基于指数趋近滑模控制的水下机器人-机械手系统轨迹跟踪

针对水下机器人-机械手一体系统需要快速、准确实现预定轨迹跟踪以实现作业的要求,提出一种基于指数趋近律的滑模变结构控制方法,以期提高系统的响应速度与控制精度,并减小系统抖振,实现对系统运动轨迹的控制。为此本文首先建立水下机器人-机械手系统整体动力学模型,并基于指数趋近律和滑模变结构控制建立系统的控制器,通过李雅普诺夫稳定性理论对控制系统的稳定性进行验证。然后在Matlab环境中对水下机器人-机械手系统进行轨迹跟踪控制仿真。仿真结果表明,建立的滑模控制系统响应快,控制误差小,能够有效地实现水下机器人-机械手系统的运动轨迹控制。     

深海作业型带缆水下机器人关键技术综述

带缆水下机器人是深海勘探或采油的重要工具之一.近年来,国内外学者对其开展了广泛研究,部分成果已应用于工业生产环境.针对带缆水下机器人,从总体设计、脐带缆动力学、水动力性能、运动姿态控制以及水下机械手和作业装备等研究现状以及发展趋势进行分析综述.在总体设计方面,市场化与低成本技术使水下机器人使用前景更加广阔,针对各类特定任务的轻型和重型水下机器人发展极快;在水动力方面,机器人本体与脐带缆和机械手的耦合效应非线性较强,目前本体动响应预测精度不足,导致基于运动反馈的控制算法效果欠佳;在控制方面,滑模控制算法由于不依赖动力学响应而获得了较多应用,而基于模糊理论和神经网格的方法验证不够充分;在深海作业方面,多个刚体铰链外加抓具的结构是水下机械手最为常见的形式.扩展工具成为机械手的强有力补充,使水下机器人在深海资源获取中越来越不可替代.     

水下结构检测与作业型ROV(二)

<正>水下结构检测与作业型ROV能实现以下功能:在水面控制平台的控制下在水中进行自由浮游勘察作业,能够完成升沉、进退、转艏、俯仰、横移、翻转等浮游运动,也可按规划路径运动;可通过水面监控台对水下结构物进行全方位细致的实时观察,实时捕获、传输和记录水下视频信息;爬行模式中,ROV压附于水下结构物表面运动,增加了抗流能力及作业稳定性;可利用机械手对水下结构开展作业,水下机械手具备夹持、剪切和旋转的功能,能够完成螺旋桨解缠绕、水下取样等作业;可搭载检测仪器和清污装置代替潜水员进入水下危险环境和深水区域,对港口码头、水库大坝、船底等海洋工程水下     

潜水器协同作业下的多自由度运动建模与仿真研究

当多台潜水器在水下进行空间协同作业时,潜水器间、机械手间以及潜水器与机械手间的相对运动关系复杂,潜水器的运动对机械手末端位置有耦合作用;此外,潜水器间、机械手与潜水器间的动力学存在耦合作用。为了提高潜水器协同作业的精细水平,本文建立了两台潜水器协同作业下的多自由度运动学和动力学模型,并对协同作业过程进行了仿真。仿真结果表明:在大地坐标系下,潜水器间能很好地完成对指定目标的协同作业,有效解决了空间多自由度问题;在机械手协同作业过程中,潜水器间的耦合力以及机械手作用在潜水器上的干扰力对潜水器的悬浮姿态干扰很小。     

载人潜水器一机械手系统动力学研究

首先介绍了潜水器-机械手系统的一般动力学模型;针对载人潜水器(HOV)作业运动仿真培训的需要,提出了适用于运动仿真的HOV水下机械手动力学、运动学数学模型.结合已建立的HOV六自由度运动仿真模型,进行了HOV-机械手系统动力学运动学仿真计算,给出了三自由度水下机械手典型作业运动时,机械手手端运动轨迹及HOV姿态角变化的仿真结果.计算结果表明了研究的可行性和有效性;研究结果已被用于HOV的模拟培训器中.     

海流作用下的载人潜水器作业动力学建模与仿真研究

载人潜水器在深海复杂环境下进行作业时,常受到海流的干扰.当进行采样作业时,机械手的运动也会对潜水器主体的姿态产生干扰.为了提高载人潜水器作业水平,以某型载人潜水器为研究对象,建立了海流作用下机械手运动时的载人潜水器动力学模型,对海流作用在潜水器上的水动力进行了仿真分析,研究了海流作用下机械手作业对潜水器运动特性与姿态的...     

