（机械电子工程专业论文）大时延水下机械手位置伺服控制技术研究.pdf

哈尔滨一【：程人学硕士学位论文 捅要 随着人类社会的发展和科学技术的进步，世界很多国家都开始重视对海 洋资源的开发和利用。作为海洋开发的重要工具，水下机械手的研究日益受 到人们的关注，水下机械手工作在复杂的海洋( 水中) 环境中，水压、腐蚀、 海流、潮汐、浪涌等都将影响到水下机械手的控制性能。因此水下机械手的 研究对提高水下作业能力及智能化水平具有重要的理论研究意义和实际应用 价值。 体系结构与作业控制技术是水下机械手研究的关键问题之一，本文在对 水下机械手总体结构、运动分析及控制系统分析和研究的基础上，开发了基 于速度内环和位置外环的水下机械手双闭环位置伺服控制系统。速度内环采 用p i 控制，有助于抑制振荡，减小超调，提高控制系统的动态性能；位置外 环采用p 控制，有助于保证系统静态精度和动态跟踪的性能。对于水下机械 手位置伺服控制系统，水池实验结果表明，基于速度内环和位置外环的水下 机械手双闭环位置伺服控制系统适合水下环境的要求，控制精度高，具有较 好的抗干扰能力，同时也验证了这种控制方法的有效性和可行性。 考虑到为无人无缆水下机器人( a u v ) 所配备的水下机械手的应用背景 及工作环境的特殊性，控制系统内发生的大时延会影响整个控制系统的稳定 性，降低系统的控制品质。针对这一问题，本文提出了在水下机械手闭环系 统的前向通道和反馈通道增加了时延缓冲器和时延补偿器的方法，以减小时 延对水下机械手控制系统的影响。 前向通道时延补偿器采用s m i t h 补偿。s m i t h 补偿是在闭环系统中增加 一个补偿环节，使补偿后系统的控制通道及系统传递函数的分母不再含有延 迟环节，从而改善控制系统的控制性能及稳定性；反馈通道时延补偿器是在 控制系统的前向通道增加一个补偿器，使补偿后的系统等效于没有时延时的 控制系统，以减小时延对控制系统的影响。由于深海作业水下机械手的时延 具有随机性、可变性和不可预测性，是一种变时延。采用时延缓冲器，把变 时延转换成固定时延，再进行时延补偿控制。水池实验结果验证了本文所提 时延补偿方法的有效性和可行性。 哈尔滨。l ：程大学硕+ 学位论文 关键词：水下机械手；位置伺服；时延；补偿控制 a bs t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fh u m a ns o c i e t ya n dt h ea d v a n c e m e n to f t e c h n o l o g y ，m a n yc o u n t r i e sh a v eb e g u nt oa t t a c hi m p o r t a n c et ot h ee x p l o i t a t i o n a n du t i l i z a t i o no fm a r i n er e s o u r c e s u n d e r w a t e r m a n i p u l a t o r sw o r ki n t h e c o m p l e xo c e a n ( w a t e r ) e n v i r o n m e n t ，t h ec o n t r o lp e r f o r m a n c eo fu n d e r w a t e r m a n i p u l a t o rw i l lb ea f f e c t e db yp r e s s u r e ，c o r r o s i o n ，c u r r e n t ，t i d e ，s w e l l ，a n ds oo n t h er e s e a r c ho fu n d e r w a t e r m a n i p u l a t o rh a sg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h el e v e lo fi n t e l l i g e n c ea n do p e r a t i o n a lc a p a b i l i t y a r c h i t e c t u r ea n do p e r a t i n gc o n t r o lt e c h n o l o g yi so n eo ft h ek e yi s s u e st o u n d e r w a t e rm a n i p u l a t o r o nt h eb a s i so fa n a l y s i sa n dr e s e a r c ht ot h eo v e r a l l s t r u c t u r e ，m o t i o na n a l y s i sa n dc o n t r o ls y s t e mo ft h eu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o r , t h e d o u b l ec l o s e dl o o pp o s i t i o ns e r v oc o n t r o l l e ri s p r e s e n