水下作業(yè)機械手液壓系統(tǒng)及機械手控制技術研究.pdf

1、隨著陸地上不可再生資源的日益減少，對蘊含豐富能源、資源的海洋空間的探索和開發(fā)受到越來越多的國家的重視。水下作業(yè)機械手是水下機器人作業(yè)的必不可少的裝備，由于作業(yè)環(huán)境復雜以及自主性作業(yè)要求高等原因，使得水下作業(yè)機械手研究和實用化中面臨許多新的困難和問題。目前，水下機械手多為電動式或油液壓驅動式，由于電動式水下機械手的電機輸出端等需要動密封使得關節(jié)體積較大，而油液壓驅動式水下機械手則易造成泄漏污染，同時液壓驅動式機械手存在控制精度較低的問題。

2、因此，研究水液壓驅動的水下作業(yè)機械手及其控制技術具有重要的研究意義和實用價值。
　　本文主要研究以下內容：
　　（1）總結國內外油液壓驅動式及水液壓驅動式水下作業(yè)機械手的研究現(xiàn)狀，分析其各自的優(yōu)缺點，為本文水液壓驅動型水下作業(yè)機械手的研究奠定基礎；分析和總結目前水下機械手的控制方法，分析各種控制方法的優(yōu)缺點，為本文進行水下機械手的運動控制技術研究提供理論和技術支持。
　?。?）針對本文所設計的水下作業(yè)機械手的運動控制精

3、度指標，分析液壓系統(tǒng)所需達到的流量控制精度指標，分析水液壓傳動技術的特點，研究微小流量的控制和實現(xiàn)技術，為本文設計水下機械手的高精度水液壓系統(tǒng)提供理論參考和技術指導。通過分析本文研制的水下機械手的液壓系統(tǒng)所需實現(xiàn)的功能，對其水液壓系統(tǒng)進行了方案設計和改進，確定了機械手的水液壓系統(tǒng)方案。研制了雙向單柱塞泵作為機械手的水液壓系統(tǒng)的動力源，實現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的微小流量輸出。
　?。?）針對本文研制的水下機械手的液壓系統(tǒng)中雙向單柱塞泵的驅動電

4、機的控制方式，基于主從控制思想，設計控制系統(tǒng)的總體方案，重點對從控制器硬件電路進行模塊化設計。對本文研制的雙向單柱塞泵的驅動電機及其控制模塊、關節(jié)角度傳感器及位置信號采集模塊進行詳細分析和設計，兩控制模塊各采用一塊ARM微處理器作為信息處理的核心，提高信息處理效率和控制性能，且避免相互之間的干擾。以機械手硬件控制體系為應用平臺，設計主、從控制器的軟件控制體系結構，完成軟件編程。
　　（4）針對本文所研究的水下作業(yè)機械手，研究其運動

5、學及動力學性能，并進行軌跡規(guī)劃。針對本文研制的自由度冗余的機械手，建立其連桿坐標系，利用D-H法推導機械手的正向運動學方程，利用反變換法建立其逆向運動學方程；利用拉格朗日方法建立機械手的動力學方程，并考慮水動力等因素對機械手水下作業(yè)過程的影響，完善機械手的水下動力學方程；在機械手運動學及動力學模型的基礎上，分別采用五次插值函數(shù)和線性插值方法對機械手的展開和收回過程以及作業(yè)過程進行運動規(guī)劃研究。
　?。?）研究水下機械手的運動控制技

6、術，建立其單關節(jié)控制系統(tǒng)各組成部分及總體的數(shù)學模型，針對本文研制的液壓系統(tǒng)在起動及換向過程存在死區(qū)導致執(zhí)行元件動作滯后的現(xiàn)象，研究液壓系統(tǒng)的死區(qū)特性及水下機械手的死區(qū)補償控制技術。本文采用對常規(guī)PID控制器進行補償控制，通過在控制系統(tǒng)閉環(huán)內增加死區(qū)補償環(huán)節(jié)，使執(zhí)行元件快速地渡過死區(qū)。利用仿真實驗，驗證該控制方法能有效地減小液壓系統(tǒng)起動及換向時執(zhí)行元件動作滯后，提高響應速度及軌跡跟蹤精度；同時還分析了幅值和換向頻率對于不同控制器軌跡跟蹤性

7、能的影響。
　　（6）為了保證本文研制的水下機械手的液壓系統(tǒng)工作可靠，對其進行耐壓密封性能實驗研究，包括外壓靜態(tài)密封性和內壓靜態(tài)密封性以及動態(tài)密封性實驗。為確定液壓系統(tǒng)中的壓力損失情況，對液壓介質、管路長度、管路內徑對液壓系統(tǒng)壓力損失的影響進行實驗研究，并確定液壓系統(tǒng)最終采用的介質和管路尺寸系列。針對常規(guī)PID控制器和帶死區(qū)補償?shù)腜ID控制器，分別在陸上及水下進行階躍信號和正弦信號的軌跡跟蹤實驗研究，根據(jù)實驗結果，驗證本文采用的死