摘 要

　　隨著(zhù)地球上資源不斷枯竭，對于海洋的開(kāi)發(fā)逐漸被人們所關(guān)注，我國海域遼闊，海洋資源十分豐富。近年來(lái)，我國大力發(fā)展海洋經(jīng)濟，實(shí)施了"科技興海、依法管海"戰略，我國海洋經(jīng)濟將步入穩健發(fā)展的軌道。隨著(zhù)石油、天然氣等資源的開(kāi)發(fā)由近海逐漸延伸至深海，人類(lèi)對水下機器人的需求不斷上升，作為水下機器人作業(yè)功能的主要承擔者，水下機械手也逐漸引起了人們的重視。在海底管道安裝、鉆井平臺日常維護、海底礦產(chǎn)開(kāi)采及調查等水下作業(yè)中，水下機械手得到廣泛應用。

　　與普通的陸上機械手相比，水下機械手具有以下特點(diǎn)：由于受到水下環(huán)境影響以及便于水下機器人搭載等問(wèn)題，要求水下機械手能夠做到小型化，操作便捷靈活，控制上穩定，且能夠完成完整的陸上--水下信號傳輸以及控制。本文針對這一要求，展開(kāi)以下研究。

　　首先，本文通過(guò)查詢(xún)國內外相關(guān)文獻，根據項目要求對小型水下機械手進(jìn)行總體方案設計，選取合適的驅動(dòng)方式，設計了機械手總體系統組成，完成機械手各部分的構型設計。

　　其次，討論了水下作業(yè)機械手的運動(dòng)學(xué)模型，根據機械手各關(guān)節機械設計主尺度參數，建立多自由度機械手 Denavit-Hartenberg 坐標系。通過(guò)矩陣變換得到機械手底座到末端執行器之間的變化矩陣，建立機械手正向運動(dòng)模型。同時(shí)對機械手逆運動(dòng)學(xué)進(jìn)行求解，從所給定笛卡爾空間中機械手末端位置，反向映射出各個(gè)關(guān)節空間內關(guān)節角度。

　　然后，從控制系統整體方案進(jìn)行研究，選取基于線(xiàn)性拓撲 CAN 總線(xiàn)通信的上下位機控制作為控制系統方案，從工作原理、硬件以及軟件三個(gè)方面對控制系統進(jìn)行設計。根據 PID 控制算法，結合三環(huán)控制以及插值平滑運動(dòng)曲線(xiàn)對關(guān)節模組進(jìn)行控制；硬件上對關(guān)節驅動(dòng)模塊以及傳感器進(jìn)行選型；軟件上采用 MVC 架構，利用 Qt、SQLite、OpenGL 等工具實(shí)現可視化界面軟件的處理。

　　最后，根據所設計的水下雙臂機械手控制系統，逐步對所研制的機械手進(jìn)行各項試驗測試工作，驗證小型水下雙臂機械手控制系統的控制性能與可靠程度。

　　本文結合相關(guān)項目研究，對小型水下機械手控制系統開(kāi)展了一系列的研究工作，其研究成果為水下機械手控制系統設計提供了一定的理論基礎和技術(shù)手段。

　　關(guān)鍵詞： 水下雙臂機械手；PID 控制；控制系統；MVC 架構；運動(dòng)學(xué)

Abstract

　　With the continuous depletion of resources on the earth, the development of marine resources has attracted more and more attention. China has a vast sea area and abundant marine resources. In recent years, China has vigorously developed the marine economy and implemented the strategy of "prospering the sea with science and technology and managing the sea according to law." China's marine economy will enter a stable track of development. As the development of oil, natural gas and other resources gradually extends from the offshore to the deep sea, the demand for underwater robots continues to rise. As the main undertaker of underwater robots' operating functions, underwater manipulators have gradually attracted people's attention. Underwater operations such as installation of subsea pipelines, daily maintenance of drilling platforms, mining and investigation of subsea minerals, underwater manipulators are widely used.

