水下机器人-机械手系统的动力学分析

随着我国海洋开发事业的发展，水下机器人操作手在水下勘探、水下采矿、海洋石油工程等领域发挥着越来越重要的作用。本文提出了一种运用指数积公式和凯恩方程对水下机器人机械手系统进行了动力学建模的新方法。采用该方法可以在同一个坐标体系中描叙系统的运动学，而且在建立动力学模型中可以避免大量的求导运算，并可以得到最少数目的微分方程。模型中考虑了海水的拖曳阻力、机器人与机械手之间的相互作用、推进器推力等因素。研究表明指数积-凯恩方法是一种建立水下机器人-机械手的一种有效方法。     

计及非完美运动副的移动并联机械手动力学分析

由于配合公差、设计及制造偏差等因素影响,导致机械手运动副间隙客观存在。而运动副间隙又可诱发系统冲击、振动,导致系统动力学性能下降(机械手动力学性能直接影响系统末端执行器轨迹跟踪精度)。针对具有间隙、摩擦运动副的移动并联机械手动力学性能进行相关研究。基于弹性Hertz理论、LuGre摩擦模型与关节支反力,系统构建运动副间隙约束与力学模型。为了便于采用多体动力学分析系统力学性能,首次提出、采用碰撞冲击方向矩阵,将间隙运动副力学模型转化为外力,进而依次系统构建移动并联、双串联机械手动力学模型。针对不同运动副间隙量、跟踪轨迹、负载等参数,进行动力学性能数值仿真,并对结果进行比较与分析,探讨了计及计及非完美运动副的移动并联机械手动力学分析的工程意义。     

基于小脑模型关节控制器的水下机械手复合运动控制的研究及仿真

水下机械手系统是一个高度非线性强耦合的作业系统,作业环境非常复杂且受到强干扰.考虑水动力对水下机械手的作用,推导了水下机械手的动力学模型;提出了一种基于小脑模型关节控制器与PID的复合控制算法,使水下机械手具有在线学习能力,能适应复杂的水下作业环境.以二关节水下机械手为例,利用MATLAB/Simulink对水下机械手的作业控制进行了仿真研究,结果证明,该控制方法和动力学模型可以有效地用于水下机械手的控制研究.     

水下机械手结构设计与研究

为了研究海洋环境下水下机械手智能控制相关技术,在分析了水下机械手工作环境及作业性能的基础上,研制了三自由度无人无缆自主式水下机器人用机械手实验样机.在分析了关节关键器件的基础上,进行了水下机械手驱动方式的设计,最后进行了水密性实验.水下水密性实验结果证明了水下机械手本体结构设计的有效性和可行性,水下机械手本体结构的设计为研究水下机械手智能控制相关技术搭建了实验平台.     

三自由度水下机械手研制

为了研究无人无缆自主式水下机器人的深海作业性能,在分析了水下机械手工作环境及作业性能的基础上,研制了三自由度水下机械手。在考虑了本体材料、耐压壳体形状、水密接插件和关节走线形式等基础上,进行了水下机械手的本体结构设计,同时也对水下机械手的关节驱动方式进行了研究。为了实现对水下机械手的有效控制,采用上位机和下位机两级控制方式,并完成了硬件和软件设计。最后进行了实验调试,其结果表明了所研制的水下机械手满足设计要求。     

流干扰下的水下机械手动力学建模分析

研究了四功能深海电驱动机械手所受的水动力。以Morison公式为计算基础,利用拉格朗日方法,建立了流干扰下的水下机械手动力学模型。仿真研究了水阻力、浮力、定常流以及非定常流对水下机械手动力学的影响。结果表明,在各水动力影响因素中,浮力影响最大,流干扰次之,而水下机械手运动搅水引起的水动力甚微。     

水下欠驱动机械手结构设计与仿真分析

面向水下机械手深海作业环境,研究设计了一种可用于水下环境的欠驱动机械手,机械手共有3个手指,每个手指有3个关节,是由连杆传动的欠驱动手指,欠驱动使手指抓取具有自适应性。分析了手指运动机理,研究设计了手指模块和整体结构,对手指进行了抓取静力学分析,在ADAMS软件中对机械手进行动力学仿真,验证了机械手结构的合理性与可行性。     

水下七功能电动机械手设计研究

以适用于水下自主作业的电动机械手为研究对象,通过设计一个具有六自由度和夹钳剪切功能机构,组建了一个水下自主作业七功能电动机械手。机械手主要包括三个基本运动模块和一个夹钳剪切模块,具有质轻,作业范围大,回收状态良好等特点;机械手实现了内部走线,深海密封作业,关节绝对位置的检测和高精度控制。介绍了水下七功能电动机械手的整体结构,典型运动模块结构和工作原理,并对机械手进行运动学分析及作业空间分析,对其关键关节进行静力学分析,动力学仿真和有限元分析,验证机械手结构设计的可行性。     

五自由度移动机械手的动力学建模与仿真

设计了用于危险化工原料在管道运输和反应容器中泄漏修补的移动机械手。该系统由移动平台和固接在其上的五自由度关节机械手构成。采用牛顿-欧拉方法建立该机械手的动力学模型,并考虑了平台运动时在机械手上产生的惯性力对模型的影响。最后使用ADAMS软件对样机模型进行了仿真验证。     

水下机械手动力学模型及力矩影响研究

现阶段关于核电站多功能水下爬行机器人在水中运动受浮力、水阻力和附加质量力综合影响的动力学分析研究较少,因此综合考虑上述因素提出了微分变换法构建机械手简化水动力学模型并进行了仿真分析,同时研究了不同水阻力系数和附加质量力系数对水下机械手力矩的影响。仿真结果表明:在静水环境中,浮力力矩是搅水力矩的100倍;附加质量力系数对水下机械手搅水力矩的影响曲线吻合度高于水阻力系数,即附加质量力系数的影响小于水阻力系数。     

