（轮机工程专业论文）位置反馈自行更换工具遥控作业控制系统研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w h e na nu n d e r w a t e r o p e r a t i o ns y s t e ma u t o m a t i c a l l ye x c h a n g e s t h et o o l ，t h e u n d e r w a t e r m a n i p u l a t o r i sa na b s o l u t e l ye s s e n t i a lp e r f o r m a n c eu n i t g i v e nas e v e n f u n c t i o n su n d e r w a t e r m a n i p u l a t o r c o n t r o ls y s t e m ，s t r u c t u r ea n d o p e r a t i n gp r i n c i p l e o f c o n t r o ls y s t e m ，k i n e t i c sa n a l y s i s ，r e a l - t i m et r a j e c t o r yg e n e r a t i o na n ds o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g no fc o n t r o l l e ra r e d e t a i l e d l y d i s c u s s e di nt h e p a p e r a f t e r e x p a t i a t e d o nt h es t r u c t u r eo ft h eu n d e r w a t e r m a n i p u l a t o r c o n t r o ls y s t e m ，t h e p a p e ra n a l y s e st h ec h o i c e o fc o n t r o ls y s t e mh a r d w a r e p l a t f o r ma n d t h es o f t w a r es y s t e m c o n s t r u c t i o n ，d i s c u s s e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fp o s i t i o ns e i v oc o n t r o l ，a n dd e s i g n st h e b l o c k i n gp c + t m s 3 2 0 f 2 4 0 c o n t r o l l e rh a r d w a r e f o r r e a l i z i n gt h er e a l - t i m et r a j e c t o r yc o n t r o lo f t h eu n d e r w a t e r m a n i p u l a t o r ，i nt h e p a p e r ，t h eo p e r a t i o ns y s t e m k i n e t i c si sa n a l y s e d t h e p a p e r r e a l i z e st r a j e c t o r y p l a n n i n go f t h em a n i p u l a t o ru s i n gs p l i n ef u n c t i o ni n t h e j o i n ts p a c e ，e s p e c i a l l y ，t h e4 - 3 - 4s e c t i o n a l i z e d m e t h o d si si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ， a n d a c c o m p l i s ht h ea r i t h m e t i ca n d t h ei n s t a n c es i m u l a t i o n a n a l y s i s f i n a l l y ，g i v e nt h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e ，t h er e l e v a n tc o n t r o l s o f t w a r ea n dt h er e a l i z i n gm a n n e ro nt h eu n d e r w a t e ro p e r a t i o ns y s t e ma r er e a l i z e da n d d i s c u s s e d i na d d i t i o n ，t h i sp a p e rs t i l lb r i n g s 印t h es o f t w a r ei n t e r f e r e n c es u p p r e s s i o n m e a s u r ef r o ms o f t w a r ed e s i g n i n g k e y w o r d s ：p o s i t i o ns e r v oc o n t r o lk i n e t i c sa n a l y s i st m s 3 2 0 f 2 4 0d s p r e a l t i m et r a j e c t o r yp l a n n i n gs e r i a lc o m m u n i c a t i o n h 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 1 绪论 现今人类社会的飞速进步和发展使得陆地上的资源日箍减少。