　　Compared with ordinary land-based manipulators, underwater manipulators have the following characteristics: due to the impact of the underwater environment and the ease of carrying on the underwater robots, the underwater manipulators are required to be miniaturized, convenient and flexible to operate, stable in control, and able to complete onshore-underwater signal transmission and control. In this paper, the following research is carried out in response to this requirement.

　　First of all, this article by querying domestic and foreign relevant literature, according to project requirements for the overall design of small underwater manipulator, select the appropriate driving method, study the overall system composition of the manipulator, complete the configuration design of each part of the manipulator.

　　Secondly, the kinematics model of the underwater manipulator is discussed. According to the main scale parameters of the mechanical design of each joint of the manipulator, the multi-degree-of-freedom manipulator Denavit-Hartenberg coordinate system is established. Through matrix transformation, the change matrix between the base of the manipulator and the end effector is obtained, and the forward motion model of the manipulator is established. At the same time, the inverse kinematics of the manipulator is solved. From the position of the end of the manipulator in the given Cartesian space, the joint angles in each joint space are mapped in reverse.

　　Then, the overall plan of the control system is studied, the upper and lower computer control based on the linear topology CAN bus communication is selected as the control system plan, and the control system is designed from the three aspects of working principle, hardware and software. According to the PID control algorithm, combined with the threeloop control and interpolation smooth motion curve to control the joint module; the hardware is used to select the joint drive module and the sensor; the software uses the MVC architecture, using Qt, SQLite, OpenGL and other tools to realize the visual interface Software processing.

　　Finally, according to the designed underwater dual-arm manipulator control system, the small underwater dual-arm manipulator is tested step by step to verify the control performance and reliability of the small underwater dual-arm manipulator control system.

　　This article combined with related project research, carried out a series of research work on small underwater manipulator control system, and its research results provide a certain theoretical basis and technical means for the design of underwater manipulator control system.

　　Key words: Underwater dual-arms; PID control; Control system; MVC architecture; Kinematics

目 錄

　　1 緒論

　　1.1 研究背景與意義

　　海洋對于人類(lèi)而言熟悉又充滿(mǎn)誘惑，它孕育了地球上三分之二的生命體，同時(shí)地球面積的四分之三都被海洋所覆蓋，其內部所蘊藏有豐富的礦物資源、海洋資源等。隨著(zhù)多年來(lái)人類(lèi)的開(kāi)發(fā)，人們不斷開(kāi)采的陸地各類(lèi)礦產(chǎn)資源，使得生態(tài)、環(huán)境問(wèn)題不斷凸現，海洋資源開(kāi)發(fā)的重要性愈加明顯。很多國家都在加快海洋資源開(kāi)發(fā)的腳步，以"科技興海、依法管海"為主戰略的海洋開(kāi)發(fā)得以迅速發(fā)展。

　　我國海域遼闊，島嶼眾多，海岸線(xiàn)總長(cháng)達 32000 多千米，管轄區域近 300 萬(wàn)平方千米，擁有良好的天然海域環(huán)境和豐富的海洋資源。其中石油、天然氣、可燃冰、海底礦產(chǎn)等資源儲藏量巨大，目前已經(jīng)在東海、南海等海域先后發(fā)現 11 個(gè)億噸級大型油田和 2 個(gè)大型氣田。據估算，我國海域油氣資源總量將達 400 億噸，這將為我國國民經(jīng)濟發(fā)展做出巨大的貢獻。

　　近年來(lái)，我國大力發(fā)展海洋經(jīng)濟，海洋經(jīng)濟步入穩健發(fā)展的軌道[1].海洋環(huán)境惡劣，天氣瞬息萬(wàn)變，為了開(kāi)發(fā)這些海洋資源，需要人員利用儀器對海洋作業(yè)進(jìn)行探索。完成這些水下任務(wù)則需要長(cháng)時(shí)間處于高壓低溫等惡劣的海底環(huán)境中，因此在海洋油氣資源開(kāi)發(fā)中需要使用特殊設備來(lái)完成探測、開(kāi)采、維護等任務(wù)，其主要設備便是水下機器人（Underwater Robot）和水下機械手（Underwater Manipulator）。

