（机械电子工程专业论文）水下机械手阻抗控制技术研究.pdf

哈尔滨i ：稃大学硕十学位论文 摘要 随着海洋开发进程的加快，对水下作业装备的需求同益增加，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问耦合的影响， 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，分析了作业空问，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。 关键字：水下机械手：阻抗控制；力跟踪；参考轨迹估计 哈尔滨。i ：稃大学硕+ 学何论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eq u i c k e n i n go fo c e a nd e v e l o p i n gp r o c e s s ，t h er e q u i r e m e n to f u n d e r w a t e rw o r k i n ge q u i p m e n ti si n c r e a s i n gd a yb yd a y t h ei n t e l l i g e n tw o r k i n g l e v e lo fu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o ri sr a i s i n gd u et ot h ec o m p l e xm i s s i o no f u n d e r w a t e re x p l o r a t i o n ，s a l v a g e ，p i p e l i n ei n s p e c t i o na n dr e p a i r t h ef o r c ec o n t r o l s t u d yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls t u d ys i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e t oi m p r o v eu n d e r w a t e rw o r k i n ga b i l i t ya n di n t e l l i g e n tl e v e l 。 d u et ot h eo c e a ne n v i r o n m e n t ，c o u p l i n gi n f l u e n c eb e t w e e nt h ee n v i r o n m e n t a n dt h es h i pa n da l s ot h er e s t r i c t i o no fu n d e r w a t e rc o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e ，i ti s h a r dt oc a r r yo u tm a n u a li n t e r v e n t i o na n dm o n i t o r i n g t h ec o n t r o lt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gp o s i t i o na n df o r c ec o n t r o l ，i sb a s i ca n dc r i t i c a l o n eo fu n d e r w a t e r m a n i p u l a t o r sa u t o n o m o u so p e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h ef a c tt h a tt h eo r i g i n a lu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o rc a n tr e a l i z e a t t i t u d ec o n t r o l ，t h ed e g r e e so ff r e e d o mo fm a n i p u l a t o rh a v eb e e ni m p r o v e d t h e k i n e m a t i c sm o d e lo ft h em o d i f i e du n d e r w a t e rm a n i p u l a t o rh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h e o p e r a t i o ns p a c eh a sa l s ob e e na n a l y z e d t h