t e df o rt h eu n d e r w a t e r m a n i p u l a t o rb a s e do nt h es p e e di n n e rl o o pa n dt h ep o s i t i o no u t e rl o o p r e g a r d i n g t h ed o u b l ec l o s e dl o o pc o n t r o ls y s t e m ，t h es p e e dl o o pi sh e l p f u li ns u p p r e s s i n gt h e v i b r a t i o n ，r e d u c i n gt h eo v e rm o d u l a t i o na n de n h a n c i n gs y s t e m sd y n a m i cp r o p e r t y a n dt h ep o s i t i o nl o o pi sh e l p f u lt ot h eg u a r a n t e eo f s y s t e ms t a t i cs t a t ep r e c i s i o n a n dt h e d y n a m i ct r a c kp e r f o r m a n c e t h eu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o rp o s i t i o n s e r v o - c o n t r o le x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h ed o u b l ec l o s e d l o o pp o s i t i o ns e r v o c o n t r o lw h i c hb a s e do nt h es p e e di n n e rl o o pa n dt h ep o s i t i o no u t e rl o o p ，s u i t st h e r e q u e s to ft h es u b m a r i n ec o m p l e xw o r k i n ge n v i r o n m e n t ；i th a sh i g hc o n t r o l p r e c i s i o na n dg o o da n t i - j a m m i n ga b i l i t y , w h i l ei th a sc o n f i r m e dt h ev a l i d i t ya n d f e a s i b i l i t yo ft h i sk i n do fc o n t r o ls y s t e m t a k i n g a c c o u n ti n t ot h e b a c k g r o u n d o fu n d e r w a t e r m a n i p u l a t o r t o a u t o n o m o u su n d e r w a t e rv e h i c l e ( a u v ) a n dt h ew o r ke n v i r o n m e n t ，t h eb i gt i m e d e l a yi nt h ec o n t r o ls y s t e mw i l la f f e c tt h es t a b i l i t yo ft h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m ， a n dr e d u c et h eq u a l i t yo ft h ec o n t r o ls y s t e m w h e nt h et i m ed e l a yo c c u r si nt h e c l o s e d l o o pc o n t r o ls y s t e m ，t h et i m ed e l a yb u f f e ra n dc o m p e n s a t o ra r ea d d e di n t o t h ef o r w a r dp a t ha n dt h ef e e d b a c kp a t ht or e d u c et h ei n f l u e n c ew h i c hw a s a t t a c h e dt ot h ec o n t r o ls y s t e mo ft h eu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o rb yt i m ed e l a y 哈尔滨j l ：程大学硕十学位论文 t h et i m ed e l a yc o m p e n s a t o rt ot h ef o r w a r dp a t hu s e ss m i t hc o m p e n s a t i o n s m i t hc o m p e n s a t