　　早期的水下機器人因為作業(yè)工具還不太成熟，所能承擔的功能較為單一，無(wú)法完成復雜的水下作業(yè)。隨著(zhù)石油、天然氣等資源的開(kāi)發(fā)由近海逐漸延伸至深海，對水下機器人的需求不斷上升，水下機器人技術(shù)也得到快速發(fā)展[2][3].作為水下機器人作業(yè)功能的主要承擔者，水下機械手也逐漸引起了人們的重視[4].在海底管道安裝、鉆井平臺日常維護、海底礦產(chǎn)開(kāi)采及調查等水下作業(yè)中，水下機械手得到廣泛應用[5].

　　就目前而言，水下機械手相較于陸上通用性機械手具有以下特點(diǎn)：由于受到水下環(huán)境復雜及水下機器人搭載等問(wèn)題，要求水下機械手能夠做到小型化，操作便捷靈活，控制上穩定，且能夠完成完整的陸上--水下信號傳輸以及控制[6].從操作方式上，可以將水下雙臂機械手分為兩種類(lèi)型，一種是主從式機械手，即位置控制型機械手。另一種是開(kāi)關(guān)式機械手，即速度控制型機械手。主從式機械手采用位置伺服系統，從動(dòng)手將復映主動(dòng)手的動(dòng)作，實(shí)現主動(dòng)手與從動(dòng)手在位姿空間上的對應[7].開(kāi)關(guān)式機械手采用開(kāi)關(guān)的方式控制機械手的運動(dòng)方向和運動(dòng)開(kāi)始與停止，在開(kāi)關(guān)打開(kāi)后機械手將以某一可控速度進(jìn)行運動(dòng)，其中運動(dòng)速度和運動(dòng)軌跡可以通過(guò)算法進(jìn)行平滑處理[8].

　　水下機械手作為特種機器人技術(shù)研究領(lǐng)域，其研究目標是要實(shí)現末端工具執行操作與運動(dòng)控制。但是由于水下機械手所處工作環(huán)境的特殊，需要水下機械手能夠承受高壓環(huán)境、耐水腐蝕，同時(shí)保證操作簡(jiǎn)易、可靠性高、水下重量輕等需求。在實(shí)際的作業(yè)能力上，水下機械手與陸上機械手仍有一定的差距，但隨著(zhù)對水下機械手研究的不斷深入，該領(lǐng)域的實(shí)際應用將不斷取得發(fā)展。

　　本文基于實(shí)際研究項目，其目的在于研制一款搭載于 AUV 上的機械手，控制AUV 懸停在被捕獲目標物上方，隨后再使用機械手對目標物進(jìn)行捕獲。其應用領(lǐng)域在于水下目標物的捕獲，但由于機械手在運動(dòng)過(guò)程中存在重心的變化，對 AUV 的動(dòng)力定位產(chǎn)生極大的影響，導致機械手末端執行器無(wú)法正常的運動(dòng)至指定目標位置。

　　基于該背景，本文從機械手小型化這一方向入手，設計了一款小型水下雙臂機械手，并對其控制系統進(jìn)行了搭建，其目的在于實(shí)現一款在機械手運動(dòng)過(guò)程中能有效減少 AUV 動(dòng)力定位的水下雙臂機械手。

　　1.2 國內外水下機械手研究現狀

　　1.2.1 國外研究現狀

　　國外發(fā)達國家很早就對水下機械手展開(kāi)了研究，其中法國、日本、美國等國家有較高的研究水平，已經(jīng)研制出很多較為可靠的水下機械手，能夠搭載在載人潛水器、自主水下航行器和水下作業(yè)平臺上使用[9][10].典型的七功能 ROV 機械手一般具有六自由度結構，擁有較為類(lèi)似的肩、臂、肘、腕、爪自由度配置方式，或對此順序稍作修改，主要的不同在于各個(gè)運動(dòng)關(guān)節所能運動(dòng)的角度大小[11][12].