eu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o ro fb e i n g i n s t a l l e do nt h em o v a b l ev e h i c l ec a ni m p l e m e n tl a r g e rr a n g eo p e r a t i o n t h e r e f o r e t h ek i n e m a t i c sm o d e lo fu n d e r w a t e rv e h i c l e m a n i p u l a t o rs y s t e mi se s t a b l i s h e d ， a n di n v e r s ek i n e m a t i c si sa l s os t u d i e d o nt h ec o n d i t i o no fc o n s t r a i n e de n v i r o n m e n t ，t h em a n i p u l a t o r sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c si sa n a l y z e d ，a n da c c o r d i n gt ou n d e r w a t e re n v i r o n m e n t ，t h ee f f e c to f o c e a nc u r r e n t 、w a t e rr e s i s t a n c e 、a d d i t i o n a lm a s sf o r c eo ns y s t e md y n a m i c si sa l s o a n a l y z e d t h ef o r c ec o n t r o ls y s t e mo fu n d e r w a t e rm a n i p u l a t o ri se s t a b l i s h e d ， w h i c hi sb a s e do ni m p e d a n c ec o n t r 0 1 t h i ss y s t e mc o m b i n e sf o r c ec o n t r o la n d p o s i t i o nc o n t r o l i n t oaf r a m e w o r k t h et a r g e t i m p e d a n c ei s r e a l i z e dt h r o u g h d o u b l ec l o s e d l o o pi n c l u d i n gp o s i t i o ni n n e rl o o pa n df o r c ee x t e r n a ll o o p t h e 哈尔滨一1 ：稃人学硕十学位论文 e f f e c to ft a r g e ti m p e d a n c ep a r a m e t e ro nt h ep e r f o r m a n c eo ff o r c ec o n t r o li s d i s c u s s e da n dt h ei m p e d a n c ep a r a m e t e rr e g u l m i o nl a wi ss u m m a r i z e d t h r o u g ht h ea d j u s t m e n t o ft h er e f e r e n c e t r a j e c t o r y , i m p e d a n c e c o n t r o l i n d i r e c t l y a c h i e v e sf o r c e c o n t r 0 1 t a k i n g t h e u n c e r t a i n t y o ru n k n o w no f u n d e r w a t e re n v i r o n m e n ti n t oa c c o u n t ，i ti sd i f f i c u l tt o g i v e nr i g h t r e f e r e n c e t r a j e c t o r y i nt h i sp a p e r , a no f f - l i n ee s t i m a t i o nm e t h o di sp r e s e n t e d u s i n gt h i s m e t h o de s t i m a t e st h eu n c e r t a i n t yp a r a m e t e r so fas i n g l ee n v i r o n m e n ta n dc a n d r a wac o m p a r a t i v e l yp r e c i s ep o s i t i o na n ds t i f f n e s so ft h ee n v i r o n m e n t ，i no r d e rt o g e tt h er e f e r e n c et r a j e c t o r y an e wp a r a m e t e re s t i m a t i o nm e t h o di sp r o p o s e d a c c o r d i n gt ou n c e r t a i ne n v i r o n m e n t 。