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水下机械臂设计及运动控制技术研究

水下机械臂设计及运动控制技术研究

作者：赵立德齐鲁工业大学

学位级别：硕士

随着海洋装备技术的快速发展,作为水下机器人最重要的末端执行机构,复杂的作业环境以及多种多样的作业任务对水下机械臂的结构、材料、密封和控制等理论技术有着更高的要求。水下机械臂是一个典型的高非线性、强耦合以及多输入多输出的... 详细信息

随着海洋装备技术的快速发展,作为水下机器人最重要的末端执行机构,复杂的作业环境以及多种多样的作业任务对水下机械臂的结构、材料、密封和控制等理论技术有着更高的要求。水下机械臂是一个典型的高非线性、强耦合以及多输入多输出的机电一体化系统,无论是采用机理建模方法还是采用系统辨识方法,系统不确定性必然存在,不规则的洋流使得系统同时面临着复杂的外部扰动。因此,本文以六自由度水下机械臂为研究对象,从其整体设计方案入手,系统全面地分析其运动学模型和动力学模型,利用非线性控制、模糊逻辑系统等理论和技术,保证水下机械臂运动控制系统具有优异的控制品质。主要内容如下:(1)设计水下机械臂的整体方案,确定详细参数,利用SOLIDWORKS构建虚拟样机。在MATLAB/App Designer中开发运动控制平台,并完成驱动关节的外协加工,基于运动控制平台进行水密性测试,利用ANSYS Workbench对水下机械臂强度校核和模态分析,验证整体设计方案的合理性。(2)解析水下机械臂模型的运动学方程,利用MATLAB编写运动学求解函数,结合MATLAB/Robotics Toolbox内置的运动学求解函数和蒙特卡洛法描述的可达工作空间,验证运动学方程的正确性。利用MATLAB/Simulink建立水下机械臂运动学仿真模型,计算关节角度输入与输出误差,进一步确认运动学方程的准确性。采用五次多项式插值法对水下机械臂关节空间进行轨迹规划,确保水下机械臂运动轨迹的平滑性与柔顺性。(3)针对六自由度水下机械臂动力学模型复杂的问题,将本文满足Pieper准则的三维模型,简化为末端具有质量连杆和载荷的三自由度水下机械臂模型;采用Lagrange方程法,结合流体力学理论,给出水下机械臂的动力学方程。利用ADAMS动力学仿真,分析浮力和水动力因素对关节驱动力矩的影响;结合MATLAB分析实际轨迹与期望轨迹误差,验证动力学模型的相对准确性。(4)利用模糊逻辑系统解决建模不准确和不可预测扰动的实时估计和动态补偿问题,提出一种基于改进的有限时间非奇异终端滑模面的水下机械臂轨迹跟踪控制算法,利用有限时间Lyapunov稳定性判据进行控制器稳定性分析,采用计算机仿真验证控制算法的有效性。

关键词：水下机械臂系统建模运动控制滑模控制

基于自适应反正切非奇异终端滑模的水下机械臂轨迹跟踪控制

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控制与决策 2024年

作者：范亚洲孙林祥白雪剑赵艺楠惠晓龙王宇广东电网有限责任公司电力科学研究院哈尔滨理工大学自动化学院辽宁工业大学电气工程学院中国科学院自动化研究所

针对水下机械臂的末端轨迹跟踪控制问题,提出一种自适应快速反正切非奇异终端滑模控制器.首先,基于莫里森方程建立考虑水作用效应的水下机械臂动力学模型;其次,结合非奇异终端滑模控制和反正切函数特性,设计了一种快速反正切非奇异终端... 详细信息

针对水下机械臂的末端轨迹跟踪控制问题,提出一种自适应快速反正切非奇异终端滑模控制器.首先,基于莫里森方程建立考虑水作用效应的水下机械臂动力学模型;其次,结合非奇异终端滑模控制和反正切函数特性,设计了一种快速反正切非奇异终端滑模控制器,并基于径向基神经网络预测了系统的未知扰动;然后,通过李雅普诺夫理论验证了所提控制方法可在有限时间内收敛到期望位置;最后,通过仿真实验验证了所提控制方法的有效性.

