一種用于水下機(jī)器人的并聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計含6張CAD圖

一種用于水下機(jī)器人的并聯(lián)機(jī)械手的設(shè)計含6張CAD圖,一種,用于,水下,機(jī)器人,并聯(lián),機(jī)械手,設(shè)計,CAD 關(guān)于水下機(jī)械手的設(shè)計研究 摘要 隨著人類對深海探索及海洋資源開發(fā)的不斷深入，水下機(jī)械臂一直都是首選重要配置。作為一種末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人手爪通過模擬人手一些動作規(guī)律實現(xiàn)一些和人手相同或者近似的功能。為了控制機(jī)械手臂有效完成預(yù)先設(shè)定的各種任務(wù)在對任務(wù)需求進(jìn)行具體分析基礎(chǔ)上合理設(shè)計控制系統(tǒng)無疑有著非常重要的意義。由于機(jī)械臂水下作業(yè)環(huán)境非常惡劣，精確的控制模型往往無法獲得，傳統(tǒng)控制方法效果不佳，因此研宄一種精度較高、穩(wěn)定性較好的控制方法成為一種較為重要的研究課題方向。本文對水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，介紹了水下機(jī)械臂控制流程，描述了機(jī)械臂的水下控制系統(tǒng)并對機(jī)械臂系統(tǒng)性能參數(shù)、驅(qū)動方式進(jìn)行介紹。 其次，對水下機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析及模型建立，并對其仿真驗證。為了使得已經(jīng)設(shè)計的機(jī)器人能夠高速、高精度平穩(wěn)運(yùn)行使用關(guān)節(jié)空間、工作空間和混合空間方法對機(jī)器人進(jìn)行了軌跡規(guī)劃，并利用動力學(xué)模型進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，最終通過實驗驗證了軌跡規(guī)劃算法的可行性。 為水下機(jī)械臂的運(yùn)動控制提供了一種精度較髙、較有效的控制方法。 前言： 眾所周知， 如果通過衛(wèi)星觀察地球，可以發(fā)現(xiàn)地球是一個蔚藍(lán)色的星球， 這是因為海洋面積占據(jù)地球總面積的 7 2 % 。海洋是地球重要組成部分，并且海洋存在的時間遠(yuǎn)久于大陸，由此可知，海洋中存在大量的寶貴資源，其中包括動植物資源，金屬資源，石油、天然氣等能源。目前由于人類對地面資源的開發(fā)過度，陸地可利用資源逐漸減少, 使得人類的目光逐漸聚集在海洋這片待開發(fā)的處女地上。 回首人類歷史發(fā)展，科技的進(jìn)步解決了人類的難題，也可以說人類為了要解決難題而促使了科技的進(jìn)步。 當(dāng)年工業(yè)革命后， 煤礦資源枯竭的問題逐漸暴露， 促使了科學(xué)家加快了對新能源的探索，從而石油能源面世。而今天陸地資源的緊缺，也激發(fā)了人類對海洋開發(fā)的激情，世界各國政府機(jī)構(gòu)都加大對海洋開發(fā)研究的支持力度。海洋開發(fā)成為全球最熱門的研究方向。海底管道鋪設(shè)及維修、水下礦類勘探、石油探測、沉船救援等水下作業(yè)工作逐漸進(jìn)入人們的視野。但是水下壓強(qiáng)高、 溫度低、 能見度有限，工作環(huán)境危險復(fù)雜，不利于人類工作，因此水下作業(yè)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，水下機(jī)器人可代替人類在海水中執(zhí)行勘探，維修檢測等工作。相比于人類 水下機(jī)器人具有高效率、大深度、遠(yuǎn)距離、安全可靠四等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足深海作業(yè)中作業(yè)深度、作業(yè)時間、作業(yè)效率的要求，從而說明一個國家對海洋資源開發(fā)程度受其水下作業(yè)機(jī)器人研發(fā)水平限制。 正文： 在1997年的《水下機(jī)器人作業(yè)及相關(guān)技術(shù)研究》中張立勛先生以石油管道檢測項目為研究背景,開發(fā)了一套水下機(jī)器人作業(yè)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用流行的OGRE圖形引擎渲染場景,運(yùn)用PhysX物理引擎技術(shù)實現(xiàn)物理效果,以Visual Studio 2010作為開發(fā)環(huán)境,利用C++編程實現(xiàn)。