t h i so n l i n em e t h o di s b a s e do nf o r c ea n d p o s i t i o nf e e d b a c ki n f o r m a t i o nt oe s t i m a t et h ee n v i r o n m e n tp a r a m e t e r s w i t h o u t n e e d i n gm i s s i o np l a n ，t h i sm e t h o dw o u l dg e t ar e f e r e n c ep o s i t i o nt om o v e m a n i p u l a t o r u n d e r w a t e rm a n i p u l a t o rc a nf o l l o wt h e s u r f a c eo fa l lu n k n o w n e n v i r o n m e n tw i t ht h e h o p e c o n t a c t f o r c e t h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sv e r i f i e df o r c et r a c k i n gc a p a b i l i t yo f t h ep r o p o s e dc o n t r o ls t r a t e g y t a k i n gt h eu n d e r w a t e r3j o i n tm a n i p u l a t o ra se x p e r i m e n t a lc a r r i e l t h e p o s i t i o na n ds t a n c ec o n t r o le x p e r i m e n ti sc a r r i e do n ，a n dg r a s p i n gt a r g e to b j e c ti s r e a l i z e d t h ef o r c et r a c k i n ge x p e r i m e n to fm a n i p u l a t o ru n d e rm u l t i - c o n s t r a i n e d e n v i r o n m e n ti sc o m p l e t e d t h ev a l i d a t i n ge x p e r i m e n ti sc a r r i e do na i m i n ga t r e f e r e n c et r a j e c t o r ye s t i m a t i o n t h er e s u l tv a l i d a t e st h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo f t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dm e t h o d 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 ；i m p e d a n c ec o n t r o l ；f o r c e t r a c k ； r e f e r e n c et r a je c t o r ye s t i m a t i o n 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。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已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，均己在文中以明确方式 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) ：诱、许 日期： 刀口乡年弓月2 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 叼在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) 前聋 日期：z i ，口9 年易月，ze l 导师( 签字) ： 涉弛 z p d 罗年弓月，ze l 哈尔滨t 程人学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 海洋蕴藏着丰富的矿产、油气和生物资源，在陆地不可再生能源资源同 益匾乏的今天，人类己经将注意力越来越多地转向海洋资源的开发和利用。 