深海液压机械臂的设计与分析

　　摘要

　　液压机械臂是深海智能精确作业的核心装置，是深海勘测和作业的关键工具，在落实我国海洋战略、建设海洋强国方面具有重要地位。论文在"中科院战略性先导A类科技专项"任务"智能精确作业模块研制"的支持下，以深海液压机械臂为研究对象，设计了机械臂的总体方案，分析了机械臂的运动学和轨迹规划，研究了液压关节三种控制算法。仿真和实验结果表明，系统设计和控制算法研宄满足研制深海液压机械臂的要求。论文的主要工作如下：

　　1.针对深海液压机械臂的设计问题，提出了机械臂总体、机械结构、关节密封、液压和控制系统等设计方案。计算了机械臂六个关节工作时所需的最大力矩，确定了各个关节执行器的型号，并在末端速度20mm/S目标参数的约束下做了仿真，结果表明设计方案可行。

　　2.针对深海液压机械臂的运动学问题，依据D-H参数建立了机械臂的运动学模型，采用变换矩阵法推导了机械臂正向运动学方程，利用解析解法求解了机械臂运动学逆解，并运用蒙特卡洛法分析了机械臂的工作空间。计算和仿真结果表明所设计的机械臂存在运动学逆解，且工作空间满足设计目标。

　　3.针对深海液压机械臂的轨迹规划问题，分析了关节空间中三次多项式插值法、五次多项式插值法，研宄了笛卡尔空间中的直线插补法、圆弧插补法，设计了基于5段S型加减速的轨迹规划。仿真结果表明基于5段S型加减速的轨迹规划计算量小且加速度连续，为机械臂运动控制提供了支撑。

　　4.针对深海液压机械臂的关节控制问题，建立了肩关节控制系统的数学模型，设计了经典比例积分微分（ProportionIntegrationDiferentiation,PID）、单神经元PID和前馈补偿PID的控制算法，并针对三种算法进行了仿真分析；最后采用经典PID控制算法针对肩关节系统做了实验，仿真和实验结果表明所设计的控制算法满足机械臂精度需求。

　　关键词：深海液压机械臂；运动学分析；轨迹规划；S型加减速；比例积分微分

abstract

　　Hydraulic manipulator is the core device of deep-sea intelligent and accurate operation. It is a key tool for deep-sea survey and operation. It plays an important role in implementing China's marine strategy and building a marine power. With the support of the task "development of intelligent and accurate operation module" of "strategic leading class a science and technology project of Chinese Academy of Sciences", taking the deep-sea hydraulic manipulator as the research object, this paper designs the overall scheme of the manipulator, analyzes the kinematics and trajectory planning of the manipulator, and studies three control algorithms of the hydraulic joint. Simulation and experimental results show that the system design and control algorithm research meet the requirements of developing deep-sea hydraulic manipulator. The main work of this paper is as follows:

　　1. Aiming at the design problem of deep-sea hydraulic manipulator, the design schemes of manipulator overall, mechanical structure, joint seal, hydraulic and control system are put forward. The maximum torque required by the six joints of the manipulator is calculated, the model of each joint actuator is determined, and the simulation is carried out under the constraint of the target parameter of end speed 20mm / s. The results show that the design scheme is feasible.

　　2. Aiming at the kinematics of the deep-sea hydraulic manipulator, the kinematics model of the manipulator is established according to the D-H parameters, the forward kinematics equation of the manipulator is deduced by the transformation matrix method, the inverse kinematics of the manipulator is solved by the analytical solution, and the workspace of the manipulator is analyzed by the Monte Carlo method. The calculation and simulation results show that the designed manipulator has inverse kinematics solution, and the workspace meets the design goal.

　　3. Aiming at the trajectory planning problem of deep-sea hydraulic manipulator, the cubic polynomial interpolation method and quintic polynomial interpolation method in joint space are analyzed, the linear interpolation method and circular interpolation method in Cartesian space are studied, and the trajectory planning based on 5-segment S-type acceleration and deceleration is designed. The simulation results show that the trajectory planning based on 5-segment S-type acceleration and deceleration has small amount of calculation and continuous acceleration, which provides support for the motion control of the manipulator.

　　4. Aiming at the joint control problem of deep-sea hydraulic manipulator, the mathematical model of shoulder joint control system is established, and the control algorithms of classical proportional integration differentiation （PID）， single neuron PID and feedforward compensation PID are designed, and the three algorithms are simulated and analyzed; Finally, the classical PID control algorithm is used to do experiments for the shoulder joint system. The simulation and experimental results show that the designed control algorithm meets the accuracy requirements of the manipulator.

