水下水液压机械手系统设计及位置测量技术研究

摘要

自主式水下机器人(AUV：Autonomous Underwater Vehicle)具有运动灵活、工作范围大等优点，成为了海洋环境调查与资源探测的重要装备。AUV一般搭载小型电动机械手，其作业范围及负载能力都远不及ROV搭载的液压机械手，无法满足实际作业的需要，特别是针对复杂、狭小空间，危险、极限环境下的水下高精度作业任务，不但要保证机械手较小的收纳体积来减小AUV航行阻力，还要满足其较大的作业范围和更高的作业精度以保障作业的安全性与可靠性。因此，研究具有大作业范围、小型化、高灵活性、高精度的AUV用水下液压机械手系统具有重要的理论研究意义和实际应用价值。
　　本文以高精度五自由度水下水液压机械手系统为主线进行了研究，重点研究了水下水液压机械手系统及机械手末端精度测量装置。
　　针对水下作业机械手的主要功能特点，从结构形式、驱动方式角度，分析国内外AUV用水下机械手及水液压机械手发展现状，明确适用于小型AUV的水下水液压机械手结构研究工作的方向。同时分析精度测量方法及水下机械手控制方法研究现状，为本文设计的空间测量装置及提高水液压机械手精度提供了技术基础。
　　针对轻量化、模块化、大展开长度、小收回体积的设计要求，本文分析研究水下机械手的总体设计方案，对机械手本体结构进行模块划分和设计。为了提高机械手结构强度、刚度，减小振动频率，增加机械手结构的可靠性，本文对机械手关节连杆机构进行仿真优化，并对机械手臂进行模态分析。为实现机械手高精度控制精度，针对机械手驱动关节的小流量控制需要，本文设计了一套小流量水液压驱动系统，并分析液压系统压力损失、摩擦特性及水介质与液压软管的等效体积模量。
　　研究机械手的正向运动学，基于D-H法建立其正向运动学方程，基于反变换法建立逆向运动学方程。针对水液压介质及软管的可压缩性，导致机械手对液压控制系统命令响应慢动作滞后、调节时间长、控制误差大等问题，本文提出一种分段PID控制方法，通过对机械手腕摆动关节进行分段PID控制及普通PID控制实验，对比验证本文所提方法的有效性。
　　对机械手末端位置误差进行仿真分析，分析计算机械手各种误差因素对末端位置的影响；为了检测机械手实际作业精度，研制了一套空间空间测量装置；针对位置检测传感器行程与精度的矛盾，本文对其进行改进，并对测量装置自身精度进行了误差分析。使用改进的空间测量装置对机械手末端静态、动态精度进行检测。在分析机械手末端误差的基础上，为了提高机械手末端精度，本文提出机械手末端位置补偿方法。
　　对自行研制的五自由度水液压机械手和空间测量装置进行了相关实验研究。针对机械手手爪剪切力的技术要求，通过对手爪液压缸手动打压、控制机械手手爪进行真实作业实验进行验证。在单关节分段PID控制的基础上，将分段PID应用到机械手前四个关节，实验验证分段PID控制方法对机械手系统的有效性。为验证本文研究的水下机械手末端静态精度是否满足技术指标，使用本文研制的空间位置测量装置对机械手末端静态精度进行实验研究。为提高机械手末端静态精度，验证本文提出误差补偿方法的有效性，本文在实验中使用机械手肘关节、腕摆动关节对机械手末端误差进行补偿实验验证。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外水下机械手研究现状

1.3 精度测量技术及高精度机械手控制方法综述

1.4 本文主要研究内容

第2章 水下水液压机械手结构及液压系统设计

2.1 引言

2.2 小型AUV用水液压机械手技术要求

2.3 水下液压机械手方案论证

2.4 机械手结构模块化设计

2.5 机械手关节臂结构优化及模态分析

2.6 基于小流量的液压系统设计

2.7 本章小结

第3章 水液压机械手运动学及控制研究

3.1 引言

3.2 机械手运动学模型建立

3.4 水液压机械手的分段PID控制

3.5 小结

第4章 机械手末端精度测量技术及测量方法研究

4.1 引言

4.2 机械手末端位置误差分析

4.3 空间空间测量装置及其误差分析

4.4 机械手末端位置精度测量方法

4.5 机械手末端位置误差补偿

4.6 本章小结

第5章 水液压机械手系统实验研究

5.1 引言

5.2 机械手手爪剪切力验证实验

5.3 机械手分段PID控制实验

5.4 机械手末端静态精度测量及误差补偿实验研究

5.5 机械手末端角度精度验证实验

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