水下机器人作为开发海洋的载体将发挥重要的作用。水下机械手是进行 水下作业任务必不可少的作业装备，安装有机械手的水下机器人，通常称作 水下机器人机械手系统，在海底矿产探测、海底管道铺设及维修等作业任务 中，都需要具有作业功能的水下机械手系统。 对于水下清刷、打捞、管线修复等需要与目标物相接触的作业任务时， 不仅需要位姿控制还需要力控制。接触力过大会损坏目标物，接触力不够不 能完成任务。要完成这类任务，水下机械手不仅要有良好的对环境感知能力， 还要有良好的柔顺性。为了使水下机械手适应外界环境，通过位置和力控制 来进行水下作业的控制技术，一般采用视觉、触觉来感知外界环境的变化， 根据外界环境来进行水下机械手的位力控制。本文针对水下环境的特点，探 讨水下机械手力控制问题，主要研究在具有不确定性约束环境下水下机械手 阻抗控制的方法和实现技术，进行仿真和实验验证。 1 2 机械手力控制研究综述 机械手在作业过程中受到目标环境的约束，不但要进行位置控制，而且 需要控制接触力，即机械手的柔顺性( c o m p l i a n c e ) 。柔顺性分为主动柔顺性和 被动柔顺性。机械手凭借一些辅助的柔顺机构，使其在与目标接触时能够对 外部作用力产生自然顺从，称为被动柔顺性；机械手利用力的反馈信息采用 定的控制策略去主动控制作用力，称为主动柔顺性。 由于被动柔顺控制存只针对特定工作环境，并且不具有可控性，因此主 动柔顺控制( 力控制) 逐渐成为了研究的主流方向。研究机械手力控制器， 处理力和位置二者之问的关系，也就是机械手柔顺控制之策略，为主动柔顺 控制研究中的首要问题 2 1 。虽然不同的专家学者从不同的角度对控制策略进 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 行了阐述，从机械手实现依从运动的特点来看，一般可归结为三大类：经典 力控制、现代控制及智能控制。 1 2 ，1 经典力控制 1 阻抗控制 阻抗控制提供了一个对自由运动空间和约束运动空间进行统一控制的框 架，它通过调节由用户设定的机器人末端位置偏差和力的动态关系来实现柔 顺控制的目的。这旱设定的理想的机器人末端位置偏差和机器人与环境作用 力之阃蛉动态关系称为目标阻抗。阻抗控制是在阻尼控制和网j j 度控制的基础 上发展起来的，h o g a n 于1 9 8 4 年系统地阐述了阻抗控制的概念，提出了基于 机器人动力学模型的阻抗控制策略1 3 】。当把力反馈信号转换为位置修正量时， 这种力控制称为刚度控制；当把力反馈信号转换为速度修正量，这种力控制 称为阻尼控制；当把力反馈信号同时转换为位置和速度的修j 下量时，即为阻 抗控制。其控制框图如图1 】所示。 阻抗控制对自由运动和约束运动之间的转换具有很强的适应性，其任务 规划量和实时计算量较少，并且不需要控制模式的切换。阻抗控制是通过调 节参考位置间接地实现力控制的，它的控制精度依赖于操作者对环境的了解 程度。而在实际应用中，由于各种因素的影响，对环境不能精确了解，这导 致了阻抗控制有较大的力误差和较差的轨迹跟踪能力，在许多力控制精度要 求较高的场合无法应用，这是阻抗控制相对于力位混合控制的一大缺陷。 图1 1阻抗控制结构图 2 力位混合控制 力位混合控制方法是对机器人的不同关节根据具体任务要求分别独立 的进行力控制和位置控制。它是将作业任务要求的力控和位控分别通过两个 2 哈尔滨下程大学硕十学位论文 独立的平行控制回路实现，其控制思路比较清晰，适合于约束条件下的运动 控制。图1 2 所示为力5 置混合控制框图，此时的约束环境被当作不变的几 何问题加以考虑，因而该方法具有定的局限性。具有代表性的研究是：1 9 8 1 年r a i b e r t 和c r a i g 在m a s o n 的基础上提出了力位混合控制，即通过雅可比 矩阵将作业空间任意方向的力和位置分配到各个关节控制器上，可这种方法 计算复杂【4 j 。此后z h a n g 等人提出了把操作空间的位置环用等效的关节位置 环代替的改进方法1 5 j 。乔兵等人在此基础上，又提出了一种面向位控机器人 的力位混合控制策略【6 j 。 f x 图1 2 力位混合控制结构图 力位置混合控制策略允许对末端执行器环境之间的接触力进行直接控 制，这是实现机器人些作业任务所必需的。作为位置控制与力控制分别考 虑的结果，力位混合控制方法需要详尽的任务描述，在实现时还要考虑控制 方向的迅速切换，需要较快的运算速度和较大的运算量。 1 。2 ，2 现代控制 上述两种策略广义上属于经典控制的范畴，为力控制研究发展打下了坚 实的基础，但从适用范围和控制效果看仍有不足。在完成复杂任务时，面临 着机器人多自由度、时变和耦合及环境干扰等问题。