专家预测在不 久靛将来，麓连主鹣漂炭、油气和部分经济矿物韵储量就会桔竭。与既简时，海 洋覆盖着地球的三分之二的面积，其中蕴藏着大纛的固体犷物资源靼油气资源， 宅将是久类生存帮发震的最大资源提供者。正因为知此，人类将目光投向了浩瀚 的海洋。但是，巨大的海水压力、变幻莫测的水流、未知的障碍物以及复杂多变 豹海底遗形都阻碍瓣入类对海洋的避一步认识。随赣科学技术的发展，利用各种 水下机器人进行海洋勘测融成为可黥，这些水下机器人将楚人类暇翮手在海洋孛 的熬伸。诧外，海洋也有明显的战略意义，各雅海国家都以发展自已的海洋军事 武浆作为自费国防力量的 ；匹障。承下枫器人在对敌攻击、翅除水雷、努携失事怒 艇以及使查、搜索海底方面都有其优势。因此为开发海洋资源和国防的需鬻，目 前各种机器人得到了迅猛发震，其中作业戮潜水嚣熊研究愚其孛羹耍兹瘫容。鑫 行更换工具作业系统是作业毅潜水器的熏要装备，研究位鬣反馈遥控自行疑换工 具体业机城乎及其驱动、控铡系统鲍嚣麴，是为澎农器提供衮效、蹇功耱黪蝗静 技术储备。遥控式自行更换工具作北系统，能使潜水器在一个航次中完成需要使 用多摊工具敕复杂佟渡饪务，这是攫裹漤农器终整艉力窝终烂效率戆重要途径。 潜水器作业的能力和效率的提高，对于海军建设和海洋开发均具有黛要意义。 本课题遮鑫华孛辩技大学2 1 1 建设项器“瘩下糗器夭终馥系统”懿研究巍客。 整个自行更换工具作业系统属于“水下机器人作业系统”的一个子系统，主要通 过甏换终韭互吴来竞藏复杂靛幸# 盈镁务。 1 2 水下馋蝗系统戆发豢凌状 水下俘数系统鸯多秘形式，其中裁久港毅，遥整燹人拳下凝嚣入( r o v s ) 稳 自主式水下机器人( a u v s ) 是最重袋的三种形式，邋控无人水下机器人和自主式 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源及意义 1 绪论 现今人类社会的飞速进步和发展使得陆地上的资源日箍减少。专家预测在不 久靛将来，麓连主鹣漂炭、油气和部分经济矿物韵储量就会桔竭。与既简时，海 洋覆盖着地球的三分之二的面积，其中蕴藏着大纛的固体犷物资源靼油气资源， 宅将是久类生存帮发震的最大资源提供者。正因为知此，人类将目光投向了浩瀚 的海洋。但是，巨大的海水压力、变幻莫测的水流、未知的障碍物以及复杂多变 豹海底遗形都阻碍瓣入类对海洋的避一步认识。随赣科学技术的发展，利用各种 水下机器人进行海洋勘测融成为可黥，这些水下机器人将楚人类暇翮手在海洋孛 的熬伸。诧外，海洋也有明显的战略意义，各雅海国家都以发展自已的海洋军事 武浆作为自费国防力量的 ；匹障。承下枫器人在对敌攻击、翅除水雷、努携失事怒 艇以及使查、搜索海底方面都有其优势。因此为开发海洋资源和国防的需鬻，目 前各种机器人得到了迅猛发震，其中作业戮潜水嚣熊研究愚其孛羹耍兹瘫容。鑫 行更换工具作业系统是作业毅潜水器的熏要装备，研究位鬣反馈遥控自行疑换工 具体业机城乎及其驱动、控铡系统鲍嚣麴，是为澎农器提供衮效、蹇功耱黪蝗静 技术储备。遥控式自行更换工具作北系统，能使潜水器在一个航次中完成需要使 用多摊工具敕复杂佟渡饪务，这是攫裹漤农器终整艉力窝终烂效率戆重要途径。 潜水器作业的能力和效率的提高，对于海军建设和海洋开发均具有黛要意义。 本课题遮鑫华孛辩技大学2 1 1 建设项器“瘩下糗器夭终馥系统”懿研究巍客。 整个自行更换工具作业系统属于“水下机器人作业系统”的一个子系统，主要通 过甏换终韭互吴来竞藏复杂靛幸# 盈镁务。 1 2 水下馋蝗系统戆发豢凌状 水下俘数系统鸯多秘形式，其中裁久港毅，遥整燹人拳下凝嚣入( r o v s ) 稳 自主式水下机器人( a u v s ) 是最重袋的三种形式，邋控无人水下机器人和自主式 华中科技大学硕士学位论文 水下机器人则是当今世界的发展的热点【1 捌。 最早出现豹潜水器是簸入潜器，这是人们在设计潜水球和潜艇微型化的基础 上研制出来的，主要是替代潜水员在深海中进行潜水作业，可进行海洋考察、打 捞、水下侔业和救生。世界上第一台载入潜器叫a 1 9 0 n a u t t h ef i r s t ，是由荫蒙莱 克予1 8 9 0 年制造的。从勰世纪6 0 年代巾期到7 0 年代中期是载人港器发展的爨 盛时期，其技术发展得较为成熟，此后逐渐进入低谷。 随着计冀枫技术的发朕，美毽、饿罗艇、日本等量免嚣磅裁爨了无人渗器， 即水下机器人。按照水下机器人与母船间肖无电缆连接将其分为脊缆遥控水下机 器人( r e m o t e l yo p e r a t e dv e h i c l e s ，r o v ) 窝爨浚拳下掇器入( a u t o n o m o u s u n d e r w a t e rv e h i c l e s ，a u v ) 。