关键词：水下机器人水下机械臂滑模控制自适应控制轨迹跟踪

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中性浮力水下机械臂关键技术研究

载人航天 2024年第1期30卷 74-80页

作者：杨健韩亮亮晁建刚浣上王卫军张崇峰上海宇航系统工程研究所上海201108 上海市空间飞行器机构重点实验室上海201108 中国航天员科研训练中心北京100094

水下机械臂可为航天员中性浮力训练提供转运和定点支持功能,提高训练过程的连贯性和效率。针对水下密封、中性浮力配平和防腐蚀3项水下机械臂关键技术,提出了采用多重冗余密封、浮力块与关节外壳赋形设计的技术方案,选用钛合金和双相不... 详细信息

水下机械臂可为航天员中性浮力训练提供转运和定点支持功能,提高训练过程的连贯性和效率。针对水下密封、中性浮力配平和防腐蚀3项水下机械臂关键技术,提出了采用多重冗余密封、浮力块与关节外壳赋形设计的技术方案,选用钛合金和双相不锈钢材料提升了机械臂的防腐蚀性能。研制的水下机械臂产品参与出舱活动训练已超过2年,最长在水下连续使用超过226天,工作状态良好,保证了空间站出舱活动水下试验的质量与有效性。

关键词：空间站出舱活动失重模拟水下机械臂

基于非线性动力学模型补偿的水下机械臂自适应滑模控制

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清华大学学报（自然科学版） 2023年第7期63卷 1068-1077页

作者：付雯温浩黄俊珲孙镔轩陈嘉杰陈武冯跃段星光北京理工大学机电学院北京100081 中国广核集团有限公司中广核研究院有限公司深圳518000

为满足特大型水利水电工程中的大直径超长距离引水隧洞定期检测的重大需求,智能化水下机器人系统成为当前的研究热点。为提高水下机械臂建模的准确性与控制能力的精准性,该文首先提出一种融合Newton-Euler方程、Morison方程与非线性摩... 详细信息

为满足特大型水利水电工程中的大直径超长距离引水隧洞定期检测的重大需求,智能化水下机器人系统成为当前的研究热点。为提高水下机械臂建模的准确性与控制能力的精准性,该文首先提出一种融合Newton-Euler方程、Morison方程与非线性摩擦力的水下机械臂动力学模型建模及参数辨识方法,并在补偿已辨识模型的基础上,设计了一种利用径向基函数(radial basis function,RBF)神经网络补偿系统未建模与建模误差的自适应滑模控制方法。通过仿真,该文证明了该方法比传统比例积分微分(proportional integral differential,PID)控制和一般RBF网络自适应滑模控制具有更高的控制精度。

关键词：水下机械臂动力学参数辨识径向基函数神经网络补偿自适应滑模控制

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水下机械臂涡激振动测试装置创新设计

制造技术与机床 2022年第10期 133-139页

作者：刘鑫段德荣高常青张辉杨学峰韩青济南大学机械工程学院山东济南250022

拖曳水池是研究大型结构水动力性能的主要实验设施,为了揭示水下机械臂涡激振动响应,解决传统涡激振动装置调速形式单一、不能连续测试等问题,利用TRIZ和AHP(层次分析法)创新设计了一种适用于水下机械臂涡激振动测试装置。首先,对涡激... 详细信息

拖曳水池是研究大型结构水动力性能的主要实验设施,为了揭示水下机械臂涡激振动响应,解决传统涡激振动装置调速形式单一、不能连续测试等问题,利用TRIZ和AHP(层次分析法)创新设计了一种适用于水下机械臂涡激振动测试装置。首先,对涡激振动测试装置进行技术成熟度预测、系统分析,确定了现有涡激振动测试装置的发展趋势、存在问题。然后,利用冲突矩阵进行技术冲突求解,获得了3种备选的创新性方案。最后,通过AHP在3种创新设计方案中确定了最佳方案,将一般解转换成特殊解,创新设计了可营造均匀流及剪切流多种流场的水下机械臂涡激振动测试装置,实现了水下机械臂单一装置下多流场涡激振动测试。