为解决这些问题，众多 专家在经典力控制的基础上，进行了现代控制方法的研究。 1 自适应控制 自适应控制假设机器人的动态特性可以用一组参数的线性关系来表示， 哈尔滨+ l ：程大学硕十学位论文 通过采用自适应算法来在线估计参数，并根据其估计值随时修改控制策略， 使得实际的闭环控制系统满足性能要求。自适应力控制在经典力控制方法的 基础上加入自适应算法，使得当机械手存在不确定参数时仍然可以获得需要 的刚度、阻尼或阻抗。具有代表性的是：c h u n gj a c kch ，l e i n i n g e rg a yg 直接在多任务坐标系统中进行重力、动摩擦力和柔顺反作用力补偿，以插孔 为目标，进行了自适应实验【7 】；k u ct a ey o n g 等采用自适应学习的混合控制 方法，进行了约束运动控制尝试，在逆动力学求解、收敛性及抗干扰方面获 得满意的效果【8 】。n i c o l e t t igm 用l y a p u n o v 稳定理论，针对约束运动，对模 型参考自适应p i d 控制的稳定性条件及判据进行了研列9 1 。自适应控制的精 确跟踪性能来自于对参数的准确估计和高增益反馈。对参数的估计需要进行 冗长的计算，这使得自适应控制只能应用于参数变化缓慢、机器人的关节数 较少的情况。高增益反馈也有两个缺点：首先，它容易引起机械震荡；其次， 增益的调节需要经验i l 。 2 鲁棒控制 鲁棒控制是指使机器人系统在存在不确定性的情况下具有使稳定性、渐 进调节和动态特性保持不变的特性，即系统具有承受不确定性影响的能力。 由于鲁棒控制器是根据己知的系统不确定性变化范围中最坏的情况设计的， 因此鲁棒控制可以补偿最坏情况以内的不确定性，保证系统在未知扰动下的 鲁棒性。鲁棒力控制在存在不确定性和干扰的情况下，仍能达到需要的动态 性能，如目标阻抗等。具有代表性的是：k a z e r o o n i 利用适当选取的状态反馈 和前馈来实现鲁棒阻抗力控制【1 1 】。z i rl u 使用鲁棒性控制来克服模型的不确 定性【1 2 】。d a n w e i 给出具有鲁棒性的学习阻抗控制方法，使阻抗误差在存在动 力学波动和测量噪声初始位置误差的情况下收敛到趋于零l 】引。vp a r r av e g a 考虑了动态不确定性，设计了滑模自适应控制器，利用力位置混合控制方法， 很好的解决了上述问题，获得了很好的柔顺性，使力跟踪误差和位置控制误 差都收敛到零【1 4 】。但是鲁棒力控制的暂态性能不是很好，而且在设计鲁棒力 控制器时，系统的不确定性必须属于一个可描述集，比如增益有界、上界已 知等。假如不确定性超出假设范围，系统将发散。 4 哈尔滨下稗人学硕十学位论文 1 2 3 智能控制 由于经典力控制方法和现代控制方法的种种不足，近年来越来越多的学 者丌始将智能控制方法引入到机器人的力控制研究中。 1 神经网络控制 神经网络控制是在结构上对人类的大脑进行模拟，利用生物神经系统的 分布式存储、并行处理、自适应学习等现象进行模仿的一种控制方法。神经 网络可以看成是一个多输入多输出的非线性系统，能够以任意精度来逼近任 意一个非线性连续函数，能够学习和适应严重不确定性系统的动态特性。由 于大量神经元之阊广泛连接，即使有少量单元或连接损坏，也不影响系统的 整体控制性能，与以往传统控制方法相比具有极大的优越性。r o n gj o n g 等人 针对模型不确定性，考虑了末端接触摩擦力，为机械臀设计了t - s 模型的模 糊五层神经网络力控制器，进行了位置控制，并基于l y a p u n o v 理论对系统的 稳定性，从理论角度进行了证明引。神经网络被应用到阻抗控制中，其中一 类目的是通过学习使系统可以在固定目标阻抗下存在一定的鲁棒性，可以对 机器人模型的不确定性进行补偿【。8 1 。而另一类是可以通过神经网络的不断 学习自动调整阻抗参数。t s u j i t 拇l 综合了神经网络在阻抗控制中的应用，在一 个控制器中，设计了四个神经网络单元，通过在线学习，其中三个网络分别 对机器人末端的位置、速度、接触力进行调整，而另一个对环境进行识别。 在自由运动阶段神经网络通过训练来调整位置和速度，而在接触运动过程中 神经网络实现对力的控制和环境的识别。目前神经网络在实际控制中的应用 仍受到很多限制，但缺乏系统化的方法来构造网络的结构；网络需要一定的 时间来训练，在训练完成之前不能很好地控制系统：网络的权值没有明确的 物理意义，权值初始化过分依赖经验。 2 。模糊控制 模糊控制是模拟人的模糊推理和决策过程的一种实用控制方法。该方法 不需被控对象的准确数学模型，适用于对难以建模的对象实施鲁棒性控制， 模糊控制方法已被应用于力控制研究中【2 0 - 2 2 1 。模糊控制仅通过被控对象输入 输出量的检测，进行一系列有针对性地各种可能状态的推理和判断，并且做 出适应性的最优化控制。该方法控制形式简单，易于实现，取得了很好的控 哈尔滨t 程大学硕十学1 奇：论文 制效果。但模糊控制的控制精度较低，隶属度函数、模糊控制规则等主要根 掘经验预先总结确定的，单纯的模糊控制缺乏自学习能力，许多学者对传统 模糊控制进行改进，将多种智能方法交叉综合应用于力控制中f 2 3 彩】。 