阵；并运用Matlab仿真,确定其抓取作业范围。第四章分析了作业手抓取姿态与伺服力给定优化。在研究已有抓取模式的基础上,分析一种基于机械结构的作业手最优化抓取模式,并深入研究了力封闭抓取方法,阐述了计算机辅助判别力封闭抓取的原理和步骤,并给出以抓取单位球的计算实例。第五章结合工程实际和理论意义探讨,针对作业手驱动系统,推导出水下作业手力伺服控制数学模型,针对作业手抓取力设计了PID与滑模伺服控制策略,并详细探讨抓取力PID和滑模变结构控制。为水下作业手力伺服控制提供技术支撑和理论导向。第六章在论文总结的基础上对论文的研究发展前景进行展望和分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 本课题研究内容、目标与意义
• 1.2.1 研究意义
• 1.2.2 研究目标
• 1.2.3 研究内容
• 1.3 相关研究及其优缺点对比
• 1.3.1 国外研究背景与现状
• 1.3.2 国内研究背景与现状
• 1.3.3 作业手优缺点及存在的问题
• 1.4 主要创新点
• 1.5 小结
• 第2章 水下作业机械手系统构建
• 2.1 引言
• 2.2 机械本体结构设计
• 2.2.1 水下作业手机械结构设计
• 2.2.2 作业手构件运动形式说明
• 2.2.3 传感器配置
• 2.2.4 手爪设计小结
• 2.3 驱动系统设计
• 2.3.1 驱动方式的选取
• 2.3.2 液压伺服驱动系统的优点、难点及应用
• 2.3.3 作业手关节驱动液压系统设计
• 2.4 控制系统设计
• 2.4.1 作业手操作控制需求
• 2.4.2 控制系统硬件组成
• 2.4.3 伺服阀控制
• 第3章 水下作业手运动学建模与仿真分析
• 3.1 引言
• 3.2 手爪运动分析
• 3.2.1 手爪坐标系建立
• 3.2.2 手爪运动描述
• 3.2.3 关节空间与手指接触点直角坐标空间转化
• 3.3 手爪运动仿真
• 3.4 手爪的雅可比矩阵
• 3.5 指尖速度
• 3.6 小结
• 第4章 水下作业手抓取姿态与伺服力给定优化
• 4.1 引言
• 4.2 手爪操作性分析
• 4.2.1 抓持类型分析
• 4.2.2 操作性有关参数定义
• 4.3 操作力分析
• 4.4 指端接触模型的研究
• 4.4.1 常见的接触模型
• 4.4.2 水下机械手接触模型
• 4.4.3 抓取映射
• 4.5 力封闭抓取
• 4.5.1 抓取平衡方程式
• 4.5.2 约束力集、严格约束力集与法向力集
• 4.5.3 力的封闭与部分封闭的充要条件
• 4.5.4 计算机辅助力封闭判别
• 4.5.5 计算机辅助判别力封闭抓取实例
• 4.6 本章小结
• 第5章 作业手抓取力PID与滑模伺服控制
• 5.1 引言
• 5.2 力伺服控制系统硬件通道
• 5.3 数学模型建立
• 5.3.1 力伺服控制系统传递函数模型
• 5.3.2 各环节传递函数确定
• 5.4 系统MATLAB仿真
• 5.5 伺服力PID控制
• 5.5.1 PID控制原理
• 5.5.2 控制策略
• 5.5.3 PID控制参数的整定
• 5.6 伺服力滑模控制
• 5.6.1 滑模控制概述
• 5.6.2 滑模变结构控制的定义
• 5.6.3 机械手的动力学方程
• 5.6.4 机械手的滑模控制
• 5.7 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 机械手力伺服控制应用展望
• 6.3 机械手力伺服控制的发展趋势
• 参考文献
• 附录1 水下机器人手爪现场实际抓取数据及图形
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文和成果目录
• 致谢