首先,利用目標(biāo)水下機(jī)器人的相關(guān)技術(shù)參數(shù),使用3ds max 2012建模軟件工具創(chuàng)建水下機(jī)器人的幾何模型,并且加載紋理貼圖。同時對該模型的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理,力求模型逼真。其次,引用水下機(jī)器人的動力學(xué)模型,且使用指數(shù)積公式對水下機(jī)器人及機(jī)械臂系統(tǒng)進(jìn)行動力學(xué)分析;根據(jù)動力學(xué)原型,設(shè)置水下機(jī)器人的相關(guān)運(yùn)動參數(shù),確保仿真過程的真實性。通過使用多體系統(tǒng)理論,對機(jī)械臂進(jìn)行抽象簡化,提出多體段機(jī)械臂模型;該模型的每個體段相互獨(dú)立,由關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)約束各個體段的運(yùn)動關(guān)系,從而實現(xiàn)對機(jī)械臂的交互操縱仿真。從應(yīng)用的角度來看,多體機(jī)械臂模型易于實現(xiàn),能夠較為真實的仿真機(jī)械臂的運(yùn)動狀況。再次,水下機(jī)器人作業(yè)仿真訓(xùn)練系統(tǒng)是基于三維虛擬仿真環(huán)境實現(xiàn)的。該仿真環(huán)境分為兩個部分:幾何建模與物理建模。幾何建模部分,使用OGRE圖形引擎創(chuàng)建仿真場景,加載與渲染幾何模型,使用場景管理器管理所有的幾何模型;物理建模部分,主要是應(yīng)用PhysX物理引擎技術(shù)進(jìn)行建模仿真。三維虛擬仿真環(huán)境的搭建,是水下機(jī)器人作業(yè)仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。最后,以Visual Studio 2010作為軟件開發(fā)環(huán)境,結(jié)合OGRE圖形引擎和PhysX物理引擎技術(shù)編程實現(xiàn)水下機(jī)器人作業(yè)仿真系統(tǒng),并在仿真場景中添加粒子模糊特效,使得仿真場景更加真實。仿真結(jié)果證實,本仿真系統(tǒng)具有場景漫游、場景霧化特效、模糊粒子特效、機(jī)械臂交互仿真等功能,實現(xiàn)了水下機(jī)器人作業(yè)仿真訓(xùn)練統(tǒng)的基本要求。仿真系統(tǒng)使用模塊化方法構(gòu)建程序框架,具有高度的靈活性與可移植性,便于后續(xù)開發(fā)過程中功能的完善。 在2001年的《機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢和發(fā)展戰(zhàn)略》蔡自興先生全面分析和歸納了當(dāng)前機(jī)器人學(xué)的發(fā)展趨勢 , 并提出發(fā)展我國機(jī)器人技術(shù)的戰(zhàn)略思考。 在2002年李一平先生的《水下機(jī)器人一過去、現(xiàn)在和未來》中就給我們介紹了水下機(jī)器人的發(fā)展歷史。水下機(jī)器人也稱作潛水器(Underwater Vehicles)，準(zhǔn)確地說，它不是人們通常想象的具有人形的機(jī)器，而是一種可以在水下代替人完成某種任務(wù)的裝置，其外形更象一艘潛艇。 水下機(jī)器人的種類很多，其中載人潛水器、有纜遙控水下機(jī)器人(ROV)、無纜水下機(jī)器人（AUV）是三類最重要的潛水器。回顧水下機(jī)器人的發(fā)展歷史，我們從中可以看到人類征服海洋的進(jìn)程。最早出現(xiàn)的潛水器是載人潛器，這是人們在設(shè)計潛水球和潛艇微型化的基礎(chǔ)上研制出來的，主要是替代潛水員在深海中進(jìn)行潛水作業(yè)，可進(jìn)行海洋考察、打撈、水下作業(yè)和救生。其排水量從幾噸到幾十噸，航速為1～2.5米/秒，下潛深度為幾百米到一萬米。在載人潛器上有密封的載人艙室及生命保障系統(tǒng)，可乘坐2～3人，還有供觀察用的窺視窗，潛水人員坐在耐壓艙內(nèi)通過視窗對海底世界進(jìn)行觀察，同時潛水器內(nèi)還帶有各種測量儀器、通訊設(shè)備，并可以攜帶1或2個機(jī)械手。 在2006年發(fā)表的《高速開關(guān)閥先導(dǎo)控制的液壓缸位置控制系統(tǒng)建模與仿真研究》中劉忠，廖亦凡先生針對液壓機(jī)械臂的液壓驅(qū)動系統(tǒng)要求與計算機(jī)接口方便、反應(yīng)迅速并有較強(qiáng)抗污能力的特點(diǎn),設(shè)計了基于高速開關(guān)閥先導(dǎo)控制的液壓缸位置控制系統(tǒng),并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。