从研究成果来看，在机器人力控制方法中，经典的力控制方法是必不可 少的，它是最简单也是应用最成功的方法。现代控制策略与智能控制策略的 结合，在保证系统简单稳定的前提下取得了更好的控制性能。 1 3 力控制在不同任务中的应用 为避免机器人与环境从非接触到接触的自然转换时的碰撞冲击，将主动 柔顺和被动柔顺的有机结合，并将智能控制应用于力控制中是柔顺控制研究 的发展趋势。有关于此的力控制应用研究主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 装配操作 装配操作包括插销入孔、旋拧螺钉、摇转曲柄、搬运堆放重物等。装配 机器人通过力反馈控制提高在约束环境中的定位精度，是机械手术端执行器 对于环境实际位置的信息源 2 6 - 2 8 】。 ( 2 ) 表面跟踪 表面跟踪典型作业包括擦洗飞机、擦玻璃、修理工件表面( 去毛刺，磨削 或抛光等) 、跟踪焊缝、智能数控机床研制等2 9 。3 0 l 。 ( 3 ) 双手协调 要求两个或两个以上的机器人手臂在相互约束的条件下能够协调地工 作。通常一个手臂主动，另一手臂在力控制下随动。双手协调是未来多臂机 器人研究的基础 31 - 3 3 】。 ( 4 ) 灵巧手 通过控制各个指尖力的大小协调多手指协调运动，来完成对目标物体的 柔性抓取【3 4 3 5 1 。 但由于水下环境的特殊性，水下传感器技术、动力源、密封防腐等多项 关键技术，使得具有力感知能力的水下机械手的智能化力控制研究远落后于 其他环境中的机械手力控制。 9 0 年代，水下机械手主要依靠被动柔顺机构柬顺应水下作业环境，这类 6 哈尔滨r 程人学硕十学位论文 系统都不具备力感知功能，无法实现理想的精确抓取及力控制。1 9 9 9 年在欧 共体m a s t 计划支持下，联合国英国西尔特瓦特大学、西班牙巴塞罗纳大 学、意大利热那亚大学和晶体学研究中心研制了a m a d e u s 二代水下机械手 爪，可以实现力封闭控制，用于水下科考中的矿物和生物样本的采集【3 6 1 。哈 尔滨工程大学成功研制的具有力感知功能的水下灵巧手可以通过力控制完成 指尖的精确抓取，目前正处于原理样机试验阶段【37 1 。 1 4 课题来源与本文主要研究工作 本课题来源于基金项目，课题研究水下机器人搭载作业机械手控制技术、 样机研制及演示验证。 本文的主要研究工作如下： 1 分析三关节水下机械手空间定位和姿态控制问题，对水下机械手结构 进行改进，建立水下机械手的运动学模型及水下机器人一机械手系统运动学模 型，并分析系统的运动学逆解问题，建立水下机械手运动学仿真平台 2 ，针对水下环境，分析海流加速度力、水阻力、附加质量力对系统动力 学的影响。考虑水下机械手进行接触作业时需要对接触力进行控制，建立基 于阻抗控制的水下机械手力控制系统，进行计算机仿真研究，得到要达到目 标阻抗，目标阻尼、目标刚性的调整规律，对今后的实验研究打下较好基础。 3 水下环境不确定性对参考轨迹的给定带来困难，针对这一问题，探讨 估计单一特定环境位置与刚度的方法，以确定阻抗控制器的参考位置。研究 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，进行水下机械手运动规划，使水下机械手跟随 目标物并与其表面保持期望接触力，迸行力跟踪仿真实验验证。 4 以三关节水下机械手样机为实验载体，进行位置控制与姿态控制实验， 进行机械手在平面、斜面、曲面上的力跟踪实验，目标物抓取及模拟剪缆等 实验，对机械手在不同约束环境下的力跟踪能力进行实验研究。对本文所研 究的参考轨迹估计法等方法的有效性进行实验验证。 7 哈尔滨l ：程火学硕+ 学位论文 2 1 引言 第2 章机械手运动学分析 针对水下实际作业需要，对机械手结构进行改进。水下机械手的作业任 务是由笛卡尔坐标系来描述的，要把该坐标系中的工作任务描述变换为各个 关节的位置，需要对水下机械手的运动学进行分析。运动学分析是对机械手 进行位置控制、速度控制及力控制的基础。将水下机器人与水下机械手作为 一个整体进行分析，建立水下机械手运动学模型及水下机器人机械手系统运 动学模型。 2 2 三关节机械手结构 本文所研究的是关节式水下机械手，其机械本体部分是由3 个关节串接 组成的开链式结构【3 8 】。开链的一端固定在水下机器人的基座上，驱动器驱动 各关节运动使手爪到达所需的位姿。水下机械手的相邻关节做相对回转运动， 构成三个自由度，分别为大臂转动关节( 肩关节) 、小臂转动关节( 肘关节) 和手爪转动关节( 腕关节) 。该水下机械手系统包括驱动装置、传动装置和控 制器等。各关节均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，采用一对伞齿轮来进一步减速，同 时改变输出方向，使输入输出轴线成9 0 度角。 原空间三关节机械手只能实现三维空间定位，不能够同时达到期望姿态， 结构如图2 1 所示。然而，缆线剪切需要剪切工具与缆线保持一定的角度范 围才能够完成剪切动作。