i o ni sa d d i n gac o m p e n s a t o ri nt h ec l o s e d l o o ps y s t e m ，t o c o m p e n s a t st h ed e l a y l i n k si nt h ec o n t r o lp a t h ，a n dt h ed e n o m i n a t o ro ft h e s y s t e m st r a n s f e rf u n c t i o n ，s oa st oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t yo ft h e c o n t r o ls y s t e m t h et i m ed e l a yc o m p e n s a t o rt ot h ef e e d b a c kp a t hi sa d d i n g c o m p e n s a t o ri nt h ef o r w a r dp a t ht ob ee q u i v a l e n tt ot h es y s t e mw i t h o u tt i m ed e l a y a f t e rc o m p e n s a t i o n ，t or e d u c et h ei n f l u e n c et ot h ec o n t r o ls y s t e m s b e c a u s et h e t i m ed e l a yt ot h eu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o ri nt h ed e e ps e ai sr a n d o m ，v a r i a b l ea n d u n p r e d i c t a b l e ，w eu s e at i m ed e l a yb u f f e rt oc h a n g et h ev a r i a b l et i m ed e l a yi n t oa f i x e dt i m ed e l a y a n df u r t h e rt oc o m p e n s a t ec o n t r 0 1 1 1 1 ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n t h ew a t e rp o o ls h o wt h a tt h et i m ed e l a yc o m p a n s e n t i o nm e t h o di sf e a s i b l ea n d e f f e c t i v e k e y w o r d s ：u n d e r w a t e rm a n i p u l a t o r ；p o s i t i o ns e r v o ；t i m ed e l a y ；c o m p e n s a t e c o n t r o l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文 献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己 经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：生垒超 日期：多妪年弓月8 日 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 2 1 世纪是海洋的世纪，占地球表面积7 1 的海洋里蕴藏丰富的生物资 源、矿产资源和能源。随着海洋开发进程的加快，海洋考察、石油探测、海 底管道铺设和维修等诸多水下作业任务都在逐步增多。世界很多国家都在加 快对海洋资源的开发和利用，进行大规模的海洋勘探和各种水下作业任务。 这些水下作业具有大深度、大范围、长距离、多功能、高效率、安全可靠等 要求。受人类自身特性限制，水下作业深度、作业时间和作业效率都不能满 足海洋开发的要求。水下机器人是完成水下作业任务的最理想设备，它可以 代替人类在一般潜水技术不能到达的深度进行综合考察和研究，并完成多种 作业任纠卜2 。因此，水下机械手的研究和推广对于海洋资源的探测、开发和 利用、深海救护、光电通讯、生命科学以及军事等领域有重要的现实意义。 水下机器人本身仅是一种运载工具，如果要完成水下作业任务，则必须 配备相应功能的水下机械手。水下机械手技术是水下机器人开发与应用的关 键技术和重要内容。水下机械手的作业范围和能力、动力性能和控制灵巧性 等决定着整个水下作业系统的性能【3 j 。 水下机械手的研制开发不仅涉及到机械、电子、计算机、流体力学等多 门学科，还对水下工程材料，大深度、复杂海况下的密封技术，信息处理与 自主识别技术等都有很高的要求。水下机械手自5 0 年代末期问世以来，一直 受到学者们的关注，而水下机械手的运动控制技术一直以来都是研究的热点 和难点问题之一。本课题研究的目的是以a u v 用机械手为应用背景，研究 水下作业机械手相关控制技术，研制实验样机并进行实验研究和验证。 