水下机械臂建模及柔顺控制方法研究
发布时间：2021-01-08 22:46
在陆地资源日渐减少的今天,扩大海洋资源的开发十分必要且紧迫。由于水下环境复杂多变,人们通常借助水下机器人搭载水下机械臂系统来完成深海探索和开发。水下机械臂是机电一体化设备,被广泛应用于勘探海洋资源、水下工程施工、海洋国防等领域,水下机械臂技术充分地反映了水下机器人的先进程度。不同于工作在空气中的机械臂,作业在水下的机械臂会受到水的粘滞阻力,有时还会受到海流的冲击力,仅对水下机械臂进行位置控制是不够的,还需要对水下机械臂进行柔顺控制。因此,研究水下机械臂的柔顺控制方法十分必要,是保障机械臂稳定作业的基础。本文针对一款水下机械臂,建立了水下机械臂的运动学模型和动力学模型,融合运动学分析及动力学分析设计了基于位置的关节阻抗控制策略,并通过仿真实验验证和分析了水下机械臂控制策略的正确性和稳定性。具体研究内容如下:首先,分析了水下机械臂的构型,利用D-H标准法建立了该机械臂的关节坐标系。详细推导了机械臂正逆运动学和雅克比公式,并在MATLAB机器人工具箱中搭建了机械臂的运动学仿真平台,得到了机械臂的工作空间,并验证了正逆解的正确性。其次,对水下机械臂进行了动力学分析,重点研究了水下机械臂的水动力...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国TITAN4水下机械臂美国KraftTelerobotics公司研发两款
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-置，因此目前市面上很多水下机械臂都是液压驱动的[13]。TITAN4是美国SchillingRobotics公司研发的七自由度深海机械臂，如图1-1所示，臂长约2米，有效承重122千克，极限水深可达7000米。自1987年以来，TITAN4一直是水下机械臂的行业标杆，被广泛应用于工业级水下机器人执行一些重载任务。如图1-2所示是英国Hydro-Lek公司研制的水下机械臂Hydro-lekHD5，该机械臂具有四个自由度，能在11000米水深下作业，该机械臂空重约22千克，水中约重16千克。由于该机械臂质量较轻，可以被安装在较小的无人潜水器上。图1-1美国TITAN4水下机械臂图1-2英国Hydro-lekHD5水下机械臂美国KraftTelerobotics公司研发两款深海水下机械臂Predator和Raptor在世界范围内享有盛名，工作水深可达6000米。如图1-3所示是六自由度深海机械臂Predator，空重约80千克，水中约重51千克。该机械臂抓举范围达到79英寸，具有高保真力反馈实验主从控制，能够在非结构环境下完成一系列复杂任务；如图1-4所示是七功能机械手Raptor，空重和水重同Predator近似，最大抓举重量可达227千克，具有很强的重载能力。图1-3美国Predator水下机械臂图1-4美国Raptor水下机械臂电驱动的水下机械臂省去了产生高压的液压缸机构，因而占用空间更孝组成元件更少，设备使用寿命更长。此外，电驱动的水下机械臂多使用直流无刷电机，可以实现精确的力和力矩控制，本质上等同于工业机械臂。由于电驱
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-置，因此目前市面上很多水下机械臂都是液压驱动的[13]。TITAN4是美国SchillingRobotics公司研发的七自由度深海机械臂，如图1-1所示，臂长约2米，有效承重122千克，极限水深可达7000米。自1987年以来，TITAN4一直是水下机械臂的行业标杆，被广泛应用于工业级水下机器人执行一些重载任务。如图1-2所示是英国Hydro-Lek公司研制的水下机械臂Hydro-lekHD5，该机械臂具有四个自由度，能在11000米水深下作业，该机械臂空重约22千克，水中约重16千克。由于该机械臂质量较轻，可以被安装在较小的无人潜水器上。图1-1美国TITAN4水下机械臂图1-2英国Hydro-lekHD5水下机械臂美国KraftTelerobotics公司研发两款深海水下机械臂Predator和Raptor在世界范围内享有盛名，工作水深可达6000米。如图1-3所示是六自由度深海机械臂Predator，空重约80千克，水中约重51千克。该机械臂抓举范围达到79英寸，具有高保真力反馈实验主从控制，能够在非结构环境下完成一系列复杂任务；如图1-4所示是七功能机械手Raptor，空重和水重同Predator近似，最大抓举重量可达227千克，具有很强的重载能力。图1-3美国Predator水下机械臂图1-4美国Raptor水下机械臂电驱动的水下机械臂省去了产生高压的液压缸机构，因而占用空间更孝组成元件更少，设备使用寿命更长。此外，电驱动的水下机械臂多使用直流无刷电机，可以实现精确的力和力矩控制，本质上等同于工业机械臂。由于电驱