本文通过对肘关节的结构进行改进，将原来只能完 成三维空间位置控制的机械手结构改进成平面三关节机械手，结构如图2 。2 所示。该结构机械手能够完成平面内的位置与姿态控制。另外，还配备有一 个手爪，通过电机控制其开闭来抓取目标物。水下机械手主要性能参数如表 2 1 所示。 8 ! 篁垒垄! ；垒垒茎竺：；茎堡兰圣 图2 l 空间三关节机械手结构 靠关节 肘关节月美节 图2 2 平面三关节机械手结构 表2 1 水下机械手主要性能参数 总长昂大外径肩关节肘关打腕关h ( m m )( r a m ) 旋转( o ) 旋转( 。) 旋转( 。) 6 8 47 49 09 02 4 1 5 6 23 机械手运动学分析 水下机械手的运动学要研究两个问题：一个是建立运动学方程已知各 关节的位移，求手爪的空间位置和姿态，即正向运动学；另一个是求解运动 学方程一指定手爪的空间位置和姿态，求出各关节相应得位移期望值，即逆 向运动学 3 9 】。事实上，逆向运动学更为重要，机械手的控制器将用这些方程 束计算关节值，并以此来运行机械手达到期望位姿 4 0 l 。 哈尔滨t 程人学硕十学何论文 2 3 1 机械手正向运动学分析 为了描述末端执行器在空间的位置和姿态，在每个关节上建立一个坐标 系，利用坐标系之间的关系来描述末端执行器的位姿。本文采用d h 参数方 法进行其运动学分析。建立一个4 x 4 的齐次变换矩阵描述相临两连杆的空间 关系，从而推导出“末端执行器坐标系 相对于“基坐标系”的等价齐次坐 标变换矩阵，建立机械手的运动方程1 4 。 按d - h 参数方法中的下关节方法建立各连杆的坐标系如图2 3 所示。其 中基座定义为o 号连杆，依次共定义4 个连杆。0 号坐标系设在0 号连杆上， 以此类推。z 、乙、互对应关节1 ( 肩关节) 、关节2 ( 肘关节) 、关节3 ( 腕 关节) 的传动轴，均为铅直方向，相互之间平行，箭头所指转动轴旋转方向 为各关节转角9 的j 下向。图中( q 一五r o z o ) 为机械手基础坐标系，p ( x ，y ) 为 机械手手爪在基础坐标系中的位置。根据机器人学d h 理论得出各连杆参数 如表2 2 所示。 图2 3 机械手各连杆的坐标系 表2 2 机械手连杆的d h 参数 ，】，) 序号 谚( 。)q 一。( o )q l ( r a m )z ( m m ) 关节变量范刖( 。) l 儡( o ) o o 0- 9 09 0 2 幺( o ) 02 4 0 o9 0 9 0 3 幺( o ) 02 4 0o 2 4 l5 6 其中谚为连杆f 坐标系绕五轴的转角；一，为连杆f 坐标系绕连杆f 一1 坐 标系的墨一。轴的转角：q 一。为把连杆，一1 的坐标系移到使其原点与连杆f 的坐 标系原点重合的距离；z 为连杆f 坐标系沿互轴的距离。当全部连杆坐标系 l o = 型塑坠鋈塑丝坚一 规定后，相邻连杆问坐标变换关系可用以下连杆变换通式计算： “z = r o t ( z ，o , ) t r a n s ( o ，0 ，d ) t r a n s ( a ，0 ，o ) g o t ( x ，口j ) coso,：筹-sino。善#0ai_lsino_f c o s o t s i n a 。 一j 协1 ) 一ls 2c o s 锈一i s i n 一砖s l n q if 。厶 s i n 谚 一lc o s 口s i n q l c o s q l吐c o s q l l 0 o 01 j 将表2 2 中参数带入连杆变换通式得相邻连杆坐标系之间的齐次变换矩 阵。五、1 疋、2 五分别为： c o so l s i n o l0 。五：i s i n 0 1 c o s o l o l - 2 ) 【0 0 1 j c o s 0 2 - s i n 0 2 f l l 1 瓦= ls i n 0 2 c o s 0 2 o l q 3 ) l 00 1 j f c o s 0 3 - s i n 0 3 1 2 l 2 五：is i n 0 3 c o s 8 3 o i q - 4 ) l 0 0 1j 机械手手爪相对基础坐标系的转换矩阵。五： c 1 2 3 - s 1 2 3 如c 1 2 + l i c t i 。五：。互一疋2 五= kc m + 五s 。l 2 - 5 ) l 00 1 j 其中，s 。、c 。、s m 。、c m 。分别表示s i n 暖、c 。s 幺、s i n ( o m + 酿) 、c 。s ( 锦+ 酿) ( m ，n = l ，2 ，3 ) 。f i 、乞、毛分别为机械手三个关节的长度，l ，= 2 4 0 m m 1 2 = 2 4 0 r a m ，l s = 2 0 4 m m 。 手爪在坐标系3 中的位姿为 r 3 耳 = 巴 中的位姿为 笔尺什五p 手爪在基础坐标系 3 弓l ，经计算得到手爪在基座标系中的位 1 j 哈尔滨一i ：稃大学硕+ 学佗论文 言尺：耳 = ：善；- - c s 苫1 2 ，3 l 厶3 cs，l23+1竿2c。