1 2 国内外水下机械手研究现状 1 2 1 国外水下机械手研究现状 美国、法国、日本和俄罗斯等国对水下机械手的研究起步较早，实用化 哈尔滨工程人学硕士学位论文 程度也比较高，他们所研制的水下机械手己应用于载人深潜器及深海作业型 水f 工作站上o ”。 上世纪6 0 年代，以美国“阿尔文”号为代表的第二代潜水器得到发展。 这类潜水器带有动力，还配置了水下机械手、水下摄影机等，下潜深度为3 6 5 8 米，是目前世界上潜水次数最多的潜水器，如图11 所示。安装在美国“阿 尔文”号载人潜水器上的液压机械手有7 个自由度，采用高强度防腐钛合金 材料，其主要技术指标为：最大举力为1 0 0 0 牛，最大作业半径为17 5 米， 最大夹紧力矩为4 0 牛米，质量约1 6 0 千克。机械手臂上还装有一台摄像机 和化学传感器f i 。“阿尔文”号载人潜水器是美国海洋科学界最重要的科学考 察装备之一，为人类探索深海未知世界，立下了不可磨灭的功勋，它所配置 的两只机械手，在无数次的科考活动中发挥了重要作用。 图1 1 “阿尔文”号水下机器人 典型的r o v 水下机械手均具有6 自由度加手爪的结构，自由度配置方 式和顺序大多比较类似。所不同的主要在于各关节运动角度的范围大小”l 。 表11 给出了目前世界上主要海洋调查机构拥有的r o v 及其基本配置情况， 从中可看出深海作业系统的主要构成方式和要素均比较接近，但具体性能和 工具则各有不同r “”。 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 表1 1 世界主要海洋调查机构拥有的r o v 及其基本配置情况 机构名称r o v 名称最大下潜 机械手主要作业工具 ( 生产商) 及型号 深度( m ) 日本 2 个七功能机械手，均 5 个摄像机，1 个照相 j a m s t e c k a i k o1 1 0 0 0 为主从式 机，海水温度、盐分测 ( e m s ) 定器等 1 个主从式七功能机 3 个摄像机，5 个照相 法国v i c t o r械手m a e s t r o ， 机，可移动采样篮，全 l f r e m e r 6 0 0 0 6 0 0 0 钛取样管，岩心钻取 1 个开关式五功能机 器，海水取样器，动物 械手s h e r p 群体采样器等 j a s o n 2 个七功能机械手：9 个摄像机，3 个照相 美国w h o i 6 0 0 0 s c h i l l i n go r i o n ， 机，可选配多种作业工 2 m e d e k r a f tp r e d a t o rl 具包，升降式取样器等 加拿人海洋 3 个摄像机，可分隔旋 1 个七功能机械手， 转采样盘，b i o b o x 生 科学 r o p o s5 0 0 0 k o d i a k ( m a g n u m ) ， 物容器，可变速抽取式 研究所 1 个五功能机械手 ( i s e ) 液体采样器等 1 个摄像机，1 个照相 机，深海沉淀物去芯取 美国w h o i a l v i n4 5 0 0 2 个七功能机械手 样器，深海海水取样器 等 2 个力反馈型七功能 2 个摄像机，可根据任 美国 t i b u r o n4 0 0 0 机械手s c h i l l i n g 务搭载多种作业工具 m b a r 包，如锯钻工具及采样 c o n a n ，k r a f tr a p t o r 工具等 日本 1 个主从式七功能机 3 个摄像机，1 个照相 j a m s t e c d o l p h i n 3 3 0 0 械手，1 个开关式五 3 k 机，海底地面温度计等 ( e m s ) 功能机械手 日本 2 个七功能机械手，3 个摄像机，采样工具 j a m s t e c h y p e r - 3 0 0 0 d o l p h i n均为主从式 篮 ( e m s ) 美国2 个七功能机械手 3 个摄像机，8 个照相 m b a r iv e n t a n a1 8 5 0 s c h i l l i n gt i t a n 3 ， 机，锯钻上具等 ( i s e ) i s e m a g n u m 3 哈尔滨：程人学硕士学位论文 商用r o v 机械手产品中较为常见的有美国s c h i l l i n g 公司的o r i o n 、 c o n a n 、t i t a n 3 以及r i g m a s t e r 水下机械手；加拿大i s e 公司的m a g n u m3 - 7 f 水f 机械手：美国w s & m 公司的t h e a r m6 6 及m k 3 7 a r m 水r 机械手；英 国h y d r o l e k 公司的h l k m a 4 、m b 4 、e h 4 、e h 5 、h d 5 、h d 6 6 b 6 r 、c r a 6 水下机械手等；美田k r a i ：【公司的g r i p s 、p r e d a t o r i i 和r a p l o r 水f 机械手等。 表12 给出了4 个典型型号的特征参数比较。 ( 1 ) o r i o n7 p ：是一种紧凑而灵巧的七功能位控型机械手，由于重量轻， 非常适合在对运载体积有要求的水下机器人上使用：功能丰富，宜用作r o v 右手以完成绝大部分海底作业；操作简单，性能可靠，零部件通用性强，维 护方便，如图12 所示【1 6 1 o ( 2 ) m a g n u m7 f ：控制力式可以是主从式也可以是开关式，还可加上力反 馈控制方法，这就使得用户能根据不同的应用要求来进行选择。该机械手可 以完成的功能非常丰富，接捅件设计使其能抵抗非常强的冲击力，整个手臂 的装载空刨也很小，如图1 3 所示j 。 图12 0 r i o n 型水下机械手图13 m a g n u m 型水下机械手 f 3 ) t h e a r m6 6 ：采用了力反馈方法，能提供非常良好的灵巧性、速度及 负载能力。全面的压力补偿方案使其轻松适应1 8 0 0 米的深海作业，更大的深 度也可通过对一些特殊环节进行除气及预负载补偿来实现，如图1 4 所示m i 。 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 表1 2 四款典型商用r o v 机械手特征参数比较 s c h i l l i n g i n t e m a t i o n a l w e s t e r n s p a c e h y d r o l e k , 公司名称 r o b o t i c ss u b m a r i n ea n dm a r i n e ， l t d s y s t e m s ，l n ee n g r i n c 产品型号 o r i o n7 p m a g n u m7 f t h e a l t n6 6h l k h d 6 设计水深 3 0 0 0 m 1 2 5 0 m1 8 0 0 m2 1 0 0 m 工作范围 1 8 m1 5 m1 7 m1 0 m 空气中重晕 5 4 瞻6 3 k g1 4 5 k g2 7 k g 水中重量3 8 k9 7 k 2 0 k g 最大负载能力 6 8 k g2 9 5 k g4 5 5 k g3 0 k g 腕部最大力矩 1 7 0 n m1 0 8 n m1 6 3 n m3 8 n m 手爪张开距离 1 5 2 m m7 5 m m1 2 7 m m1 5 4 m m 最大抓力 4 5 3 n2 0 5 n1 5 0 n1 4 0 n 绕基座摆动 1 2 0 05 0 01 8 0 01 2 0 0 肩部俯仰 1 2 0 09 0 01 2 0 01 1 0 0 肘部俯仰 1 2 0 0 1 3 0 01 8 0 0l1 0 0 腕部俯仰 1 2 0 。1 1 5 01 0 0 09 0 。 腕部摆动 1 2 0 01 2 0 。1 1 5 09 0 0 腕部旋转 3 6 0 。3 6 0 02 0 0 03 6 0 。 3 0 0 0 p s i ， 12 5 0 p s i ， 3 0 0 0 p s i ， 液压源要求 1 5 5 g p m 1 0 l p m ，2 g p m ，5 - 2 52 1 0 b a r , 1 8 l p m 10 2 0 0 c s t2 5m i c r o na b sm i c r o na b s 5 0 6 0 h z ， 5 0 6 0 h z 电源要求2 4 v d c ，2 5 a 2 2 0 2 4 0 415 v a 9 0 2 6 0 v a c c ( 4 ) h l k h d 6 - 是六功能水下机械手，可以承受较重的工作负荷，适用 于新兴的小型及中型工作级r o v 。该机械手支持两种不同的装载方式，可用 堕玺玺；! ；垒垒兰望圭兰堡篓圣 用作r o v 右手或左手。目前在m a x r o v e r 和p a n t h e r 等r o v 上均有应用， 如图15 所示。 图14l h e a r m6 6 型水下机械手图15 h l k h d 6 型水下机械手 此外值得关注的还有美国n a f 【t e l e r o b o t i c s 公司的两款r o v 机械手： p r e d a t o r1 1 和r a p t o r 。前者最大作业半径可达2 米，最大夹持负载为9 0 千克， 是要求宽作业范围和大负载能力时的首选；其灵活性也非常高，腕部俯仰和 摆动角度可达2 0 0 度，驱动力矩为i 3 6 牛米。而r a p t o r 结构更为紧凑，灵活 性高，功能也很强，还可承受较重负载，是作业级r o v 机械手的理想选择。 两款机械手均专为深潜器设计，内置了控制阀，无需另外配备，有效减小了 对装载容积的要求，如图16 和i7 所示口i 。 图1 6p r e d a t o ri i 型水下机械手圈17r a p t o r 型水下机械手 哈尔滨一l ：稃人学硕十学位论文 1 2 2 国内水下机械手研究现状 我国在水下作业系统的研制开发方面起步较晚。中国科学院沈阳自动化 研究所、华中科技大学和哈尔滨工程大学等单位在水下作业系统方面进行了 比较全面和深入的研究工作。 1 9 9 4 年，华中科技大学向忠祥、茅及愚教授就已经研制了缆控水下机器 人两型机械手。两型水下机械手是根据我国海洋油气开发和深海救捞事业的 发展和需要而研制出的，是水深6 0 0 米重型作业型缆控水下机器人的水下作 业系统的主要设备，它包括作业型机械手和锚泊定位型机械手。