通過對系統(tǒng)的仿真和實驗分析,論證了該系統(tǒng)的可行性。? 在2007年發(fā)表的《 水下機(jī)器人－機(jī)械手系統(tǒng)構(gòu)建與研究 》中，張奇峰，唐元貴，李強(qiáng)，張艾群給我們詳細(xì)介紹了三功能水下電動機(jī)械手的設(shè)計與實驗,給出了載體分系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果,利用Matlab工具箱和M函數(shù)構(gòu)建了系統(tǒng)仿真模型,可以有效地對系統(tǒng)規(guī)劃和控制算法進(jìn)行驗證，可為進(jìn)一步的現(xiàn)場試驗提供指導(dǎo)和方法驗證。? 在2008年發(fā)表的《大時延水下機(jī)械手位置伺服控制技術(shù)研究》中安江波先生在對水下機(jī)械手總體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動分析及控制系統(tǒng)分析和研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了基于速度內(nèi)環(huán)和位置外環(huán)的水下機(jī)械手雙閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)。速度內(nèi)環(huán)采用PI控制,有助于抑制振蕩,減小超調(diào),提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能;位置外環(huán)采用P控制,有助于保證系統(tǒng)靜態(tài)精度和動態(tài)跟蹤的性能。對于水下機(jī)械手位置伺服控制系統(tǒng),水池實驗結(jié)果表明,基于速度內(nèi)環(huán)和位置外環(huán)的水下機(jī)械手雙閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)適合水下環(huán)境的要求,控制精度高,具有較好的抗干擾能力,同時也驗證了這種控制方法的有效性和可行性。考慮到為無人無纜水下機(jī)器人（AUV）所配備的水下機(jī)械手的應(yīng)有背景及工作環(huán)境的特殊性,控制系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的大時延會影響整個控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性,降低系統(tǒng)的控制品質(zhì)。針對這一問題,安江波先生提出了在水下機(jī)械手閉環(huán)系統(tǒng)的前向通道和反饋通道增加了時延緩沖器和時延補(bǔ)償器的方法,以減小時延對水下機(jī)械手控制系統(tǒng)的影響。前向通道時延補(bǔ)償器采用Smith補(bǔ)償。Smith補(bǔ)償是在閉環(huán)系統(tǒng)中增加一個補(bǔ)償環(huán)節(jié),使補(bǔ)償后系統(tǒng)的控制通道及系統(tǒng)傳遞函數(shù)的分母不再含有延遲環(huán)節(jié),從而改善控制系統(tǒng)的控制性能及穩(wěn)定性;反饋通道時延補(bǔ)償器是在控制系統(tǒng)的前向通道增加一個補(bǔ)償器,使補(bǔ)償后的系統(tǒng)等效于沒有時延時的控制系統(tǒng),以減小時延對控制系統(tǒng)的影響。由于深海作業(yè)水下機(jī)械手的時延具有隨機(jī)性、可變性和不可預(yù)測性,是一種變時延。采用時延緩沖器,把變時延轉(zhuǎn)換成固定時延,再進(jìn)行時延補(bǔ)償控制。水池實驗結(jié)果驗證了本文所提時延補(bǔ)償方法的有效性和可行性。 在2011年發(fā)表的《水液壓驅(qū)動的水下機(jī)械臂ＰＷＭ魯棒控制研究》中王亞猛先生給我們介紹了一種用PWM高速電磁開關(guān)閥和具有抑制水液壓缸摩擦力影響的魯棒控制器控制水液壓缸以驅(qū)動具有3個自由度兩關(guān)節(jié)的機(jī)械臂。采用PWM控制電磁開關(guān)閥,來降低水液壓系統(tǒng)的信號傳遞非線性的不良影響;研究和設(shè)計一種魯棒控制器對有界未知參數(shù)的補(bǔ)償,從而抑制摩擦特性不確定性的影響。 在2011年發(fā)表的 《少自由度并聯(lián)機(jī)器人的模糊控制研究》中連朝陽先生基于模糊控制理論,以Delta機(jī)器人為研究對象,設(shè)計模糊控制器,對其進(jìn)行軌跡跟蹤控制研究。