江蘇科技大學海洋装备研究院水下结构检测与作业型ROV(二)

正水下结构检测与作业型ROV能实现以下功能:在水面控制平台的控制下在水中进行自由浮游勘察作业,能够完成升沉、进退、转艏、俯仰、横移、翻转等浮游运动,也可按规划路径运动;可通过水面监控台对水下结构物进行全方位细致的实时观察,实时捕获、传输和记录水下视频信息;爬行模式中,ROV压附于水下结构物表面运动,增加了抗流能力及作业稳定性;可利用机械手对水下结构开展作业,水下机械手具备夹持、剪切和旋转的功能,能够     

水下机械手的结构优化设计

随着水下作业机器人在探测、打捞、管线检测与修复等领域的应用不断深入,水下多指机械手的研制和开发逐渐受到各国机器人研究者的关注和重视.文中基于对非水环境机械手设计经验的总结,设计了三指水下机械手及其防腐密封结构,对结构参数进行了优化设计,根据优化设计结果研制了三指水下机械手原理样机,测试结果表明该手可灵活抓取多种复杂表面的物体,能部分代替人工水下作业.     

五自由度水下摄像机械手技术方案与虚拟样机设计研究

水下摄像机械手是进行水下复杂环境视频采集的理想工具。根据目前水下作业的使用需求,结合现有载人潜水器的技术特点,研究了水下摄像专用机械手的总体架构、机械原理、动力配置等关键技术指标,提出了水下摄像机械手初步方案,并用商用设计软件进行了虚拟仿真设计研究。结果表明,技术方案切实可行,为水下摄像机械手的工程化应用奠定了坚实的技术基础。     

水下作业机械手运动学分析与仿真

针对水下作业机械手难于实现负载能力与灵活性相统一的问题,设计了一种采用欠驱动机构的水下作业机械手,建立了该机械手的三维模型,并对机械手的工作原理和运动学特性进行了分析与仿真.从分析与仿真的结果可以看出,采用欠驱动机构可以解决机械手自由度数目、驱动方式、质量和灵活性之间的矛盾.该机械手采用液压方式实现对机械手11个自由度的驱动,具有驱动力大、结构简单、操作灵活的特点,可适应多种不同任务的水下作业需要.     

关于水下机械手控制的新概念

目前,近海工程的水下作业由潜水员进行。但人在深海做这些工作却要冒很大的危险和付出高昂的费用,因此需要能高效工作的水下机械手。在研制工业机器人的基础上,奥斯陆中央工业研究所正在从事有效的水下机械手的研制工作。在三年中,建成了一个样机系统,并使用了一种新的控制原理——分解运动控制法,不需要使机械手与控制器之间呈几何相似,只要使用一个简单的操纵杆,就可十分简便地控制机械手。该机械手主要是为钢外壳的检测作业设计的,具有在狭窄接点处作业所需的灵巧性。为便于靠近检查,在夹持器内装一台小型电视摄象机。本系统适用于近海工程的水下作业。     

设计参数对水下机械手控制机构性能的影响

为研究设计参数对水下机械手的控制及操作性能的影响,以水下液压机械手单关节执行机构为研究对象,确定了下机械手的初始参数;基于流量连续性方程及力平衡方程,建立活塞输出位移对阀输入位移的传递函数以及负载力扰动的传递函数,并以速度放大系数,液压固有频率及液压阻尼比作为水下机械手控制机构的性能指标,详细分析各设计参数对水下液压机械手控制机构性能的影响。研究表明：减小控制阀的位移,增大弹性模量,减小控制阀两端的压差,可以改善控制机构的响应速度和稳定性,提高机械手的控制和操作性能。     

蛟龙号机械手水下作业虚拟训练系统设计

为了解决目前载人深潜器机械手操作人员的实物培训中存在的培训成本高且安全风险大等问题,基于虚拟现实技术设计一种用于操作人员虚拟训练的蛟龙号水下作业仿真系统。采用3ds Max构建蛟龙号的三维模型,利用Unity3D引擎进行蛟龙号机械手的操纵交互,通过三维几何变换模拟机械手的相关功能,实现了蛟龙号机械手水下作业虚拟训练系统。该仿真系统可运行于多个主流平台上,基本满足教学培训的需求。     