作业水下机 械手主要执行复杂的水下作业任务，如水下开盖、拆卸管接头、采样和借助 专用动力工具旋拧阀门、冲洗等；定位机械手主要执行机器人水下作业时， 对潜水器本体的定位功能并兼顾一些简单的作业任务，如借助专用动力工具 实施水下电缆的切割、结构物表面的打磨和洗刷等。两型机械手的主要性能 参数如表1 3 所示l 引j 。 表1 3 两型机械手主要性能指标 自由度 举力质量( 空气中) 类型控制方式 ( 含手爪开闭)( n )( k 曲 作业机械手 63 5 0 主从式 3 6 定位机械手 51 0 4 0 开关式 4 3 两型机械手置于机器人首部，作业机械手置于右舷，定位机械手置于左 舷。其控制设备即主操作手和定位手的控制盒均置于水面主控室内，操作人 员根据主控室内监控设备显示的水下目标，通过主操作手和定位手控制盒对 两型机械手实施控制。 2 0 0 0 年茅及愚、徐国华教授等研制了五自由度自主式水下机械手，为了 适应a u v 多种作业任务的需要，水下机械手设计成多种形式的手爪，并具 有一个公共的接口，可根据不同的作业任务更换使用。另外，水下机械手的 安装采用吊挂方式，安装于平台正前下方，a u v 航行时水下机械手处于收藏 姿态。其主要性能指标如表1 4 所示i z 2 。 7 哈尔滨 ：程人学硕士学位论文 表1 4 五自由度水下机械手主要性能指标 肩同转大臂俯仰小臂起落腕起落手爪同转手爪伸缩 ( o )( o )( o )( 。)( o )( m m ) 1 3 59 0 1 00 1 4 71 0 5 1 2 0 3 6 0 连续2 5 工作水深 作业精度 驱动 电源 质量( 空气中) ( m ) ( m m ) ( k g ) 1 0 0 2力矩电机 d c 4 8 v2 5 哈尔滨工程大学孟庆鑫、张铭钧教授等研制的s i w r i i 水下机器人作 业系统采用主从方式，其水下作业机械手有五个自由度，并采用电液位置伺 服系统，机械手末端为液压对接腕，它可以与多种作业工具相联接，因此机 械手可以利用不同的工具来完成多种作业任务。操作主手为同构型机械手， 其自由度配置及结构尺寸与从手完全相似，只是按比例缩小。 另外还配有回转型作业工具库及作业工具：该回转型工具库可以携带4 件工具，根据指令工具库可以将所需要的工具转动到对接位置，为水下机械 手换接工具。作业工具可以根据需要进行研制，如夹持器、钢缆切割器、打 磨器、冲击扳手、冲击钻、清刷器等【2 3 1 。 中国科学院沈阳自动化研究所于2 0 0 5 年研制了自治水下机器人搭载的 三功能水下电动机械手。整个机械手由两个摆动关节和一个抓取手爪组成。 手爪驱动为简单的连杆机构，由内置的直线步进电机驱动；为了便于机械手 的功能扩展，其肩关节、肘关节的摆动采用同样的驱动模块，均有一定的力 矩余量，通过更换机械臂的安装位置，可实现机械臂的摆动和回转。驱动机 构元器件为力矩电机、谐波减速器、制动器和编码器。为使结构紧凑，减小 机械手尺寸和重量，力矩电机和谐波减速器均采用分装组件【2 4 1 。 目前国内已有很多单位加入了水下机械手研究的行列，并且向作业深度 大、精度高、适用范围广等方面发展。 1 3 水下机械手控制方式概述 水下机械手控制方式大致可分为开关控制、速度控制、位置反馈控制以 8 堕签鎏：! ：堡奎堂堡堂笪丝塞 及位置和力反馈控制等u j 。 1 开关控制方式 水下机器人中有人潜水器比无人潜水器率先实用化，因此水下机械手技 术最初是作为有人潜水器上使用而研究开发的。有人潜水器上为了将操纵、 控制装置安装在狭小的耐压壳体内，小型化是最优先需要解决的课题。操纵 装置采用的是按钮开关和拨动开关之类的简单操纵盒。用这种开关操纵盒直 接控制液压驱动装置的电磁换向阀以及使驱动电机工作，依靠开关控制从手。 这种方式如果不是很熟练的话，难以同时操纵几个关节，操作者必须对每一 个关节进行控制。因此，操纵手部做直线运动需要同时控制几个关节并保持 适当的速度平稳地作业是很困难的。 2 速度控制方式 开关控制方式的缺点是速度需固定，所以调整从手手部的最后微小位置 有困难。对此，采用电液伺服阀驱动液压装置，使速度与操纵杆的操纵量和 操纵力成一定的比例关系进行控制，这样就能够确定手爪的精确位置。可是， 即使由操作操纵杆进行速度控制，同时控制多个关节且保持适当的速度仍是 很难的。另外，对于操纵的方向感而言，虽然肘部的运动方向和操纵杆的操 纵方向相同，但当肩上下动作改变从手的姿态时，上下运动的手部要变成操 纵杆的左右方向的运动。因此，当操作者要改变手臂的姿态和手部的动作时， 操作者必须考虑清楚操纵杆动作与各关节的动作关系后，才能进行操纵，这 使操作者的工作强度增大难以长时间作业。 因此“深海6 5 0 0 ”上操纵杆的操纵采用了以潜器的艇体为基线的坐标， 增加了能够使从手的手部前后、左右和上下三个方向的直线移动的控制方式。 这种控制方式把操纵杆的速度指令值用控制装置进行计算，变换成能够使手 部做直线运动的各关节动作速度指令进行控制，称之为速度控制方式。 3 位置反馈控制方式 有缆无人水下机器人所用的机械手的操纵与控制装置安装在支持母船 上，所以空间限制减少。因此，把操纵杆作为最优先考虑，引入了以从手缩 小模型作为主手来进行位置反馈控制的单向控制方式。