介紹了機(jī)器人的特點(diǎn)和國內(nèi)外研究概況,對少自由度并聯(lián)機(jī)器人研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析；在Pro/E軟件里建立Delta機(jī)器人的物理模型,通過Mech/Pro無縫接口軟件導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真分析；通過ADAMS/Control模塊把ADAMS軟件里Delta機(jī)器人的物理模型導(dǎo)入到Matlab/Simulink中,應(yīng)用Matlab軟件建立模糊控制器和控制系統(tǒng)模型,并按照給定的目標(biāo)軌跡對Delta機(jī)器人進(jìn)行模糊控制,實現(xiàn)ADAMS/Matlab的聯(lián)合仿真。 在2016年發(fā)表的《主從水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計》中介紹了延時控制系統(tǒng)流程及其延時環(huán)節(jié)、校正環(huán)節(jié)，推算了兩周期控制延時和三周期延時控制兩種控制算法。并且對機(jī)械臂單關(guān)節(jié)在理想情況下和洋流干擾下分別進(jìn)行了兩周期延時控制和三周期延時控制仿真，并且判斷得到兩周期延時算法更適用于主從機(jī)械臂單關(guān)節(jié)控制。最后對實際操作進(jìn)行驗證，證明了兩周期延時控制能滿足六關(guān)節(jié)主從水下機(jī)械臂的操作要求。這一實驗解決水下機(jī)械臂在實際控制中由于傳輸延時造成的運(yùn)動滯后的不良現(xiàn)象和傳輸延時造成的運(yùn)動間斷的不良現(xiàn)象降低了水面操作人員的操作難度，進(jìn)而提高機(jī)械臂水下作業(yè)效率，有利于水下機(jī)械臂在深海作業(yè)工作的進(jìn)行。 在2017年發(fā)表的《Delta并聯(lián)機(jī)械手的機(jī)構(gòu)特性與剛?cè)狁詈戏治觥分嘘慁i先生對Delta并聯(lián)機(jī)械手進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕?使用解析法得到了機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)正解和逆解,在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)出了機(jī)械手的雅可比矩陣和速度加速度模型,并進(jìn)一步分析和討論了機(jī)械手可能存在的奇異位型;在運(yùn)動學(xué)正解的基礎(chǔ)上分析了機(jī)械手的可達(dá)工作空間,并驗證了上述分析的正確性;其次,對Delta并聯(lián)機(jī)械手的軌跡規(guī)劃進(jìn)行了分析,對比了三種加速度規(guī)律的優(yōu)缺點(diǎn),最后基于修正梯形規(guī)律對機(jī)械手進(jìn)行了軌跡規(guī)劃。使用ADAMS和Matlab對軌跡規(guī)劃進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明,在采用修正梯形規(guī)律對機(jī)械手進(jìn)行軌跡規(guī)劃時,機(jī)械手運(yùn)行平穩(wěn),可以滿足使用要求;然后,使用虛功原理建立了Delta并聯(lián)機(jī)械手的剛體逆動力學(xué)模型,借助有限元分析軟件對機(jī)械手的靜動態(tài)特性進(jìn)行了分析,找到了影響機(jī)械手工作性能的薄弱環(huán)節(jié),為接下來的工作指明了方向;最后,使用ADAMS和ANSYS建立了Delta并聯(lián)機(jī)械手的剛?cè)狁詈咸摂M樣機(jī)模型。針對機(jī)械手常見的“門”字形運(yùn)動軌跡,對比分析了機(jī)械手在剛體模型和剛?cè)狁詈夏Ｐ蜁r,驅(qū)動電機(jī)的動力學(xué)特性和動平臺的定位精度。在特定的工作空間要求下,針對機(jī)械手從動臂的尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,在經(jīng)濟(jì)型設(shè)計思想的指導(dǎo)下,得到了機(jī)械手從動臂最優(yōu)的尺寸參數(shù),為該機(jī)械手的實際工程應(yīng)用提供了參考性意見。 參考文獻(xiàn) [1]王澤鵬.主從水下機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計哈爾濱工程大學(xué)黑龍江省211工程院校，2016，01. 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