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【中文3150字】国际控制会议，仪器仪表和机电工程（CIM07）Johor Bahru，Johor,，Malaysia，5月28-29,2007水下机器人的理论和设计问题Irfan Abd Rahman,Surina Mat Suboh, Mohd Rizal Arshad马来西亚理科大学摘要在本文中，我们将讨论水下机械手设计的理论和实现面临的问题。这是以前的研究人员在工作中提取的信息的方法。本文介绍了一些建模参数，这是通常包含在水下机器人的外观设计，增加质量，增加科里奥利力，阻力和浮力。模拟所有这些参数使用MATLAB通过修改一些运行代码，是由彼得柯克通过他的机器人工具箱完成的。通过对一个土地基础的设计和水下机械手的设计进行了比较， 作为水下机械手需要执行其工作添加参数，指出增加转矩要求做出类似的运动关节链接。在本文中，我们使用了彪马560配置，这作为我们的手动工具的机器人工具箱内部生成的。本文给出了提高和改进的下一个方向。1介绍探索海洋已经成为一个新兴的研究领域，由于许多资源位于深海之下。深海勘探给人类带来了不同的挑战，因为人类不能够承受一些严酷的条件，因此为了避免在深海中的人为因素干预，机器人的研究已进入深海。当前热门的研究领域主要集中在AUV（自主水下载具）的开发和部署。AUV的一些应用程序能让水下机器人操纵自己进入深海。这将消除人类被暴露在危险环境中的水下勘探,包括检查。水下机器人配备了照相机来执行其检查周围覆盖面积。预计水下AUV将在未来取代人类从事海洋探险，并在减小危险中起到至关重要的作用。机械手的设计和应用是深入到另一个领域的研究,将使机器人复制人类的手臂和手的功能。各个实用的应用程序已被研究如拧紧装配零件等。机械手的设计通常由它能够执行或“操纵”本身的度数决定,或换句话说是DOF(自由度)。自由度是指机械手拥有的基本关节的数量。机械手的自由度数字越高意味着移动更加灵活。接头可以分为两种不同的类型：棱柱和回转。柱状关节使关节平移运动而转动关节可以使关节做旋转运动。水下机器人机械手系统（UVMS）在机器人研究界得到普及，因为它提供了水下机器人更大的灵活性和更广泛的应用。更多的应用程序使以前需要制导武器的人由更灵巧的机械手取代。操纵器能够执行各种任务，如从海床，钻床拿起对象，加入零件和零件的组装都配备了水下机器人。由于这样的事实，即它必须考虑水下存在的流体力学，更好的设计与使用现存的机械手是唯一可能的事。水下机器人机械手系统在感兴趣的研究者中构成了不同的挑战。这包括增加的质量，浮力，阻力和摩擦。由于从流体动力学添加效应，这将改变机械手的动力学。这篇文章的目的是讨论一些包括装备水下车辆与机械手的设计问题。本文着重给出了对五个方面的设计标准：自由度、工作区范围、末端执行器的最大速度和可重复性、操纵器的精度。在本文中,我们进行了模拟以显示水下机械手和表面机械手的区别，包括水动力效应的机械手的动态功能。在这个测试中我们使用6自由度的转动关节对配置的所有复制末端执行器进行定位。所有的连接参数被正确地指定，如力矩的惯性张量、重力齿轮比和摩擦。在参数模拟时改变质量变化的参数，也可联系浮力变化。利用机器人工具箱函数对MATLAB的工作区所有的模拟进行了研究。比较着重于转矩要求，以实现水下和表面机械手操作之间的位置的分配。通过使用逆动态算法牛顿欧拉法的递归得到的扭矩，基于关节的位置、速度和加速度计算出扭矩。通过公正的分析和模拟受到流体动力学影响的水下机械手的运动结论变化的多少，从而保证在水下机械手的设计中对这一因素有足够的考虑。通过利用电源模拟，我们能够观察到由于流体力学，我们的扭矩值等某些参数的变化的效果。这将确保机械手一个更好的设计。2.