操作者能够以手臂的 姿态或手的移动来感觉位置和方向，从而同时控制主手的所有关节。为了在 无人水下机器人中具有和操作者手臂成一体的感觉，主手的长度大多取为手 9 哈尔滨j f ：程大学硕十学位论文 臂相等的长度。但有人水下机器人的主手由于受安装空i 日j 的限制，则采用更 小的小型主手，“阿尔文和“深海6 5 0 0 ”上装备的机械手就是其中两例。 位置反馈控制的另一效果是可以监测从手的姿态进行控制。因此，可以 实现从手收藏、伸展操作的自动化，以及防止从手和机器人本体碰撞的连锁 控制。这样，即使由操作操纵杆发出速度指令，也可以将速度指令值用控制 装置经积分变换为位置信息，进行位置反馈控制。 4 位置和力反馈控制方式 为了用水下机械手进行作业任务，采用的策略是从手上的力通过主手传 递到操作者的双向控制方式。最初，有缆无人水下机器人上机械手的双向型 控制的研究，是在陆上机械手采用的力直接反馈型和力偏差反馈型双向控制 方式的基础上进行的。 这种双向控制的力检测方式有采用直接检测腕部力的方式，以及各关节 上的力采用检测轴向力矩的方式。但在水下能够用于检测腕部力的传感器还 很少，所以采用检测轴向力矩的方式。这种力检测方式检测出的力，由于受 驱动装置的摩擦和从手自重的影响，需要通过控制给与摩擦补偿和自重补偿。 可是，由于摩擦受关节部位密封材料的摩擦特性影响很大，因为动作速度、 深度压力是不断变化的，很难给出准确的摩擦补偿。因此，作为力直接反馈 型、力偏差反馈型控制自身的准确的力反馈性能的优点不能充分得以发挥。 所以，水下机器人的双向型控制只采用与位置反馈控制相同的位置传感 器就可以。研究开发的不需要特殊力传感器的最简单的对称型双向控制方式， 已经在“海豚k 3 ”和“深海6 5 0 0 ”上实际应用。 5 自动控制方式 水下机器人作为石油钻井平台和海底电缆的维护检修作业的专用机器人 使用时，机械手的作业变成了能够对已知作业对象按规定的作业策略进行的 定形作业。这些定形作业多是单调的重复性工作，人们希望对其采用有效的 自动化控制。 日本通产省的大型项目“极限作业机器人的机械手研究中，对这种水 下机器人机械手的自动控制进行研究。这个研究以去除石油钻井平台的附着 物和水下结构物的非破坏性检查等作业效率的提高为目标，开发了如下所述 的控制系统，以利于减轻操作者的负担。 1 0 堕垄! 鎏工矍厶堂塑堂笪迨塞 手部的钢丝刷和超卢波探伤仪，能够以一定的压力接触任意曲面且又能 够移动的“位置和力反馈控制”；水下机器人在未锚定状态下，虽然机器人本 体是摇动的，但从手的手部应稳定。可实现机械手摇动补偿的“干扰补偿控 制”；为了进行上述作业，不仅要开发研制控制软件，还要开发出能够在大深 度下使用的跟踪焊缝检测传感器和精确检测手部力的高性能力传感器。 6 自律控制方式 自律控制方式进行作业的策略是机械手自身即便对初次遇到的作业环 境、作业对象，也能够根据储存的知识数据库实现下述程序： 当使用自律型水下机械手时，水下机器人的作业策略是： 操作者向水下机器人发出“采集水下生物”的笼统指令； 水下机器人在海底发现异物，由视觉根据图形识别与知识库对照，判 断生物还是岩石； 如果判定它是一种海胆，首先推测出大小、重量和硬度，确定不破碎 且能够采集的夹持力； 如果判断途中岩石等障碍物的话，确定避开障碍的接近路线和机械手 的姿态，规划作业策略； 为了抓取，在手部接近海胆的同时，一边确定海胆和手部的相对位置， 一边修正接近的路线，到达正确的目标位置后将其抓起； 如果判断它是小虾而不能抓取时，作业策略变为用网捕获，然后进行 捕捞作业； 在作业过程中，当发生机械手自身不能判断的状况时，向水上操作者 发出求助指令。 1 4 课题来源与本文主要研究工作 本课题来源于某基金项目，其研究内容和目的为研制a u v 用水下机械 手实验原理样机，并研究海洋环境下水下作业机械手控制相关技术。 哈尔滨：i ：程大学硕十学位论文 根据课题要求，本文主要研究工作如下： 1 为了研制应用于水下作业环境的水下机械手实验原理样机，首先分析 了三自由度水下机械手总体结构方案，然后进行了水下机械手驱动系统的分 析与设计，从而完成水下机械手的体系结构研制； 2 为了使水下机械手能够顺利地完成水下作业任务，开发一套适用于海 洋( 水中) 环境的水下机械手位置伺服控制系统。所开发的水下机械手位置 伺服控制系统应该满足能够抑制振荡，减小超调，提高系统的动态性能并有 助于保证系统静态精度和动态跟踪的性能等要求。最后在对水下机械手位置 伺服系统的误差进行有效分析； 3 为了完成水下机械手控制系统研究，首先选用适用于水下机械手控制 系统的单片机，分析并设计水下机械手的核心系统，同时为了实现上下位机 之间的数据传输，需要制定相关的双向通信协议，为研究水下机械手海洋环 境下相关控制技术奠定实验基础； 4 为了验证本文所开发的水下机械手位置伺服控制系统在复杂的海洋 ( 水中) 环境里的控制性能，以及水下机械手体系结构的密封性、耐压性等 要求，进行一系列位置伺服控制实验研究。并在位置伺服控制实验的基础上， 进行关节耦合实验和抗干扰实验。最后通过实验结果来验证所开发的位置伺 服控制系统，是否满足水下复杂作业任务的要求，是否具有强的抗干扰能力 等： 5 a u v 用水下机械手进行深海作业时，其通信方式主要是声波通信。 当水下机械手的作业深度很大时，就存在大时间延迟。