　　Key words: deep sea hydraulic manipulator; Kinematic analysis; Trajectory planning; S-type acceleration and deceleration; Proportional integral differential

目录

　　第1章绪论

　　1.1 研究背景及意义

　　海洋占地球表面积的70%,拥有着极其丰富的生物、矿物和能源1-2].为了解决陆地上资源短缺的问题，人类开发利用太阳能、风能等新型能源的同时，也将目光转向了深海。进入21世纪后，开发利用海洋资源、深入探索深海奥秘成为展示国家综合国力的重要标志和展开国际合作的重要平台凹。面对当前的国际形势和我国的地理因素，探索开发海洋资源、建设海洋强国成为了我国重要的战略方向之一。

　　由于人类无法直接深入海底完成海洋资源的开采，因此能够适应深海环境的水下机器人成为了人类开发海洋资源的重要工具。到目前为止，全世界正在致力于水下机器人技术的研究与开发。伴随着水下机器人技术的发展，水下机器人的研究也获得了很多令人瞩目的成果。在全世界的共同努力之下，水下机器人已经成功应用到了包括工业、渔业、考古和军事等各个领域。

　　在水下机器人的研制方面，国外起步较早，美国、俄罗斯、德国、日本、加拿大等国家发展迅速，每个国家都有自己代表性的水下机器人。我国在这方面虽然起步较晚，但是近几年我国在海洋装备领域的投入不断提高，也开发出了一系列型号的水下机器人。水下机器人主要分为两大类：载人水下机器人（HumanOccupied Vehicle,简称HOV）和无人水下机器人（Unmanned Underwater Vehicle,简称UUV） 147. 无人水下机器人又可分为有缆遥控式水下航行器（ RemotelyOperated Vehicle,简称ROV）和自治水F机器人（Autonomous Underwater Vehicle,AUV） 14-71, 如图1.1为几款国内外典型的HOV和ROV.

　　日本"SHINKAI 6500"号是一款典型的载人水下潜水器，如图1.1 （a）所示。其在1989年建造完成，最大下潜深度为6527米，创造了当时的载人潜水器记录1."SHINKAI 6500"号可容纳两名潜航员和- - 名科学家，并外搭载了两个最大抓取重量为100千克的液压机械手。中国"蛟龙号"载人潜水器是由国家海洋局组织，由中船重工702所和沈阳自动化研究所等单位联合设计和研制的深海潜水器9,如图1.1 （b）所示。它最大下潜深度为7020米，在潜水器的左右两侧在同样搭载了两个可用于潜航员操作的液压机械手，潜水器一次性最大负载为240千克01.美国"Max Rover" ROV是最先进的用全电力驱动型的ROV,如图1.1 （c）所示，目前已经有了MK-1, MK-2, MK-3三代产品，其下载深度最大为3000米，有效负载为90千克。"海斗一-号"是由沈阳自动化所牵头，联合国内数十家知名单位共同研制的我国首台作业型全海深自主遥控潜水器，如图1.1（d）所示。它的下潜深度为10907 米，通过遥操作控制机械手完成了在海底的抓取和物体释放等全部操作任务121."海斗- -号"在马里亚纳海沟成功完成首次万米海底试验，在多项作业任务中取得了圆满成功，开创了我国万米级ROV的先河，为今后我国的海底ROV研制积累了宝贵的经验1.

　　从上面分析的几款水下机器人中可以看出，每一个ROV和HOV都搭载一个或者多个机械手用来完成相关的作业任务。水下机械手作为水下机器人最重要的作业工具，是保证其顺利进行深海作业时的重要执行机构。近年来水下机械臂有了一定的发展，但是还存在一些问题有 待解决：

　　（1）水下机械手大多数都是采用主从伺服的遥控方式去控制，由操作人员由视频信号或者眼睛去观察到作业对象，然后通过操作主手来控制从手的抓取。

　　这样的操作方式过程繁琐，难度较高，严重依赖工作人员的操作熟练和准确程度。

　　（2）由于深海距离较远，信号传输时的延时导致从手的运动滞后，甚至不连续，不规范，有可能导致机械手无法一次性完成抓取任务。

　　（3）手爪控制精度较低。由于水下机械手的工作方式是主手控制从手，操作人员无法感知机械手抓取力的大小，这样极有可能由于抓取力度过大，造成作业对象损坏，或者抓取力度过小，导致抓取对象脱落。

