六功能水下机械手的变结构控制方法和应用研究

随着各国对海洋资源开发利用的加剧，水下机械手作为作业型水下机器人首选配置的一种通用作业工具，应用范围不断扩展，而现有的水下机械手采用主从控制方式，在水下复杂的作业环境下精度及效率不高，限制了水下机械手的使用。引入监控模式的机械手系统是水下机械手发展的一个主流方向。本课题就是以实现机械手的监控模式为目标，针对在实现监控式机械手过程中遇到的两个鱼待解决的难题：机械手的实时运动学逆解和复杂条件下满足高精度轨迹跟踪要求的控制方法，以六功能水下机械手为对象展开并完成课题工作。本文的主要研究成果分为以下三个部分：针对此机械手运动学逆解不能简单由解析方式给出的特点，本文提出运用基于约束最优化的变尺度算法。运用惩罚函数和二次插值选取迭代步长，保证了搜索的有效性；没有直接求解二阶导数，不存在奇异解。该算法是超线性收敛。对实例的求解证明了该算法的快速性和在解决此水下机械手在线轨迹规划时的有效。针对现有的水下机械手关节位置控制中采用PID控制算法而存在的一些缺点，本文以电液位置伺服的肩转关节为例，进行了滑模控制方法的研究。设计了单关节的滑模控制器，并把简化后的滑模控制器运用到实际的控制系统中，仿真和实验结果表明在复杂条件下滑模控制与PID控制相比有高精度和快速的跟踪性能。针对滑模控制的“颤振”现象，引入模糊控制的思想，设计了单关节的模糊滑模控制器，仿真和最终的实验证明了运用模糊滑模控制能有效消弱“颤振”，系统有良好的跟踪性能。针对原有的控制系统不适合于监控方式的机械手控制的特点，重新设计了水下机械手的水下控制器，组建了基于RS－485通讯，以PC机为上位机系统和89C52为下位机系统的机械手两级控制系统，并在这个人机界面友好、工作稳定的系统上完成了本文所有的实验。