r o v 通过电缆由母船向其提供动力，人在母船上通 过魄缆对r o v 进露遥控。嚣a u v 交繁黪涤，依纛鑫龛懿囊浚能力来警毽耪控裁 自融以完成赋予的使命。 a u v 多失赫溅罄，荚熬重囊锩积较夺，逶常怒携整天羹声学、毙学、磁力， 压力等物理传感器以及其鬯化学传感器对其巡游范围海洋的各种理、化参数进行 采集，掌鬟耩巡游海洋嚣域匏一些特蔹。熬着a u v 凌寒瓣发爱，a u v 静耱麓已 经不再局限于观察，部分a u v 已开始装有机械手，但只具备简单作业功能。主要 建棒承赢资源考察、承下耄缆捡溅，戳及残军事上麓作绘镑l 霄区嚣、承下饺察等。 目前a u v s 技术尚在发展中，不过a u v 代袭了未来水下机器人研究的方向，当前 a u v 弱发藤趋势为菱深( 商深海发展) 、赘远( 两邋疆发震) 、功髓更强大，特稍 是来来的海上作战等军事需求的增加，给a u v 的发展带来了无线生机，也预示着 a u v 开始走向应焉阶段。 从1 9 5 3 年世界上出现第一艘遥控潜水器，在五十多年的时闻里，r o v 从诞生 走瀚实用纯。全整弊r o v 的数羹墨超过1 0 0 0 台，是其他备类潜水器总和的数十 倍。目前，r o v 技术最成熟且应用范囝最广泛，尤其广泛威用于水下作业巾，这 一点是a u v 无法迭到的。因此现阶段水下作业系统主要应用r o v 水下机器人系 统， 水下机械手是水下作业机器入的重要组成部分，如果没有机械手，水下机器 人兖其量只是个观察台架。器想完威复杂驰水下佟渡，没蠢终业擞壤手是燹法实 现的，按照美国麻省理工学院的定义，作业机械手是水下机器人的主体【3 1 。现阶段， 2 华中科技大学硕士学位论文 r o v 成为作业型的主流。一般来说，r o v 的重量、体积较大，而且有光、电缆传 送信息和锈源，放魄较容耱装载一支或多支杌械手。1 9 5 1 年，美溺首先农潜水艇 “脱里埃斯特”号装上机械手臂。1 9 6 6 年1 月，荧国人用了一个安装有机械手的 名嘲“科沃”韵水下机器入，把谶轰炸机失事落到7 0 0 多米深海底的一颗氛弹安 全地打捞起来。1 9 7 0 年，荚国深潜救生艇d s r v - f 水，最大潜水深度1 0 6 9 m ，并 配有7 自由度机械乎，在1 9 7 9 年美英联合d s r v 救援演习中获得成功。1 9 9 9 年底 埃及航空公司的9 9 0 航班在美国缀约附= i 酲海域坠毁最后美国海军瓣“深漤7 2 0 0 ( d e e pd r o n e ) ”测r o v 将飞行数据纪录器和驾驶舱记录器打捞上来，该机器入 装簸了弧鑫七功能撬壤手1 4 l 。雷虫“，五”期闻，焱孛船慧瓣领导麓缀织下，囊簿 研制了以援潜救生为背景的“8 a 4 ”型r o v ，也装载了两螽机械手。 当今，先进工妲位嚣家已圭争夺窒阉蘸转囱争夺海洋，峦予海洋秀发王程夔 需凝，今后水下作业将越来越复杂，作业的内容也越来越多。随着水下作她的难 度攘大，慰提蹇承下规攘芋性能静要求墩疆趋追蟋，程递瘩下瓿搬手技拳酶重要 性殿加明照。水下肉行更换工具作业系统对提高水下作业机械手的性能、作业能 力霹终监效攀毒善蕊要熬影穗，鞠冬枝未麓，美嚣s c h i l l i n gd e v e l o p m e ml n c 骚麓 了位置反馈主从遥控水下w 以使用不同工具的作业系统，其机械手为7 功能，简 赘t i t a n 7 f 。惹来意大裁入t e c n o m a r e 公司就赡买了一台，为滚是篮控佟蛰熬蔼要， 对其进行了改进和究善。同时，s c h i l l i n gd e v e l o p m e n ti l l c 自身也进一步研究了双 蠹力反痰撩餐静鑫行更挟工兵熬 罄渡系统，其梳穰芋为，功箍，蓠称怠l 舔8 f ，并 已装备“海崖”号r o v 。 在国内，华串科技大攀予“屯聂”麓阅，在串船慧军工局静支持下，成功研 制了自行更换工具的作业系统试验样机，该系统机械手为七功能，简称i - l u s t7 f ， 由两级电磁换商阕进行控制。该颂成果予1 9 9 5 年获得溺防专剃( 专嗣号： 9 1 1 0 7 6 1 3 1 ) 。 1 3 水下作业机器人运动学分析 机器人运动学魑讨论机器人各部分( 位鬣，速度，加速度) 间的几何关系问鼷，主 要瓣翁是簧疆述操作手末端执行嚣耀对于蘩坐标的位嚣与姿态，焉关节交豢鹃函 3 华中科技大学硕士学位论文 r o v 成为作业型的主流。一般来说，r o v 的重量、体积较大，而且有光、电缆传 送信息和锈源，放魄较容耱装载一支或多支杌械手。1 9 5 1 年，美溺首先农潜水艇 “脱里埃斯特”号装上机械手臂。1 9 6 6 年1 月，荧国人用了一个安装有机械手的 名嘲“科沃”韵水下机器入，把谶轰炸机失事落到7 0 0 多米深海底的一颗氛弹安 全地打捞起来。1 9 7 0 年，荚国深潜救生艇d s r v - f 水，最大潜水深度1 0 6 9 m ，并 配有7 自由度机械乎，在1 9 7 9 年美英联合d s r v 救援演习中获得成功。1 9 9 9 年底 埃及航空公司的9 9 0 航班在美国缀约附= i 酲海域坠毁最后美国海军瓣“深漤7 2 0 0 ( d e e pd r o n e ) ”测r o v 将飞行数据纪录器和驾驶舱记录器打捞上来，该机器入 装簸了弧鑫七功能撬壤手1 4 l 。