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋结构物小尺度桩柱的水动力系数研究与进展[J]. 刘贵杰,王清扬,田晓洁,谢迎春. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]海洋强国怎样才能强起来[J]. 陈美慧. 前线. 2019(01)
[3]自主式水下机器人水下对接技术综述[J]. 郑荣,宋涛,孙庆刚,国婧倩. 中国舰船研究. 2018(06)
[4]水下机器人发展现状与发展趋势探究[J]. 刘晓阳,杨润贤,高宁. 科技创新与生产力. 2018(06)
[5]水下作业型机械手的关键技术及发展趋势研究[J]. 雷歌. 科技创新与应用. 2018(14)
[6]圆柱体惯性力系数和阻力系数随雷诺数和邱卡数变化曲线拟合[J]. 陈靖,朱克强. 舰船科学技术. 2014(02)
[7]水下机器人粘性类水动力数值计算方法研究[J]. 胡志强,林扬,谷海涛. 机器人. 2007(02)
[8]机器人位置/力混合鲁棒自适应控制[J]. 高道祥,薛定宇,陈大力. 系统仿真学报. 2007(02)
博士论文
[1]深水机械手动力学特性及自主作业研究[D]. 肖治琥.华中科技大学 2011
[2]具有力感知功能的水下灵巧手研究[D]. 王华.哈尔滨工程大学 2006
[3]智能神经网络的机器人控制理论方法研究[D]. 孙炜.湖南大学 2002
硕士论文
[1]具有吸附功能的飞行机器人结构设计及控制策略研究[D]. 周文婷.哈尔滨工业大学 2019
[2]水下机器人水动力学系数计算与操纵性能研究[D]. 王雪梅.山东大学 2018
[3]水下机械臂动力学分析与轨迹跟踪滑模控制[D]. 董永飞.大连理工大学 2018
[4]六自由度水下机械臂系统设计及试验[D]. 郭锐.哈尔滨工程大学 2018
[5]基于阻抗控制的机器人与未知环境接触力控制研究[D]. 谢博城.河北工业大学 2017
[6]串联机械臂柔顺控制方法研究[D]. 伊肇旭.东北大学 2017
[7]多连杆柔性关节机器人的动力学与控制算法研究[D]. 崔文.南京航空航天大学 2016
[8]水下作业机械手液压系统及机械手控制技术研究[D]. 刘兵.哈尔滨工程大学 2015
[9]水下机械手动力学分析及仿真[D]. 李琪.河北工业大学 2014
[10]小型水下机器人本体结构设计及水动力仿真[D]. 戴志光.扬州大学 2012
本文编号：2965447
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
美国TITAN4水下机械臂美国KraftTelerobotics公司研发两款
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-置，因此目前市面上很多水下机械臂都是液压驱动的[13]。TITAN4是美国SchillingRobotics公司研发的七自由度深海机械臂，如图1-1所示，臂长约2米，有效承重122千克，极限水深可达7000米。自1987年以来，TITAN4一直是水下机械臂的行业标杆，被广泛应用于工业级水下机器人执行一些重载任务。如图1-2所示是英国Hydro-Lek公司研制的水下机械臂Hydro-lekHD5，该机械臂具有四个自由度，能在11000米水深下作业，该机械臂空重约22千克，水中约重16千克。由于该机械臂质量较轻，可以被安装在较小的无人潜水器上。图1-1美国TITAN4水下机械臂图1-2英国Hydro-lekHD5水下机械臂美国KraftTelerobotics公司研发两款深海水下机械臂Predator和Raptor在世界范围内享有盛名，工作水深可达6000米。如图1-3所示是六自由度深海机械臂Predator，空重约80千克，水中约重51千克。该机械臂抓举范围达到79英寸，具有高保真力反馈实验主从控制，能够在非结构环境下完成一系列复杂任务；如图1-4所示是七功能机械手Raptor，空重和水重同Predator近似，最大抓举重量可达227千克，具有很强的重载能力。图1-3美国Predator水下机械臂图1-4美国Raptor水下机械臂电驱动的水下机械臂省去了产生高压的液压缸机构，因而占用空间更孝组成元件更少，设备使用寿命更长。此外，电驱动的水下机械臂多使用直流无刷电机，可以实现精确的力和力矩控制，本质上等同于工业机械臂。由于电驱