设计考虑水下机器人机械手系统在感兴趣的研究者中构成了不同的挑战是由于，事实上，它研究的流体力学存在于水下。在本文中注重的是对五个方面的设计：自由度、工作区范围内、承载能力、末端器最大速度和重复性、操纵器准确性。除此之外，了解动态运动的机械手的运动学是非常重要的。运动学是不考虑导致运动的力的研究。机械手的运动涉及几何的研究和基于时间的运动属性，特别是如何移动各个环节，并随着时间的推移相互对应。在机械手的路径规划中，更多的是使用逆运动学的解决方案，使关节角度达到指定的末端执行器的所需位置。该解决方案是关于Denavit-Hartenberg表示法确定联合链接参数。机械手动力学涉及运动方程，机械手动作响应扭矩应用的执行机构或外力。N-轴运动的操纵器一般方程为：如果附加质量、浮力、液压阻力和摩擦水下机械手的动态参数都会增加，当机器人在水下移动时，额外的力和力矩系数也会添加，围绕机器人的流体必然会促进机器人有效质量变化。这些系数是额外的（虚拟）的质量，由于力系数线性和角加速度增加如转动惯量和交叉耦合项等。水下具有n关节的机械手的运动方程如下：其中q是关节角的位置，M是惯性矩阵，C为科氏力，离心力，G代表重力包括浮力的影响，F是摩擦条件，D是机械手相对海流和海浪的速度造成的液压阻力，是向量，这实际上是应用关节力矩控制输入。2.1DOF（自由度）操纵器可以在3-D空间中执行的独立的运动的的数目被称为自由度的数量。机械手臂可以提供多个自由度,下面的图1展示的是先进的卡夫遥控机器人捕食者7。机械臂基本上有两种类型的运动：平移和旋转。即表示沿三个垂直轴直线运动，通过三轴指定主体的位置和角的旋转运动及绕主体的旋转方向。自由度由该机械手的任务决定。一个常见的设计策略是基于三自由度实现任意位置，并添加在一个3自由度球面手腕上以实现任意方向的运动。手头的任务通常并不需要一个完整的6 - DOF，例如：任务对象表现出对称时，或在没有工作区中的障碍，或简单的任务时，涉及有限的运动方向。很显然设计最低自由度的操纵实现任务是最佳的。这将减少成本、简化分析。大部分的商业水下机器人在水下航行器做安装操作。其中一些只设计很少的自由度，因为车辆本身也有它自己的自由度。然而，JASON有一个通用的六自由度机械手。图2显示了JASON的机械臂。图1：卡夫遥操作机器人系统“捕食者”-7图2：JASON的机械臂2.2工作范围一个机械手的工作空间被定义为一个操纵器的工作区中的空间体积，在该空间机械手是能够找到它的末端。因此，在这种分析中工作区是指在周围的水下。有时需要考虑工作区的形状。机械手的工作空间的特征是机械接头限制除了配置、链接长度和数量以外的机械手的自由度。被指定工作区存在或不存在的解决方案属于逆运动学问题。通过原点的端部区域，可以达到至少一个方向的效应子被称为可达工作空间（RWS）。如果工作空间中的一个点只在一个方向可以达到，末端器的可操作性是非常差，只用一个固定的方向是不可能符合任何实际工作要求的。因此，它必须找到可以达到在一个以上的方向的点工作区。末端可以达到每点所有的方向的空间被称为灵巧工作区（DWS），如果一个特定的机械手可确定构成，没有解决方案，这种配置被称为“奇异”。分为奇异性的边界和或内部的奇点。对应于这些奇异点代表在工作区中的奇异表面的表面补丁。因为奇异的表面是移动操纵器的不可能的前端沿，无论选择哪个关节率，它们是操作期间应被避免。任何位于一个奇异表面上的点都将具有零可操作性。2.3承载能力电动机的大小、关节和链接的结构完整性决定了机器人的负载。对于相同的结构完整水平，作为工作区的体积增大，有效载荷能力会下降。2.4末端执行器的最大速度机械手比单纯自动化或人工可以实现更快、更可行地完成任务。周期时间是达到一个完整的移动花费的时间，是一个与速度有关的函数，而且还可能与加速在加速和