随动型水下作业机械手

简介水下作业机械手的结构、动作和控制功能     

腹部作业型水下机器人控制系统研制

[目的]针对无人水下机器人(UUV)的回收任务要求,研制开发一台新式腹部作业型水下遥控机器人(ROV)。腹部作业型ROV不同于一般依赖机械手作业的传统ROV,其通过腹部作业机构完成与UUV的水下对接及回收。[方法]介绍腹部作业型ROV的系统组成及原理,提出一种以一体化工业加固计算机为水面监控单元,PC104嵌入式工业控制计算机为水下主控单元,各驱动板为驱动单元的控制系统架构。同时建立腹部作业型ROV的动力学模型,并设计水平面定向控制的H∞鲁棒控制器。[结果]单项试验、系统联调及水池试验表明,腹部作业型ROV控制系统具有良好的实时性和可靠性,能够满足UUV回收任务的要求。[结论]该架构和算法对于其他移动机器人、无人机、仿生机器人的控制系统开发均具有参考意义。     

深潜器水下作业机械手

我所研制的深潜器水下作业机械手是一种深潜器用大型多关节液压械机手,近几年,经过多次试验室试验及海中试验,达到了各项试验指标,并能在海中完成拿取电缆和重物的作业,使用部门已经验收。这种水下机械手是近年来我国第一个试制成功的大型机械手,也是首次在海中完成水下作业的机械手。现将其主要性能介绍如下。     

基于VR的船载遥操作机械手设计与研究

针对无人潜水器在恶劣海况下收放作业挂钩困难的问题，设计一套基于虚拟现实（VR）的遥操作机械手装置，搭载于船载无人潜水器收放A型门架上，以操控VR手柄灵活、高效地完成无人潜水器收放时的辅助挂钩作业。利用Unity3D引擎搭建并开发一套机械手虚拟仿真系统，实现对机械手的正、逆向运动控制，并与实际机械手建立Socket网络通信，实现虚实同步；通过串流VR一体机实现对机械手的实时可视化仿真与VR遥操作。相较于现有的主手及示教器遥操作，VR遥操作机械手的作业效率更高，操作难度低，且系统具有较强的沉浸感和临场感，提高了机械手海上作业的可视性、灵活性和安全性。通过搭建波浪模拟试验平台模拟不同海况进行验证，结果表明，VR遥操作机械手挂钩作业的效率较示教器遥操作提高49.4%。在海上试验中，机械手也成功完成了各类潜器收放的挂钩作业。     

水下安全检测与作业型机器人控制系统

[目的]针对船体、大坝、水下钢结构等表面附着物的安全检测,以及附着物清除作业的要求,需要研制一款新型水下安全检测和作业型带缆遥控水下机器人(ROV)。此类ROV需针对不同作业任务更换机械手,实现抓取、切割的功能,从而保证去除结构物上的附着物。[方法]阐述水下安全检测和作业型机器人的整套系统组成及原理。该系统以Arduino单片机为控制面板信号采集工具、以水面监控系统开发工控机为平台,零浮力脐带缆以2对双绞线、1对电源线为信号电力传输线,水下控制系统以ARM嵌入式为主控单元。建立ROV动力学模型,设计ROV艏向控制的广义预测控制器。经过系统调试,进行水池试验和湖上试验。[结果]试验证明,该系统运行正常,整套控制系统的稳定性、可靠性、实时性均达到设计要求,满足水下安全检测及作业要求。[结论]该系统设计方案和控制算法对于其他水下机器人的控制系统研究均有借鉴意义。     

水下自主作业系统轨迹跟踪与动力定位

论述了一种水下自主作业系统的轨迹跟踪和动力定位控制算法.该系统由一个水下智能机器人和一个机械手组成,具有非线性、强耦合、高维数、时变等特点.在充分考虑了各种水动力因素的基础上,使用Quasi-Lagrange方程建立系统的动力学数学模型.采用滑模控制方法,并利用模糊逻辑动态调节滑膜控制器的增益系数,进行了计算机仿真试验.结果表明该方法对水下自主作业系统的轨迹跟踪与动力定位控制性能优良.     

面向模块化设计的水下机器人集群编队控制

针对在近海环境下,利用“以机代人”进行自主特种作业的实际需求,设计研发模块化可重构水下机器人,并提出一种基于领航者-虚拟结构的编队策略。首先针对几种不同的典型水下作业任务,依据重构方案设计异构水下机器集群;然后根据水平面三自由度运动学和动力学方程,推导水下机器人集群的动态误差模型;针对路径已知的集群编队问题提出领航者-虚拟结构策略,其中跟随者水下机器人采用基于通信时延补偿的滑模控制器进行跟踪。结果表明,该控制策略可以快速形成队形且轨迹误差小于5%。最后应用3种已开发完成的水下机器人,在可视化仿真平台中进行实验验证,证明该异构水下机器人集群编队方法合理高效。