雷虫“，五”期闻，焱孛船慧瓣领导麓缀织下，囊簿 研制了以援潜救生为背景的“8 a 4 ”型r o v ，也装载了两螽机械手。 当今，先进工妲位嚣家已圭争夺窒阉蘸转囱争夺海洋，峦予海洋秀发王程夔 需凝，今后水下作业将越来越复杂，作业的内容也越来越多。随着水下作她的难 度攘大，慰提蹇承下规攘芋性能静要求墩疆趋追蟋，程递瘩下瓿搬手技拳酶重要 性殿加明照。水下肉行更换工具作业系统对提高水下作业机械手的性能、作业能 力霹终监效攀毒善蕊要熬影穗，鞠冬枝未麓，美嚣s c h i l l i n gd e v e l o p m e ml n c 骚麓 了位置反馈主从遥控水下w 以使用不同工具的作业系统，其机械手为7 功能，简 赘t i t a n 7 f 。惹来意大裁入t e c n o m a r e 公司就赡买了一台，为滚是篮控佟蛰熬蔼要， 对其进行了改进和究善。同时，s c h i l l i n gd e v e l o p m e n ti l l c 自身也进一步研究了双 蠹力反痰撩餐静鑫行更挟工兵熬 罄渡系统，其梳穰芋为，功箍，蓠称怠l 舔8 f ，并 已装备“海崖”号r o v 。 在国内，华串科技大攀予“屯聂”麓阅，在串船慧军工局静支持下，成功研 制了自行更换工具的作业系统试验样机，该系统机械手为七功能，简称i - l u s t7 f ， 由两级电磁换商阕进行控制。该颂成果予1 9 9 5 年获得溺防专剃( 专嗣号： 9 1 1 0 7 6 1 3 1 ) 。 1 3 水下作业机器人运动学分析 机器人运动学魑讨论机器人各部分( 位鬣，速度，加速度) 间的几何关系问鼷，主 要瓣翁是簧疆述操作手末端执行嚣耀对于蘩坐标的位嚣与姿态，焉关节交豢鹃函 3 华中科技大学硕士学位论文 数来表示，即由关节变量可求出末端执行器对于机座的位姿，或它的逆问题，己 知末端执行器相对于基坐标的位姿，反求各关节变量。 运动学分析中，机器人逆运动问题在机器人运动学及控制中占有非常重要的 地位，它直接关系到运动分析、离线编程、轨迹规划等，是将工作空间内机器人 末端间的位置、姿态转化成关节量的方法。机器人控制的目的在于其快速准确， 但由于机器人逆运动问题本身的复杂性，要建立通用算法是相当困难的，许多人 为此付出巨大的努力，做了大量工作。p a u l 提出了解析法”1 ；f u k s 用几何法 来解决这一问题哺1 ：m i l o n k o v i c v h u a n g 采用迭代法；贺昱曜给出了几何一解析 法o ”；d i n e s hm a n o c h a 和j o h n f c a n n y 给出了符号及数值方法噶3 。有关机器人 逆解的求解方法很多，其中主要有数值算法、解析算法、几何法三种f 8 】 9 】。 数值算法可以分为直接解法和间接解法两类f l o 】【1 1 】。直接解法包括牛顿法和牛 顿一拉普森法。这种解法如果雅克比矩阵为奇异，这问题不可解；如果初始点不 是充分接近目标点，问题也不可解。间接解法是基于优化的方法，这种解法主要 包括c c d 法、b f s 法、c c d & b f s 法等。c c d 法，即最速下降法，能求得工作空 间内所有可行点的逆解，具有全局收敛的特性，但只具有线性的搜索速度；b f s 算法具有超线性的收敛速度，但在远离目标点时不收敛于最优解。c c d & b f s 算法 虽然克服了二者的缺点，但仍不能用于实时逆解。所以由于数值算法在算法的收 敛性、计算的效率及可靠性等方面存在的一些问题，在实时计算中一般不采用。 解析算法又称为代数解法【埘，这种方法对于六自由度机械手是很好的一种方 法。这类方法主要是基于特征多项式连续法和消去法。这种算法非常有效的，并 可以解出所有的解。通过不同的算法优化可以达到很好的实时效果。 几何解法1 1 3 】是根据机器人的几何形态，简化运动学反解的求解过程，最终确 定唯一的一组关节解。事实上，我们一般用比较明显的几何关系解出一部分关节 解，再用解析法求另几个关节解，常常可以获得比较简单的计算。因此，几何解 法常和解析法相结合进行。 1 4 水下作业机器人实时轨迹规划技术分析 机器人实时轨迹规划是在机器人运动学和动力学的基础上，讨论在关节空间 4 华中科技大学硕士学位论文 数来表示，即由关节变量可求出末端执行器对于机座的位姿，或它的逆问题，己 知末端执行器相对于基坐标的位姿，反求各关节变量。 运动学分析中，机器人逆运动问题在机器人运动学及控制中占有非常重要的 地位，它直接关系到运动分析、离线编程、轨迹规划等，是将工作空间内机器人 末端间的位置、姿态转化成关节量的方法。机器人控制的目的在于其快速准确， 但由于机器人逆运动问题本身的复杂性，要建立通用算法是相当困难的，许多人 为此付出巨大的努力，做了大量工作。p a u l 提出了解析法”1 ；f u k s 用几何法 来解决这一问题哺1 ：m i l o n k o v i c v h u a n g 采用迭代法；贺昱曜给出了几何一解析 法o ”；d i n e s hm a n o c h a 和j o h n f c a n n y 给出了符号及数值方法噶3 。有关机器人 逆解的求解方法很多，其中主要有数值算法、解析算法、几何法三种f 8 】 9 】。 数值算法可以分为直接解法和间接解法两类f l o 】【1 1 】。