四功能水下电动机械手设计与控制研究

随着人类对海洋开发和利用的不断增加，自治水下机器人（AUV）作为一种能够完成水下作业任务的重要工具，对其的研究受到国内外研究机构的广泛重视。特别是近十年来，由于水下机器人总体技术水平的提高，利用自治水下机器人进行海洋作业逐渐受到人们的重视。作业型自治水下机器人是为了满足当前海洋领域的需求而提出的一种大深度、大范围潜航并能够自主完成水下科学考察和作业的水下机器人系统，是目前水下机器人的一个发展趋势。 本论文以国家“十一五”863课题“自治水下机器人－机械手系统协调控制关键技术”为背景，针对水下电动机械手的关键技术进行了研究，论文的主要工作有： (1)根据自治水下机器人载体特点，自主设计出适合于载体搭载的四功能水下电动机械手。完成了机械手各关节模块的结构设计，驱动方式和传动方式的选择以及密封件和零件材料的选择。该机械手实现了紧凑与轻量化和关节模块化设计，具有可充油和内部走线功能。 (2)采用Denavit-Hartenberg方法设定了机械手的杆件坐标系，通过相邻连杆齐次变换矩阵建立了机械手运动学模型，推导出机械手的运动学方程；通过牛顿－欧拉方程算法推导出机械手动力学方程。借助单摆动杆水动力方程，推导出本论文机械手的水动力力矩，建立了考虑水动力力矩的机械手动力学方程。 (3)研究了基于PD控制的N关节机器人轨迹跟踪算法的应用问题，仿真实现了该控制算法在本论文机械手位置跟踪控制中的应用。 (4)以搭建的UVMS为对象，推导出其运动学模型，建立了系统仿真模型。针对系统运动学冗余的特点，以机械手末端位置控制为前提，结合加权伪逆矩阵法，基于速度运动学对系统关节限位运动规划即系统逆运动学求解问题进行了研究，仿真证明了运动规划算法的有效性。 关键词：水下机器人；水下电动机械手；自治水下机器人－机械手系统；动力学；运动规划