水下机器人-机械手系统研究进展：结构、建模与控制

水下机器人-机械手系统（Underwater vehicle-manipulator systems，UVMS）可以完成除观测之外的水下采样、抓取、操作等任务，在海洋科学考察、海洋工程等领域得到广泛应用。通过对近年来国内外UVMS的研究现状进行综述，介绍了不同的UVMS本体结构与机械手构型，总结了UVMS的运动学、动力学和水动力学的建模方法，分析了人机交互式遥控操作控制方式，针对UVMS的自主控制中的运动规划、位置与轨迹跟踪、独立与协调控制、运动补偿控制、力/位置混合控制、视觉伺服控制等问题做了分类阐述。最后总结并对UVMS未来发展方向进行了展望，以期为相关研究人员提供参考。     

基于关节限位的自治水下机器人机械手系统运动规划研究

对自治水下机器人搭载的四功能水下电动机械手进行了简要描述.考虑到自治水下机器人机械手系统的运动学冗余,将关节限位算法用于系统逆运动学求解,避免载体大幅度姿态变化.利用Matlab仿真表明该算法在解决系统冗余的同时有效的限制了关节位移.     

水下大臂展机械手动力学建模与仿真分析

面向水下环境大范围精细作业需求,对水下大臂展机械手系统进行动力学建模和关节驱动力矩求解分析。首先,基于D-H理论对水下大臂展机械手进行正、逆运动学分析,求解各连杆速度与加速度;然后,构建水下大臂展机械手的动力学模型,使用莫里森公式和D-H理论完善动力学模型中的水动力项,采用拉格朗日法求解整机的净浮力、惯性力、离心力、科氏力与末端负载力项,得出各关节所需驱动力矩和关节角、环境水流速度以及末端负载之间的函数关系;最后,针对具体作业场景,得出环境水流速度、目标负载转运下机械手各关节所需驱动力矩,为水下大臂展机械手设计提供理论支撑。     

轻量级电驱水下机械臂设计与运动学分析

设计了一款四功能水下机械臂，并对驱动关节进行了模块化设计和密封测试。为了保证水下机械臂的可靠性，在水下机械臂水下测试前，进行了强度校核和模态分析。为了验证水下机械臂的性能，通过 Ｄ- Ｈ法建立了其运动学模型，在此基础上分别进行了正、逆运动学分析。此外还采用蒙特卡洛法，在正运动学分析的基础上研究了工作空间特点。研究结果将为进一步的运动控制提供有益的帮助。     

面向水下作业的水液压机械手研究与展望

水液压技术在水下作业环境中具有鲜明的技术优势,在海洋探测、海洋资源开发等领域具有广阔的应用前景。水下机械手是执行水下作业任务的重要工具,将水液压技术应用于水下作业机械手,可降低水下机器人-机械手系统的复杂程度、提高性能上限。通过阐述当前国内外各研究机构针对不同应用场景所研制水下机械手的结构特点、研究水平和商业化发展现状,对比分析不同驱动形式的优缺点及其对水下机械手性能和设计要点的影响,得出水液压驱动水下机械手是当前水下作业工具的最佳选择。在此基础上分析了水液压机械手设计中需解决的摩擦与润滑、材料、动力学模型、运动控制等关键技术问题,最后对水液压机械手未来发展的趋势进行了展望,以期为相关研究提供参考。     

垂直平面三杆柔性机械手动力学建模及仿真

为解决柔性机械手动力学建模常用的有限元等方法导致模型精度不高的问题,将柔性机械手视为连续整体,用矢量法建立了机械手的动力学模型。对比了矢量法和FEM法建立的动力学模型以及理想状态下机械手刚体动力学模型的仿真结果。对比结果表明,用矢量法建立的柔性机械手动力学模型是可行的,精度也较高。     

Model Based Adaptive Control and Disturbance Compensation for Underwater Vehicles

Underwater vehicles are being emphasized as highly integrated and intelligent devices for a significant number of oceanic operations. However, their precise operation is usually hindered by disturbances from a tether or manipulator because their propellers are unable to realize a stable suspension. A dynamic multi-body model-based adaptive controller was designed to allow the controller of the vehicle to observe and compensate for disturbances from a tether or manipulator. Disturbances, including those from a tether or manipulator, are deduced for the observation of the controller. An analysis of a tether disturbance covers the conditions of the surface, the underwater area, and the vehicle end point. Interactions between the vehicle and manipulator are mainly composed of coupling forces and restoring moments.To verify the robustness of the controller, path-following experiments on a streamlined autonomous underwater vehicle experiencing various disturbances were conducted in Song Hua Lake in China. Furthermore,path-following experiments for a tethered open frame remote operated vehicle were verified for accurate cruising with a controller and an observer, and vehicle and manipulator coordinate motion control during the simulation and experiments verified the effectiveness of the controller and observer for underwater operation. This study provides instructions for the control of an underwater vehicle experiencing disturbances from a tether or manipulator.     

基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法

针对当前机械臂运动位置控制方法存在机械臂关节节点位置的跟踪效果差和机械臂运动位置控制能力差的问题,提出基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法。首先对机械臂动力学进行分析,获取内部三连杆结构作用原理和机械臂动力学目标函数,再利用坐标求权矩阵重构机械臂动力学目标函数,获取机械臂相关的非线性微分方程,将非线性微分方程的输出结果,即机械臂动力学参数代入 CPG 神经网络中,构建机械臂运动控制模型。实验结果表明,所提方法的械臂关节节点位置跟踪效果好、机械臂运动位置控制能力强。