关键词：水下机械臂涡激振动拖曳水池 TRIZ

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水下机械臂建模及其运动控制研究

水下机械臂建模及其运动控制研究

作者：裴香丽河北工业大学

学位级别：硕士

随着陆地资源逐渐枯竭,越来越多的人将目光投向亟待发掘的海洋资源。现有海洋资源的发掘,大多采用人工方式,耗时耗力,稍有失慎就会发生安全事故,造成人员伤亡。因此可搭载于各类水下平台代替人工完成海洋任务的水下机械臂逐渐得到人们... 详细信息

随着陆地资源逐渐枯竭,越来越多的人将目光投向亟待发掘的海洋资源。现有海洋资源的发掘,大多采用人工方式,耗时耗力,稍有失慎就会发生安全事故,造成人员伤亡。因此可搭载于各类水下平台代替人工完成海洋任务的水下机械臂逐渐得到人们的广泛关注,应用水下机械臂代替人工也是未来海洋开发任务的主流发展趋势。本文针对水下机械臂建模及其运动控制等问题展开了相关研究。本文的主要研究内容和创新性成果如下:1.综合考虑实际工况水体环境,结合Morison经验公式,采用分解计算方法构建包含静水与定向流环境综合干扰的水下机械臂水动力学模型,获得机械臂各关节的水阻力矩和附加质量力矩等水动力参数。在此基础上开展了数值模拟,为进一步构建水下机械臂的动力学模型奠定基础。2.对水下机械臂的位姿进行了描述,依据D-H参数法搭建了其关节连杆坐标系,推导出正逆运动学方程与雅各比矩阵,同时通过数值模拟对正逆运动学模型的无误性进行检验。结合运动学模型并引入水动力学模型,采用Lagrange方程分析计算得到水下机械臂在静水与定向流环境综合扰动下基于水动力学模型的动力学模型,便于水下机械臂的控制计算。3.基于上述引入水动力后机械臂的动力学模型,首先采用适合于现有动力学模型且算法简单便于实现的计算力矩PD控制方法,进而引入RBF神经网络,对浮力、水阻力和附加质量力分别进行在线逼近,利用鲁棒自适应控制律对时变参数以及非结构非线性且不确定性的影响进行补偿,并将补偿结果加入计算力矩PD控制律中,数值模拟结果证实了该方法精确度高且鲁棒性好。以此为基础,将被视为纯刚体的末端机械臂杆的微变形考虑在内,建立末端微变形机械臂的PDE动力学模型,构造RBF神经网络补偿器,设计相应的边界计算力矩PD控制律,在保证精度的同时有效抑制末端机械臂的变形。4.完成了多自由度水下机械臂的设计与组装,搭建了水下机械臂系统的实验平台,由水密性实验阐明了多自由度水下机械臂优良的密封性。在此基础上,开展了空气、静水与模拟定向流三种不同工况下的实验,通过运动控制实验充分证实了本文关于水下机械臂建模与控制方法设计的合理性。

关键词：水下机械臂水动力学模型动力学模型 RBF神经网络控制方法

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水下机械臂控制方法与系统仿真研究

水下机械臂控制方法与系统仿真研究

作者：高阳西安理工大学

学位级别：硕士

水下机械臂在海洋资源的开发和利用中扮演着越来越重要的角色,但水下环境复杂多变,建立动力学模型需要考虑水流扰动、摩擦干扰等因素。现有控制方法使用一种算法逼近动力学模型中两种不同类型的参数,导致控制精度不高。除此之外,水下机... 详细信息

