水下机器人-机械手系统动力学分析与控制

张喜超

中国海洋大学

摘要：

随着海洋开发进程的加快,对水下作业装备的需求日益增加。带有操作机械手的水下机器人系统在对海洋环境和资源进行考察和开发的作业过程中,能够完成复杂的水下操作任务,因此对水下机器人一机械手系统(Underwater VehicleManipulator System,简称UVMS)进行动力学建模,运动控制以及工作过程的稳定性研究具有重要意义。
本文采用指数积公式(product exponentials formula)分析了UVMS运动学问题,在运动学分析的基础上,求得系统的广义主动力和广义惯性力,此过程采用合理的水动力学公式来建立系统的水动力学模型,基于Kane方程建立了UVMS的动力学方程。利用机械系统动力学分析软件ADAMS进行了UVMS的仿真,并且与用Kane方程建立的UVMS动力学模型做了对比,比较了两种建模方法的优缺点。
为了实现UVMS的控制,本文用ADAMS和MATLAB联合仿真,实现机械手末端的精确定位。然后分别从基于转矩的位置控制,基于转矩的力/位置混合控制,从仿真结果上证明采用合适的控制策略,可以实现机械手末端的精确定位,并且控制作用力。
UVMS在运动过程中,外部海洋环境会对其产生水阻力等作用力。为了研究UVMS机械手在工作过程中水作用力对其的影响,保证操作任务的顺利进行。用Fluent对UVMS的水动力学进行了分析,并且在仿真过程中仿真结果的水阻力系数与已有文献的实验数据做了对比。

关键词：水下机器人;机械手;Kane方程;流场分析;水下作业装备

授予单位：中国海洋大学

授予学位：硕士

学科专业：机械电子工程

导师姓名：常宗瑜

学位年度：2011

语种：中文

分类号：P754

页数：66

在线出版日期：2011-10-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）