　　针对以_上问题，本文设计了一款具有多种感知功能，能实现对作业目标的自主识别、自主定位、自主抓取功能的深海液压机械臂。以所设计的深海机械臂为研究对象，分析了机械臂的系统方案设计、运动学；设计了机械臂的轨迹规划方法和液压关节控制算法，并且通过仿真和实验验证了轨迹规划方法和控制算法的可行性，为实现深海液压机械臂的控制和水下高精度自主作业提供了良好的理论依据。

　　1.2国内外研究现状

　　1.2.1国外研究现状

　　1.2.2国内研究现状

　　1.3本文主要研究内容

　　第2章深海液压机械臂系统方案设计

　　2.1深海液压机械总体方案设计

　　2.1.1机械臂系统设计

　　2.1.2机械臂的技术参數

　　2.1.3机械臂材料的选择

　　2.2深海液压机械臂的结构设计

　　2.2.1各关节设计与力矩计算

　　2.2.2关节密封设计方案

　　2.3深海液压机械臂液压系统设计

　　2.3.1液压系统总体设计方案

　　2.3.2液压系统流量分析

　　2.4深海液压机械臂控制系统设计

　　2.4.1控制系统组成设计

　　2.4.2控制方案设计

　　2.5本章小结

　　第3章深海液压机械臂运动学分析

　　3.1深海液压机械臂运动学建模

　　3.1.1坐标系变换理论基础

　　3.1.2机械臂连杆坐标系的建立

　　3.2深海液压机械臂运动学分析

　　3.2.1机械臂运动学正

　　3.2.2机械臂运动学逆解，

　　3.3深海液压机械臂运动学仿真

　　3.3.1机械臂运动学正解仿真

　　3.3.2机械臂运动学逆解仿真

　　3.4深海液压机械臂工作空间分析

　　3.5本章小结

　　第4章深海液压机械臂轨迹规划及仿真

　　4.1关节空间轨迹规划

　　4.1.1三次多项式插值

　　4.1.2五次多项式插值法

　　4.2笛卡尔空间轨迹规划

　　4.2.1直线轨迹插补

　　4.2.2圆弧轨迹插补

　　43基于5段s型加减速的轨迹规划

　　4.4本章小结

　　第5章液压关节控制系统的仿真与实验

　　5.1液压关节控制系统数学模型的建立

　　5.2液压关节控制系统控制器设计

　　5.2.1基于经典PID控制律的控制器设计

　　5.2.2基于单神经元的PID控制器设计

　　5.2.3基于前馈补偿的PID控制器设计

　　5.3液压关节控制系统仿真与分析

　　5.3.1经典PID控制器仿真

　　5.3.2单神经元PID控制器仿真

　　5.3.3前馈补偿PID控制器仿真

　　5.4液压关节控制系统实验与分析

　　5.4.1控制系统平台的搭建

　　5.4.2基于经典PID控制律实验与分析

　　5.5本章小结

第6章总结与展望

　　6.1 总结

　　本文以"中科院战略性先导科技专项"子课题"智能精确作业模块研制"为依托，以所设计的深海液压机械臂为研究对象，分析了机械臂的运动学、轨迹规划，并针对液压关节控制问题设计了三种控制算法，搭建了实验平台并做了实验验证与分析。本文的主要研究工作及成果如下： .

　　1.依据深海液压机械臂的作业需求，确定了机械臂的技术指标，提出了机械臂的设计方案，阐述了机械臂的机械结构、关节密封方案及控制系统，设计了机械臂的液压系统；依据静力学和动力学方程计算出机械臂的各关节力矩，确定各关节执行器的型号；根据所选定的各关节执行器型号在机械臂末端20mm/s速度的约束下进行仿真，计算了液压系统流量。结果表明机械臂各关节选型合理，液压系统的整体性能满足设计需求。

　　2.对深海液压机械臂的运动学和工作空间进行了分析。根据所建立的后置连杆坐标系和D-H参数得到了深海液压机械臂的运动学模型。采用坐标变换法分析了机械臂的正向运动学，利用反变换法解出机械臂运动学逆解；在MATLAB中建立了机械臂的模型。仿真验证了机械臂正逆解：利用蒙特卡洛法对机械臂的工作空间进行了分析，并将工作空间分别在xoY,xOZ,YOZ平面上投影。结果表明各连杆参数合理，工作范围满足设计要求。