水下机械臂在海洋资源的开发和利用中扮演着越来越重要的角色,但水下环境复杂多变,建立动力学模型需要考虑水流扰动、摩擦干扰等因素。现有控制方法使用一种算法逼近动力学模型中两种不同类型的参数,导致控制精度不高。除此之外,水下机械臂系统设计具有开发时间长、效率低和成本高的特点。针对以上问题,本文首先建立精准的水下机械臂动力学模型,进而提出采用RBF(Radial Basis Function)神经网络和模糊控制分别逼近动力学模型中两类参数的控制方法,最后基于ROS构建水下机械臂仿真系统并进行实验。主要研究内容如下:首先,针对水下机械臂受到水流与其它扰动影响的问题,建立了水下机械臂的运动学方程与精准的动力学模型,研究了关节摩擦对控制系统的影响。分析水下机械臂关节间坐标变换关系,建立机械臂水下运动学方程。采用Lagrange动力学理论建立一般机械臂的动力学模型,基于Morison方程分析机械臂在水下环境的受力情况,将两者结合进而建立水下机械臂的动力学模型。通过分析多种摩擦模型特点,研究关节摩擦对控制系统性能的影响,总结了现有对摩擦补偿的控制方法。然后,针对现有控制方法对水下机械臂动力学模型参数逼近效果不佳,会导致控制精度不高的问题,提出基于分块RBF神经网络和模糊摩擦补偿的滑模变结构控制方法。该控制方法在滑模变结构控制的基础上,对水下机械臂动力学模型中参数的不确定项使用四个RBF神经网络进行逼近,对未知的关节摩擦项使用模糊控制进行补偿,并将滑模控制律中的符号函数替换为双曲正切函数。与其它控制方法进行对比仿真,实验结果表明此控制方法响应时间更短、误差更小,并抑制了滑模控制的抖振。最后,针对水下机械臂系统开发难度大、代价高的问题,通过研究水下机械臂系统的组成结构,使用仿真方式实现了水下机械臂系统的开发与调试。建立水下机械臂的URDF(Unified Robot Description Format)模型和包含关节摩擦和水动力项的SDF(Simulation Description Format)模型,采用本文控制方法配置rosontrol控制器,通过Rviz可视化水下机械臂系统规划的仿真运动轨迹,搭建Gazebo环境对水下机械臂的仿真运动轨迹进行SDF模型动力学仿真,完成水下机械臂系统的可视化仿真和动力学仿真。

关键词：水下机械臂动力学建模 RBF神经网络模糊补偿系统仿真

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水下机械臂水动力性能分析

水下机械臂水动力性能分析

作者：任善彬济南大学

学位级别：硕士

随着对海洋的不断探索与发展,水下机械臂被广泛应用于水下采集,海洋探测,水下设备维护等方面。与陆上机械臂相比,水下机械臂在工作过程中不仅要克服本身的重力及有效载荷,还要克服由水环境引起的水动力和水力矩的影响,这无疑为水下机械... 详细信息