水下机械手控制系统 内发生的大时延会影响整个控制系统的稳定性，降低系统的控制品质，为了 使水下机械手在深海能够顺利地完成作业任务，针对系统内的大时延问题进 行研究。首先分析深海作业水下机械手时延产生的根源及时延特性，提出一 种行之有效的解决方法，以减小时延对系统的不利影响，最后通过对实验结 果的分析，来验证本文所提方法的有效性和可行性。 1 2 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 第2 章水下机械手位置伺服系统研究 2 1 引言 水下机械手位置伺服控制系统是水下机械手完成水下作业任务的基础， 水下机械手的作业范围和作业能力，取决于位置伺服控制系统的品质。开发 一套适用于水下作业任务的水下机械手位置伺服控制系统，是研究a u v 用 水下作业机械手控制相关技术的关键。文献 2 5 】设计了电流环、速度环和位 置环的三闭环控制系统，实现了仿生机器蟹的位置伺服控制，虽然电流环可 以用来改善电源和电动机的动态特性，但当控制环数增加时，系统对参考输 入信号的响应也就逐渐变慢，考虑到以上因素，本文在分析和研究水下机械 手总体结构、运动分析及控制系统等基础上，开发一套适用于海洋( 水中) 作业环境的水下机械手位置伺服控制系统是非常必要的。 2 2 水下机械手总体结构分析 2 2 1 工作环境与要求分析 根据水下机械手工作环境和作业任务，水下机械手须满足以下要求【2 6 】： ( 1 ) 能经受住高压环境； ( 2 ) 耐腐蚀； ( 3 ) 重量轻、体积小； ( 4 ) 消耗能量少； ( 5 ) 在恶劣环境下能安全作业； ( 6 ) 易于操作。 2 2 2 水下机械手结构分析 考虑到水下机械手的作业功能和范围，本文采用转动关节式结构1 2 7 - 2 8 】， 设定三个自由度，分别是大臂转动关节( 肩关节) 、小臂转动关节( 肘关节) 1 3 哈尔滨i 程大学硕仁学位论文 和手爪转动关节( 腕关节) 。另外，还有一个手爪的丌闭。其结构如圈21 所 示。各关节都采用电机内置式结构，直流伺服电机作为驱动元件，光电编码 器作为速度和位置反馈的检测元件，采用一剥伞齿轮来进步减速，同时改 变输出方向，使输入输出轴线成9 0 度角。 图2 1 水下机械手结构 由于水下载体结构空间的严格要求，为避免水下环境中各种电缆、信号 缆缠绕，避免水草及其他海中生物的缠绕问题，为此，本文将动力缆和信号 缆全部配置在机械手内部，采用关节内部走线。由于受到水下机械手结构空 削的限制，本文研究了各种材料的密度、抗压特性、经济实用性等性能，结 合水下机械手的结构特点，采用了硬铝作为本体材料。考虑到外部屯缆与水 下机械手关节的连接情况，分析了各种电缆密封件的特性，并考唐了水下载 体的结构空间要求，最后选用电缆螺旋接头作为连接元器件。水下机械手主 要性能参数如表21 所示。 表21 水下机械手主要性能参数 总睦 最人外径肩关节旋转肘关竹起薄腕芙h 旋转 ( m m ) n n m l ( 。)( 。)( 。) 6 8 4- + 9 09 02 4 1 1 5 6 22 3 关节驱动方式分析与设计 考虑到水f 机械手实验原理样机的研制需要满足结构紧凑、成本低廉 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 操作方便等特点，同时在驱动功率和驱动力矩满足研制条件韵自仃提下，本文 采用直流伺服电机作为水下机械手关节的动力源。为了使直流电机的最后输 出力矩具有充足的力矩余量，直流电机的输出线经过电机本身配置的减速器 减速，然后本文又采用一对直齿圆锥齿轮对其进一步减速，同时改变输出方 向，使输入输出轴线成9 0 度角。考虑到直流电机经过本身配置的减速器减速 后偏心输出，导致其安装不方便，本文设计了一个输出中心线和关节后壳中 心线重合套筒，同时采用紧定螺钉把套筒和关节后壳固定。由于短轴除了承 受径向力，还受到很大的轴向力作用，在研究了角接触球轴承的受力和使用 情况后，本文选用一对角接触球轴承来固定短轴。而长轴主要承受径向力的 作用，所以采用深沟球轴承来固定。另外，大小两个直齿圆锥齿轮都用键和 轴连接，关节各密封处均采用o 型密封圈进行密封。水下机械手关节驱动原 理如图2 2 所示，其部件如图2 3 所示。 1 、套筒 5 、螺钉 9 、角接触轴承 1 3 长轴 2 、紧定螺钉 6 、挡圈 1 0 、小伞齿轮 1 4 、深沟球轴承 3 、关节后壳 7 、o 型圈 1 l 、大伞齿轮 1 5 、端盖 图2 2 水下机械手关节驱动原理 1 5 4 、短轴 8 、关节前壳 1 2 、键 坚垒垄：；垒奎耋堡圭兰堡丝圣 图2 3 水下机械手部件图 23 位置伺服模型的建立 为了研究水下机械手位置伺服控制系统，必须首先建立水下机械手位置 伺服模型。水下机械手位置伺服模型的建立包括直流电机数学模型的建立和 直流电机p w m 调速。 231 直流伺服电机建模 电动机在过渡过程中，电枢电流在变化 降，因此动态电压平衡方程为： l ，等“，u o 屯 在电枢回路中将会产生电抗压 ( 2 1 ) 在过渡过程中，电动机的电磁转矩除了要克服电机轴上的摩擦转矩外， 还要克服电机轴上的惯性转矩，因此，转矩平衡方程为： 卜t + j 鲁( 2 - 2 )d f 式中：r