　　3.对深海液压机械臂的轨迹规划方法进行了研究。推导了关节空间中三次多项式插值和五次多项式插值算法的位移、速度、加速度的表达式；笛卡尔空间中分析了直线插补和圆弧插补两种方法，并利用MATLAB软件针对上述几种方法做了仿真实验。最后结合深海作业环境，在关节空间中设计了的5段S型加减速的轨迹规划，仿真表明该规划算法的简单且加速度连续，为机械臂的轨迹规划提供了一种方法。

　　4.对深海液压机械臂的关节控制算法进行了研究。本文以肩关节执行器螺旋摆动马达为研究对象，建立肩关节液压控制系统的数学模型，得到了系统的闭环传递函数。基于PID控制算法的思想，分析了经典PID控制算法、单神经元PID控制算法和前馈补偿PID控制算法的设计原理，并且利用MATLAB软件对三种控制算法做了仿真分析。针对经典PID控制算法，本文搭建了肩关节液压控制系统实验平台对该算法做了实验验证，结果表明位置误差满足机械臂的控制精度需求，为机械臂的控制提供了实验参考。

　　6.2 展望

　　本文针对所设计的深海液压机械臂进行了流量特性、运动学、轨迹规划和运动控制的相关研究，利用MATLAB仿真软件进行了一系列的仿真。但是由于接触本课题的时间较短、机械臂加工周期较长以及本人相关知识有限，绝大部分的工作仍停留在理论分析和仿真实验中，且还存在一些有 待解决的问题，现总结如下：

　　1.本文所分析的深海液压机械臂的D-H多数只是理论设计得出，在加工制造过程中会存在- -定的误差，在对实际的机械臂控制之前，需要对机械臂的误差进行标定和补偿，使机械臂的误差降到最低。

　　2.液压系统是一个复杂的时滞、非线性系统，对液压系统的控制不仅要考虑液压油泄露、油压不稳定等一系列相关的问题， 还要考虑机械臂在深海作业时海水压力带来的油压补偿的问题。

　　3.由于所设计的机械臂要完成的任务是对50Kg作业目标的自主识别、自主定位、自主抓取，所以机械臂与视觉、触觉、力觉传感器的配合是作业任务成功的关键，尤其是在机械臂移动抓取的过程中，与视觉配合所用到的视觉伺服控制算法还需要进行大量的实验验证。

致谢

　　三年时间，转瞬即逝，伴随着论文的完成，我的研究生生涯也接近了尾声。

　　在中国科学技术大学和中国科学院智能机械所的三年时光中，遇到了许多关心和帮助过我的老师和同学，在此对他们表示感谢。

　　首先向我的导师高理富研究员表达由衷的感谢！在过去的三年时光中，高老师带领我走进机器人领域，给予我参与中科院先导科技专项"智能精确作业模块"课题的机会，接触并深入研究了机器人相关的专业知识，在我的科研道路上画下浓墨重彩的一笔。高老师不仅在学术方面成为了我的引路人，更是用他的人格魅力征服的我，教会了我许多为人处世的道理，让我受益匪浅。

　　感谢智能感知技术研究中心的老师们，是他们给我提供了一个良好的科研平台。特别感谢葛运建老师、宋全军老师、未博老师、聂余滿老师在学业上的给予我的指导和帮助；感谢曹会彬老师在电控技术方面给予我针对性的指导；感谢郭伟斌老师对我学术论文的认真审阅和修改；感谢孙玉香老师、江曼老师在科研实验中给予我的指导和答疑：感谢孙玉苹老师、朱丽琳老师给予我生活上的关心和帮助：同时感谢研究院夏文彬老师，作为我们的班主任，她事事尽职尽责，在学术上和生活上给了我许多关心和照顾。

　　感谢智能感知技术研究中心的同学们，大家来自天南地北，因缘分组成了这个大家庭，让我感受到了家的温暖。特别感谢王大庆师兄、李旭师兄、胡敦师兄、谢陈磊师兄、陆伟师兄、许玉云师姐、张倩倩师姐、余田田师姐给予我的指导和照题。感谢朱道俊同学、周心悦同学、汪正全同学、刘宏伟同学、陈康裕同学、董坤同学--路上的陪伴和鼓励。同时还要感谢张越师弟及其他的师弟师妹帮助和陪伴。

　　感谢女朋友-路上的陪伴、理解和鼓励，让我在科研的道路上充满希望和力量。最后感谢我的父母，感谢他们二十六年的养育之恩，他们是我最坚强的后盾，在我的成长之路上默默而坚定的推着我向前走！

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