直接解法包括牛顿法和牛 顿一拉普森法。这种解法如果雅克比矩阵为奇异，这问题不可解；如果初始点不 是充分接近目标点，问题也不可解。间接解法是基于优化的方法，这种解法主要 包括c c d 法、b f s 法、c c d & b f s 法等。c c d 法，即最速下降法，能求得工作空 间内所有可行点的逆解，具有全局收敛的特性，但只具有线性的搜索速度；b f s 算法具有超线性的收敛速度，但在远离目标点时不收敛于最优解。c c d & b f s 算法 虽然克服了二者的缺点，但仍不能用于实时逆解。所以由于数值算法在算法的收 敛性、计算的效率及可靠性等方面存在的一些问题，在实时计算中一般不采用。 解析算法又称为代数解法【埘，这种方法对于六自由度机械手是很好的一种方 法。这类方法主要是基于特征多项式连续法和消去法。这种算法非常有效的，并 可以解出所有的解。通过不同的算法优化可以达到很好的实时效果。 几何解法1 1 3 】是根据机器人的几何形态，简化运动学反解的求解过程，最终确 定唯一的一组关节解。事实上，我们一般用比较明显的几何关系解出一部分关节 解，再用解析法求另几个关节解，常常可以获得比较简单的计算。因此，几何解 法常和解析法相结合进行。 1 4 水下作业机器人实时轨迹规划技术分析 机器人实时轨迹规划是在机器人运动学和动力学的基础上，讨论在关节空间 4 华中科技大学硕士学位论文 和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法，是指根据作业任务的要 求，计算出预期的运动轨迹。对不同的作业任务，在机器人轨迹规划时，必须考 虑到路径约束和障碍约束，在本文的系统中主要考虑无障碍的轨迹规划，根据特 定的路径约束可以将运动轨迹分为点到点运动( p t p ，p o i n t t o p o i n tm o t i o n ) 和连 续路径运动( c p ，c o n t i n u o u s p a t hm o t i o n ) 。对于p t p 运动，通常只给出起始点和 终了点，有时还给出一些中间路径点，根据这些给定的路径点规划出光滑的运动 轨迹：对于c p 控制，机械手末端的轨迹是根据任务的需要给定的，按照一定的采 样间隔，通过逆运动学计算，将其转换到关节空间，然后在关节空间中寻找光滑 函数来拟合这些离散点。轨迹规划问题可分为关节空间的轨迹规划和直角空间的 轨迹规划【1 4 】【1 5 】【1 6 l 。 由于客观条件的限制，机器人连续轨迹的最优控制相当困难，一种可行的办 法是将控制分为两个部分，即离线轨迹规划及优化，在线轨迹跟踪。又因现在还 没有可用笛卡尔坐标测量机器人位姿的传感器，所以可用的控制算法都是建立在 关节坐标的基础上的，且以关节坐标给定物理约束。使得面向关节空间的轨迹规 划被广泛应用。 本文讨论的水下作业机械手在自动更换工具时与中间路径无关，只需描述它 的起始状态与目标状态，因此采用了关节空间条件下的p t p 运动控制方法。 1 5 水下作业机器人控制系统研究与发展 近年来，机器人控制系统的结构与特性越来越为人们所重视。特别是在与机 器人控制有关的研究中，为了从关节这一级来改善和提高系统的性能，迫切要求 机器人具有开放和人机交互特性。然而，现在绝大多数机器人的结构都设计成封 闭式的，具体表现在【17 】【1 8 】：( 1 ) 采用专业计算机作为上层主控计算机；( 2 ) 使用专 用机器人语言；( 3 ) 采用专用微处理器，并将控制算法固定在e p r o m 中。这种传 统的结构，既不便于人们对系统进行深入研究，也不便于用户对系统进行动态维 护。虽然后来人们对机器人控制系统开展了研究，并取得了一些进展，但归纳起 来，这些研究依然没有摆脱传统的控制结构，因此开放式的机器人控制系统的研 究也迫在眉睫，并成为研究热点。 华中科技大学硕士学位论文 和笛卡儿空间中机器人运动的轨迹规划和轨迹生成方法，是指根据作业任务的要 求，计算出预期的运动轨迹。对不同的作业任务，在机器人轨迹规划时，必须考 虑到路径约束和障碍约束，在本文的系统中主要考虑无障碍的轨迹规划，根据特 定的路径约束可以将运动轨迹分为点到点运动( p t p ，p o i n t t o p o i n tm o t i o n ) 和连 续路径运动( c p ，c o n t i n u o u s p a t hm o t i o n ) 。对于p t p 运动，通常只给出起始点和 终了点，有时还给出一些中间路径点，根据这些给定的路径点规划出光滑的运动 轨迹：对于c p 控制，机械手末端的轨迹是根据任务的需要给定的，按照一定的采 样间隔，通过逆运动学计算，将其转换到关节空间，然后在关节空间中寻找光滑 函数来拟合这些离散点。轨迹规划问题可分为关节空间的轨迹规划和直角空间的 轨迹规划【1 4 】【1 5 】【1 6 l 。 由于客观条件的限制，机器人连续轨迹的最优控制相当困难，一种可行的办 法是将控制分为两个部分，即离线轨迹规划及优化，在线轨迹跟踪。又因现在还 没有可用笛卡尔坐标测量机器人位姿的传感器，所以可用的控制算法都是建立在 关节坐标的基础上的，且以关节坐标给定物理约束。使得面向关节空间的轨迹规 划被广泛应用。 本文讨论的水下作业机械手在自动更换工具时与中间路径无关，只需描述它 的起始状态与目标状态，因此采用了关节空间条件下的p t p 运动控制方法。 