1：2+isc，1 xy：=，313s。c：m，+乞ls2。c：12+lls。cl ( 2 6 ) ( 2 7 ) ：尺表示机械手术端相对于基坐标系的姿态。这晕，用秒表示手爪的姿态 角。由7 r 可知： 秒= q + 岛+ 岛 ( 2 8 ) 因此只要知道各个关节转角岛，岛，幺就可根据( 2 7 ) 、( 2 8 ) 计算出机械 手手爪在操作空间中的位置与姿态。 雅可比矩阵建立起机械手关节速度和末端执行器( 手爪) 在基坐标系下 的速度关系，用来描述每个关节的运动速度对末端执行器的速度贡献。雅可 比矩阵可以认为是从关节空间向操作空间运动速度的传动比，机械手不同位 置和姿态有不同的传动比。当机械手与作业环境相接触时，如何将手端接触 力折算到各个关节上，也需要采用雅可比矩阵。 x = j ( o ) o ( 2 9 ) 上式中：膏为机械手末端在操作空间的操作速度矢量；矽为关节速度矢 量：j ( o ) 为雅可比矩阵。 雅可比常用的求解方法有矢量积分法、微分变换法、齐次变换法、速度 递推法、力和力矩递推法等。水下机械手共有三个关节，采用微分法来求机 械手雅可比矩阵较为简便。 设9 = ( o l ，岛，0 3 ) 7 ，x = ( x l ，x 2 ) 7 = ( ，】，) 7 ，则三自由度机械手雅可比矩阵 求解过程如下： 删) = 警 ( 2 1 0 ) 。0 廿： 其中江l ，2 ；j = l ，2 ，3 ；五，x 2 表示机械手手爪在基坐标系中的位置，对 ( 2 7 ) 式各项求导得机械手速度雅可比矩阵： 1 2 哈尔滨t 程人学硕+ 学何论文 朐= 旺乏羔) 一f s i n i 姐：一毛s i n l 2 一毛姐卫s i n i 乃1 ( 2 1 1 ) u o 吗+ 如s 1 2 + 乞0 0 6 l 乃，2 0 吗2 + 毛0 0 6 1 莶乞。吗乃 歹71e护，=lr_lsin,_鬯2蔷sin,2耋-；n3。s筋inl23 通过以上的分析和计算可知，已知水下机械手关节速度谚，借助雅可比 矩阵j ，可求出末端执行器在基坐标系中的速度。 2 3 2 机械手逆向运动学分析 吁 篇习 协 下面对( x ，j ，) 进行求解，( x + ，y f ) 可以通过o ? ：、1 乏及第三关节在第二关 阡互嘲 嚣 t 吣 1 - c b ”沁 即名t 聂 砸 + 沁 以 2 c 鸭嗡厶 哈尔滨一i ：程大学硕十学位论文 一x x c i _ + 十y 蝎 s i = ：1 ，2 2 c j 2 ：+ 考虑易的实际作业范围，由( 2 1 5 ) 可以求得岛： 0 2 = 1 8 0 。- a r c c o s 学 将( 2 - 1 6 ) 代入方程式( 2 1 5 ) 解得岛： 鼠：arctall旦尘堂一arcc。s一(x-13 c o s o ) 2 + ( y - 1 3s i n o f + l t 2 - 2 2 x 一如c o s 秒 2 l i ( x 一乞c o s 秒) 2 + ( y 1 3s i n o ) 2 由( 2 8 ) 可知： 岛= 0 一最一0 2 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 上面对各关节的求解构成了机械手逆解方程： 最：盯c 伽必堂，一眦c 。s 垒二生筌垫垒尘丝垒丝： x 一c o s 秒 2 厶( x 一厶c o s 口) 2 + ( y 1 3s i n o ) 2 良：180。一arcc。sl,2+122-(x-13cose)2-(y-13s i n e ) 2 ( 2 - 1 9 ) 刃i 乞 0 3 = 0 一日一幺 2 4u v m s 运动学分析 2 4 1u v m s 正向运动学分析 水下机器人机械手系统( u v m s ) 是配备机械手的水下机器人系统1 4 引。 机械手开链的一端固定在水下机器人的基座上，由于其安装载体是移动的， 这样我们先前求得的：尺，o b ( 固定机械手末端手爪的姿态与位置) 就相当 于机械手末端相对于水下机器人坐标系的姿态；月与位置”只。单单考虑在水 平面上运动的水下机器人，可以用坐标位置( 置，k ) 和艏向角纪三个参数来确 定其运动学特性。建立水下机器人机械手的正向运动学模型，即水下机器人 的坐标位置与艏向角及机械手各关节的转角给定时，求取水下机械手术端执 1 4 行器的位姿。机械手的机座在水下机器人坐标系的位置为( ，m ) 1 4 3 1 。 2 童0 三章 兰兰三- c s 。i 三n 鼠g , ； 壶三i 。2 2 。， l 001 j 言尺：耳 = 。瓦 三尺：卑 【- 0 01 j 2 4 2u v m s 逆向运动学分析 u v m s 系统是一个运动学冗余系统，采用如下方法可将5 自由度的系统的 逆运动学求解转化为3 自由度机械手的逆运动学求解。在已知作业目标的位置 情况下，首先判断该目标位置是否在机械手的作业空间内，如果在机械手的 作业空间范围内，水下机器人不作任何运动，系统则转化为三自由度机械手 的运动；如果不在机械手的作业空间范围内，则从作业目标的位置中分别减 掉机械手能实现