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-3-置，因此目前市面上很多水下机械臂都是液压驱动的[13]。TITAN4是美国SchillingRobotics公司研发的七自由度深海机械臂，如图1-1所示，臂长约2米，有效承重122千克，极限水深可达7000米。自1987年以来，TITAN4一直是水下机械臂的行业标杆，被广泛应用于工业级水下机器人执行一些重载任务。如图1-2所示是英国Hydro-Lek公司研制的水下机械臂Hydro-lekHD5，该机械臂具有四个自由度，能在11000米水深下作业，该机械臂空重约22千克，水中约重16千克。由于该机械臂质量较轻，可以被安装在较小的无人潜水器上。图1-1美国TITAN4水下机械臂图1-2英国Hydro-lekHD5水下机械臂美国KraftTelerobotics公司研发两款深海水下机械臂Predator和Raptor在世界范围内享有盛名，工作水深可达6000米。如图1-3所示是六自由度深海机械臂Predator，空重约80千克，水中约重51千克。该机械臂抓举范围达到79英寸，具有高保真力反馈实验主从控制，能够在非结构环境下完成一系列复杂任务；如图1-4所示是七功能机械手Raptor，空重和水重同Predator近似，最大抓举重量可达227千克，具有很强的重载能力。图1-3美国Predator水下机械臂图1-4美国Raptor水下机械臂电驱动的水下机械臂省去了产生高压的液压缸机构，因而占用空间更孝组成元件更少，设备使用寿命更长。此外，电驱动的水下机械臂多使用直流无刷电机，可以实现精确的力和力矩控制，本质上等同于工业机械臂。由于电驱
【参考文献】：
期刊论文
[1]海洋结构物小尺度桩柱的水动力系数研究与进展[J]. 刘贵杰,王清扬,田晓洁,谢迎春. 中国海洋大学学报(自然科学版). 2020(01)
[2]海洋强国怎样才能强起来[J]. 陈美慧. 前线. 2019(01)
[3]自主式水下机器人水下对接技术综述[J]. 郑荣,宋涛,孙庆刚,国婧倩. 中国舰船研究. 2018(06)
[4]水下机器人发展现状与发展趋势探究[J]. 刘晓阳,杨润贤,高宁. 科技创新与生产力. 2018(06)
[5]水下作业型机械手的关键技术及发展趋势研究[J]. 雷歌. 科技创新与应用. 2018(14)
[6]圆柱体惯性力系数和阻力系数随雷诺数和邱卡数变化曲线拟合[J]. 陈靖,朱克强. 舰船科学技术. 2014(02)
[7]水下机器人粘性类水动力数值计算方法研究[J]. 胡志强,林扬,谷海涛. 机器人. 2007(02)
[8]机器人位置/力混合鲁棒自适应控制[J]. 高道祥,薛定宇,陈大力. 系统仿真学报. 2007(02)
博士论文
[1]深水机械手动力学特性及自主作业研究[D]. 肖治琥.华中科技大学 2011
[2]具有力感知功能的水下灵巧手研究[D]. 王华.哈尔滨工程大学 2006
[3]智能神经网络的机器人控制理论方法研究[D]. 孙炜.湖南大学 2002
硕士论文
[1]具有吸附功能的飞行机器人结构设计及控制策略研究[D]. 周文婷.哈尔滨工业大学 2019
[2]水下机器人水动力学系数计算与操纵性能研究[D]. 王雪梅.山东大学 2018
[3]水下机械臂动力学分析与轨迹跟踪滑模控制[D]. 董永飞.大连理工大学 2018
[4]六自由度水下机械臂系统设计及试验[D]. 郭锐.哈尔滨工程大学 2018
[5]基于阻抗控制的机器人与未知环境接触力控制研究[D]. 谢博城.河北工业大学 2017
[6]串联机械臂柔顺控制方法研究[D]. 伊肇旭.东北大学 2017
[7]多连杆柔性关节机器人的动力学与控制算法研究[D]. 崔文.南京航空航天大学 2016
[8]水下作业机械手液压系统及机械手控制技术研究[D]. 刘兵.哈尔滨工程大学 2015
[9]水下机械手动力学分析及仿真[D]. 李琪.河北工业大学 2014
[10]小型水下机器人本体结构设计及水动力仿真[D]. 戴志光.扬州大学 2012
本文编号：2965447
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