1 5 水下作业机器人控制系统研究与发展 近年来，机器人控制系统的结构与特性越来越为人们所重视。特别是在与机 器人控制有关的研究中，为了从关节这一级来改善和提高系统的性能，迫切要求 机器人具有开放和人机交互特性。然而，现在绝大多数机器人的结构都设计成封 闭式的，具体表现在【17 】【1 8 】：( 1 ) 采用专业计算机作为上层主控计算机；( 2 ) 使用专 用机器人语言；( 3 ) 采用专用微处理器，并将控制算法固定在e p r o m 中。这种传 统的结构，既不便于人们对系统进行深入研究，也不便于用户对系统进行动态维 护。虽然后来人们对机器人控制系统开展了研究，并取得了一些进展，但归纳起 来，这些研究依然没有摆脱传统的控制结构，因此开放式的机器人控制系统的研 究也迫在眉睫，并成为研究热点。 华中科技大学硕士学位论文 为建立一个开放式的水下作业机器人控制系统，需要解决以下两方面的问题： ( 1 ) 针对“开放式”结构要求，应设法给用户提供一个标准的控制界面和一个常规 的语言环境，借此，可实现对机器人结构参数的设置和可控参数的调节，以及对 机器人进行其他一切作业级的操作和控制；( 2 ) 针对“通用性”要求，应使所建立 的系统不经任何改动或者仅需最小的改动就可适应不同机器人本体的要求。随着 数字信号处理器d s p 的迅速发展，在市场上出现了一些高性能、低成本的d s p ， 并开始在机器人控制中得到应用。d s p 控制器的主要特点f 捌【2 1 2 2 1 在于它的接口简 单、编程容易、稳定性好、精度高、可重复性好、集成方便、高速性等，而且随 着机器人控制系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，我们考虑将它与通 用p c 机相结合，在加上相应的控制软件，构造出先进的开放式的水下作业机器人 控制系统。 1 6 本文主要研究内容 机器人系统是集计算机技术、自动控制技术、机械与电子技术、液压技术、 传感器技术、力学等为一体，是多学科的交叉与综合。本文主要从机器人控制系 统的角度对水下作业机器人系统进行论述，主要研究内容如下： 1 论述水下作业机器人控制系统的组成及其工作原理，并阐述水下控制器的 实现； 2 系统运动学分析，包括正运动学与逆运动学问题求解； 3 系统作业实时轨迹规划技术的方法介绍与实际轨迹生成； 4 控制系统的软件结构模块设计及其实现，介绍了几种控制系统软件抗干扰 措施，并简单说明其在水下作业系统中的应用。 6 华中科技大学硕士学位论文 为建立一个开放式的水下作业机器人控制系统，需要解决以下两方面的问题： ( 1 ) 针对“开放式”结构要求，应设法给用户提供一个标准的控制界面和一个常规 的语言环境，借此，可实现对机器人结构参数的设置和可控参数的调节，以及对 机器人进行其他一切作业级的操作和控制；( 2 ) 针对“通用性”要求，应使所建立 的系统不经任何改动或者仅需最小的改动就可适应不同机器人本体的要求。随着 数字信号处理器d s p 的迅速发展，在市场上出现了一些高性能、低成本的d s p ， 并开始在机器人控制中得到应用。d s p 控制器的主要特点f 捌【2 1 2 2 1 在于它的接口简 单、编程容易、稳定性好、精度高、可重复性好、集成方便、高速性等，而且随 着机器人控制系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高，我们考虑将它与通 用p c 机相结合，在加上相应的控制软件，构造出先进的开放式的水下作业机器人 控制系统。 1 6 本文主要研究内容 机器人系统是集计算机技术、自动控制技术、机械与电子技术、液压技术、 传感器技术、力学等为一体，是多学科的交叉与综合。本文主要从机器人控制系 统的角度对水下作业机器人系统进行论述，主要研究内容如下： 1 论述水下作业机器人控制系统的组成及其工作原理，并阐述水下控制器的 实现； 2 系统运动学分析，包括正运动学与逆运动学问题求解； 3 系统作业实时轨迹规划技术的方法介绍与实际轨迹生成； 4 控制系统的软件结构模块设计及其实现，介绍了几种控制系统软件抗干扰 措施，并简单说明其在水下作业系统中的应用。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 水下作业控制系统组成及工作原理 作业机械手控制系统是根据指令及传感信息控制完成一定的作业任务的装置， 它是机器人的中枢，决定了机器人性能的优劣。目前，以数字信号处理器s p l 为 基础的实时数字信号处理技术正在迅猛发展。由于d s p 特别适合用于数据量多、 速度快的数据采集系统和实时控制系统，因而已广泛应用于通信、语音处理、图像 处理、仪器仪表、自动控制、消费电子等领域。在作业机械手的控制系统中，要 求控制系统在极短的时间内对各关节传感器反馈的位置信号进行处理，因此将 d s p 应用于作业机械手控制系统不失为一种好的策略。 本文所要论述的自行更换工具水下作业控制系统的控制对象是一台六关节机 械手，每个关节都有位置传感器，它由上、下位机构成，是一种分级控制结构， 并以1 1 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 数据信号处理器作为下位机和p c 兼容机作为上位机 相结合构成了开放式的水下作业控制系统。 