随着对海洋的不断探索与发展,水下机械臂被广泛应用于水下采集,海洋探测,水下设备维护等方面。与陆上机械臂相比,水下机械臂在工作过程中不仅要克服本身的重力及有效载荷,还要克服由水环境引起的水动力和水力矩的影响,这无疑为水下机械臂的精准控制提高了难度。针对以上问题,本文开展基于计算流体力学的水下机械臂水动力学研究,探究水流环境以及水下机械臂姿态对水下机械臂水动力的影响规律。本文的主要研究内容如下:首先,在只考虑端面绕流的情况下,对水下机械臂模型进行了仿真计算,探究水流速度与水下机械臂姿态对水动力系数（阻力系数C、升力系数C、力矩系数C）、压力系数Cp和斯特劳哈尔数St的影响。结果表明,水流速度在一定范围内会使水动力系数和St增大,但当速度增大到使雷诺数处于超临界范围时,水动力系数与St将不会再有明显的变化。当水下机械臂姿态关于坐标轴或坐标原点对称时,其具有相同的水动力系数与表面压力系数分布。同时,在研究中发现半圆形前缘与直角形前缘相比,半圆形前缘会降低水动力系数的大小,也会使尾部更容易出现卡门涡街。然后,综合考虑侧边绕流与端面绕流对水下机械臂的影响,对水下机械臂三维模型进行数值模拟。结果表明,在流体流经水下机械臂时,侧边绕流与端面绕流同时存在又互相影响。侧边绕流是流体通过水下机械臂的主要方式,但是端面流体的轴向流动会对端面附近的漩涡脱落产生影响。随着水下机械臂的转动,端面流体的轴向流动会发展到整个臂段,从而使整个臂段的尾流场不再存在漩涡脱落。通过分析不同姿态下水下机械臂的水动力系数可以发现,当水下机械臂姿态关于坐标轴或坐标原点对称时,其具有近乎相同的水动力系数与表面压力系数分布。最后,对水下机械臂进行双向流固耦合计算,并将结果与无耦合时进行比较。通过分析不同流速下的水下机械臂的水动力系数可知,当雷诺数处于6×10～3≤Re≤3×10～4的范围时,随着水流速度的增加,水动力系数逐渐较小,而St是逐渐增大的。通过分析有无流固耦合时的结果发现,结构体因流体作用而产生的变形会使端面流体的轴向流动距离变短,且顶端处的涡量增大。同时,这种变形还会导致水下机械臂的水动力系数的减小,且水动力系数的减小幅度随着变形量的增大而增大。

关键词：水下机械臂水动力系数压力系数流固耦合

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水下机械臂涡激振动响应特性研究

水下机械臂涡激振动响应特性研究

作者：程钰珺济南大学

学位级别：硕士

为响应国家自然资源助力海洋经济高质量发展的重要指示,合理探测和利用海洋资源势在必行,水下机械臂的应用顺应了时代发展需求。在海洋工程中,水下机械臂工作时会与海洋波浪和洋流产生相互作用,因此涡激振动会导致机械臂出现定位误差、... 详细信息

为响应国家自然资源助力海洋经济高质量发展的重要指示,合理探测和利用海洋资源势在必行,水下机械臂的应用顺应了时代发展需求。在海洋工程中,水下机械臂工作时会与海洋波浪和洋流产生相互作用,因此涡激振动会导致机械臂出现定位误差、尾流紊乱以及寿命减少,从而造成经济损失和生态损失的后果。通过研究水下机械臂横截面绕流,分析截面形状、间距以及来流方向对亚临界范围内工作的水下机械臂所受流体作用力和流场特性的影响。结果表明,椭圆截面的升阻力系数分别比圆形截面低76.15%和51.30%。当下臂位于上游时,上臂的升力系数是下臂的3.4倍。随着来流方向角度的增加,下游椭圆截面的升力系数均方根值增加了1.5倍。研究亚临界范围内水下机械臂横截面涡激振动响应,分析水下机械臂的姿态与流场流速对机械臂涡激振动的影响。结果表明,水下机械臂运动轨迹关于Y轴对称,随着流速的增大运动轨迹在顺流向上向零点后方偏移。下臂位于第二象限时不仅自身位移较小,振动弱,后方圆形截面的位移也会降低。圆形截面的横流向位移基本是随着流速的增加而增大,而椭圆截面的横流向位移随着流速的增大而减小。最后,分析水下机械臂涡激振动响应。结果表明,末端的横向位移在各状态中都大于中点。随着臂2角度的增大,振幅逐渐减小,频率几乎保持同步。随着流速的增大,横向位移减小,振动频率降低,下臂末端的位移与中点位移差增大。在顺流中,末端比中点的横向位移增加了1.3倍,臂段间的振动频率差减弱。在逆流工况中,机械臂涡激振动响应增强,位移更大,然而中点位移的增长率比末端小,两个点达到同频振动状态。本文的研究内容将为揭示水下机械臂和其他海洋装备(如海洋立管与海底电缆等)的涡激振动特性提供理论指导,同时可以作为一项基础性研究为水下机械臂在海洋中的精确定位和精准捕捞提供帮助。

关键词：水下机械臂涡激振动振动特性亚临界区