2 2r i m s 3 2 0 f 2 柏d s p 简介 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片是美国得州仪器公司( ) 在1 9 9 7 年推出的面向数字 控制领域的芯片，它不仅继承了数字信号处理器( d s p ) 运算速度快，能实现实时 控制的优点，而且由于它面向数字控制领域，因而使得由f 2 4 0 为核心芯片构成的 控制系统具有结构简单、可靠性高、数据处理速度快等诸多优势。主要具有如下 特点【2 1 】【2 2 1 2 3 】： 运算速度快，指令周期为5 0 n s ； 3 2 位中央处理单元，1 6 位定点运算； 指令丰富，具有单周期循环指令，单周期乘加指令和快速h 叮变换寻址能 力； 程序控制采用四级流水线作业，具有六个外部中断源和八级硬件堆栈； 7 华中科技大学硕士学位论文 2 1 引言 2 水下作业控制系统组成及工作原理 作业机械手控制系统是根据指令及传感信息控制完成一定的作业任务的装置， 它是机器人的中枢，决定了机器人性能的优劣。目前，以数字信号处理器s p l 为 基础的实时数字信号处理技术正在迅猛发展。由于d s p 特别适合用于数据量多、 速度快的数据采集系统和实时控制系统，因而已广泛应用于通信、语音处理、图像 处理、仪器仪表、自动控制、消费电子等领域。在作业机械手的控制系统中，要 求控制系统在极短的时间内对各关节传感器反馈的位置信号进行处理，因此将 d s p 应用于作业机械手控制系统不失为一种好的策略。 本文所要论述的自行更换工具水下作业控制系统的控制对象是一台六关节机 械手，每个关节都有位置传感器，它由上、下位机构成，是一种分级控制结构， 并以1 1 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 数据信号处理器作为下位机和p c 兼容机作为上位机 相结合构成了开放式的水下作业控制系统。 2 2r i m s 3 2 0 f 2 柏d s p 简介 t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片是美国得州仪器公司( ) 在1 9 9 7 年推出的面向数字 控制领域的芯片，它不仅继承了数字信号处理器( d s p ) 运算速度快，能实现实时 控制的优点，而且由于它面向数字控制领域，因而使得由f 2 4 0 为核心芯片构成的 控制系统具有结构简单、可靠性高、数据处理速度快等诸多优势。主要具有如下 特点【2 1 】【2 2 1 2 3 】： 运算速度快，指令周期为5 0 n s ； 3 2 位中央处理单元，1 6 位定点运算； 指令丰富，具有单周期循环指令，单周期乘加指令和快速h 叮变换寻址能 力； 程序控制采用四级流水线作业，具有六个外部中断源和八级硬件堆栈； 7 华中科技大学硕士学位论文 5 4 4 字1 6 位片内r a m ，1 6 k 字1 6 位片内f l a s he e p r o m ，2 2 4 k 字 1 6 位最大可寻址存储空间； 双1 0 位a d 转换器，总的转换时间小于1 0 n s ； 事件管理器中具有1 2 路比较式p w m 发生单元，3 个1 6 位通用定时计数 器，4 个捕获单元： 内置锁相环时钟单元和看门狗实时中断模块； 具有串行通讯接口和串行外设接口： 2 8 个可编程复用i o 口。 本文将充分利用t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片的各种功能特性，设计了结构简单功 能齐全的六关节水下机器人控制器。 2 3 水下作业控制系统组成结构 水上i 水下 机器人控制器 i 液压驱动器机器人本体 机器人机构 i d 。i 口l - h + - i 电液伺服翔 si _ p 藏压动力源i液压缸 控 = 矧制 l 器 位置传感嚣 p c 羹軎机 ( 熏胜计算机) 接近传摩器 r s 一4 2 2 串铜通信 图2 - 1 自行更换工具水下作业控制系统组成结构 自行更换工具水下作业控制系统整体硬件结构如图2 1 f 1 9 】【2 4 】所示，它由机器人 控制器、液压驱动器和机器人本体组成，下面分别加以说明。 华中科技大学硕士学位论文 5 4 4 字1 6 位片内r a m ，1 6 k 字1 6 位片内f l a s he e p r o m ，2 2 4 k 字 1 6 位最大可寻址存储空间； 双1 0 位a d 转换器，总的转换时间小于1 0 n s ； 事件管理器中具有1 2 路比较式p w m 发生单元，3 个1 6 位通用定时计数 器，4 个捕获单元： 内置锁相环时钟单元和看门狗实时中断模块； 具有串行通讯接口和串行外设接口： 2 8 个可编程复用i o 口。 本文将充分利用t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 芯片的各种功能特性，设计了结构简单功 能齐全的六关节水下机器人控制器。 2 3 水下作业控制系统组成结构 水上i 水下 机器人控制器 i 液压驱动器机器人本体 机器人机构 i d 。i 口l - h + - i 电液伺服翔 si _ p 藏压动力源i液压缸 控 = 矧制 l 器 位置传感嚣 p c 羹軎机 ( 熏胜计算机) 接近传摩器 r s 一4 2 2 串铜通信 图2 - 1 自行更换工具水下作业控制系统组成结构 自行更换工具水下作业控制系统整体硬件结构如图2 1 f 1 9 】【2 4 】所示，它由机器人 控制器、液压驱动器和机器人本体组成，下面分别加以说明。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 1 机器人本体 机器人本体分为机器人机构、电液伺服阀、液压缸、传感器等部分组成。 机器人机构是机器人赖以完成工作任务的实体，从功能的角度来说，主要由 肩关节、肘关节、腕关节组成，完成肩关节水平摆动、肩关节起落、肘关节起落、 腕关节起落、腕关节摆动、腕关节回转六个功能【2 5 1 。 电液伺服阀可通过电信号对流量和流向进行控制，进而实现对液压缸活塞运 动速度大小和方向的控制，在本系统中对机械手六个关节的控制，均采用了性能 较好的电液伺服阀实现控制，以保证机械手与工具自动对接过程的顺利实现。此 外，由于电液伺服阀不可避免的存在着零位泄漏问题，若不采取一些必要的措施， 当液压源停止工作后，机械手承受负载较大的关节，在负载的作用下，会产生漂 移现象。为此，对承受负载较大的、影响终端位置最显著的三个关节，即肩关节 水平摆动、肩关节起落、肘关节起落关节，在它们液压缸的大腔油路上均加了液 控单向阀。当液压源工作时，液控单向阀在系统压力的作用下被打开，将液控单 向阀的出口与液压缸大腔进口之间的油路开通，不影响液压缸的控制性能；当液 压源停机时，其阀芯在弹簧力的作用下将油路锁死，从而使机械手的三个关节可 靠的锁定在液压源停机的位置。 液压缸是控制系统的执行元件，应具有良好的动态特性。本系统的液压缸设 计主要是依靠航空标准，以满足减轻重量，提高可靠性的要求。要保证液压缸有 效的密封和长的寿命，内泄小，启动摩擦小，外漏小，液压传动结构紧凑，并受 到良好的保护。在阀控缸组件的设计中，液压缸和控制阀采用阀缸一体化设计。 电液伺服阀和液控单向阀直接安装在液压缸的缸筒上，省略了电液伺服阀和液压 缸之间的连接软管，消除了软管膨胀的影响，减少了液压缸受压油液的容积，有 益于提高液压缸的动态响应。 一般控制系统的检测电路产生的误差，要比传感器的固有误差小一至二个数 量级，因此，数据采集系统的测量精度与所选用的传感器有密切关系。为了得到 反馈的准确的角位置信号，我们必须选用合适的位置传感器。目前成熟的位移测 量装嚣有电位器式位移传感器、磁致伸缩传感器、磁尺传感器、电涡流传感器、 直线同步感应器等等。根据实际需要，由于电位器式位移传感器原理简单，输出 9 华中科技大学硕士学位论文 特性为线性，利用此特性，可精确地测量出位移值，其测量精度较高，且具有结 构简单、价格便宜、输出功率大、被测量和转换量之间容易实现线性或其它需要 的函数关系等特点，因此我们本着价格低、性能好的原则，选用了电位器式位移 传感器作为本系统的位置传感器。 2 3 2 液压驱动器 作业任务和作业场合的性质，决定了机械手所应具有的作业能力大小，而作 业能力的大小将主要由驱动能力的大小所决定，因此，驱动器或驱动方式的选择 在控制系统的设计中是非常重要的环节。一般机器人的驱动方式有两种：电机驱 动和液压驱动。它们各有优缺点，适用的范围也各不相同【2 6 】【明。 电机驱动方式在实际系统中应用非常广泛，电机启动容易，控制性能好，控 制相对简单，快速适应能力强且无污染，但力矩输出小，负载能力较弱，如果要 得到很大的输出功率，电动机的质量和体积都会较大。电机驱动和其它驱动方式 相比，在高速、高精度、小型节能等方面更能体现它的优越性。在机器人控制中， 电机驱动方式应用也较多，特别是一些针对电机控制的处理器芯片的不断涌现， 电机控制也越来越方便，对于多关节机器人的控制系统使用电机控制能得到很好 的控制效果，比如在观察型水下机器人、负载要求不高的工业机器人、微型机器 人一般都采用这种驱动方法。 液压驱动同电机驱动相比，虽然占用空间大、质量大且油液易泄漏，但它输 出力矩大，负载能力强，一个体积与能搬送1 4 2 4 k g 载荷的气动和电机系统相当 的液压系统，就可搬送1 2 0 1 4 0 k g 的负载，而且还有气动和电机系统相当的精度 和响应速度；另一方面，液压系统的油液能起到对运动部件的润滑作用，并通过 油液的流动把热量带走，实现系统的自冷却，以延长元件和系统的寿命。采用液 压驱动还可以得到很大的速度范围，尤其是低速特性比电动机好。液压执行器泄 漏较小时，液压弹性刚度大，因而闭环系统的定位刚度较大，位置误差就小。另 外，利用液压系统的集成回路可以把液压系统设计得相当紧凑，减少系统所占空 间。并且由于液压驱动的机械手因其功率体积大，刚度比较高，易于控制等一系 列优点，在水下作业系统中应用最为广泛。另外还要考虑到作业系统本身的动力 源因素，目前绝大多数的r o v 型水下作业系统采用了液压动力源，这也为水下机 l o 华中科技大学硕士学位论文 械手采用液压驱动提供了方便。在本项目的研究中，由于整个水下机器人系统的 动力源为液压驱动，并且作业系统的机械手和工具均要求有比较大的作业功率， 因而也采用了液压驱动方式。 液压驱动器还包括伺服放大器，主要是把t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 控制器输出的电 压信号转化为电液伺服阀的电流控制信号并进行放大，从而满足控制要求。 2 3 3 机器人控制器 机器人控制器是水下作业控制系统的中枢，也是本系统要设计的主要内容。