　　美國在水下機器人及相關(guān)的作業(yè)機械手上研究最為突出，在上世紀 60 年代首先研制出深海載人潛水器"ALVIN"號（如圖 1.1 所示），它能夠在海底 6500 米深度范圍內進(jìn)行工作，對海底地形、礦產(chǎn)等資源進(jìn)行考察。其內部所搭載的機械手是由美國 NOSC 公司所研制的 WSP 機械手（如圖 1.2 所示）[13],雙臂具有 7 個(gè)自由度，單手質(zhì)量約為 160kg,其最大臂展為 175cm.

　　1996 年，美國斯坦福大學(xué)航空航天機器人實(shí)驗室研制了 OTTER 水下機器人，實(shí)現了自主水下航行器通過(guò)雙臂機械手協(xié)作作業(yè)。該機械手在美國蒙特利海洋生物研究所進(jìn)行了試驗，驗證了其水下雙臂機械手的作業(yè)功能，為后續水下雙臂機械手的設計與控制提供了一定的參考[14].

　　法國與德國、英國的相關(guān)機構在 1999 年共同設計了 Victor 6000 ROV（如圖 1.3 所示），該 ROV 便具有一個(gè)主從式七功能機械手 Maestro,一個(gè)開(kāi)關(guān)式五功能機械手 Sherpa.可實(shí)現水下移動(dòng)采樣，海水取樣和巖心鉆取等功能[15][16].

　　日本在 1988 年設計了 Dolphin 3K ROV（如圖 1.4 所示），其配備有一個(gè)主從式機械手與一個(gè)開(kāi)關(guān)式機械手，并配備有三個(gè)攝像機與一個(gè)照相機，能夠實(shí)現海底作業(yè)的實(shí)時(shí)監控[17].

　　HLK-7W 六自由度機械手由英國的 Hydro-lek 研制，能夠承擔大重量的工作任務(wù)，且操作十分靈活。Mohamed J. Bakari 等人基于 HLK-7W 機械手研制出基于核設施退役任務(wù)的多關(guān)節移動(dòng)機器人[18],Allahyar Montazeri 等人對 HLK-7W 機械手進(jìn)行系統集成和動(dòng)力學(xué)建模設計，并進(jìn)行了模型的驗證和調參[19].

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的突破，這也為機械手技術(shù)的快速發(fā)展帶來(lái)了無(wú)限生機。A LGusev 等人通過(guò) PLC 模塊化系統實(shí)現對水下機械手的遠程控制，并設計了相應的控制算法和硬件平臺[20].Virendra Kumar 等人在考慮水下存在障礙物的情況下，聯(lián)系機械手在水下的運動(dòng)規劃問(wèn)題，提出了基于克服最小水動(dòng)力效應能量的軌跡規劃算法[21].

　　Bent Oddvar Arnesen 等人基于小型作業(yè) ROV 設計了一款 4 自由度小型水下機械手，該機械手能夠工作在觀(guān)測級 ROV 上，并實(shí)現 5kg 的重物提起。該小型水下機械手能夠在作業(yè)過(guò)程中有效的減少 ROV 的晃動(dòng)，從而實(shí)現穩定的 UVMS 系統。

　　美國海軍于 2017 年委托 RE2 robotics 公司研制遠程水下雙臂機械手作業(yè)系統（如圖 1.5 所示），該機械手采用電力驅動(dòng)，雙臂均為六自由度，可在水下 150 米范圍內工作。機械臂末端采用雙指設計，能夠靈活執行開(kāi)鎖、抓取等動(dòng)作。該機械手采用靈巧海上操作系統（DM2S）、新一代觸覺(jué)傳感技術(shù)和多指機電設計進(jìn)行控制，從而執行水下爆炸裝置拆除、石油和天然氣設備檢查，維護和維修等工作。

　　2019 年休斯敦機甲公司設計了水下可變形自主機器人"Aquanaut"（如圖 1.6所示），該機器人具有兩條仿人設計的機械臂，并且巧妙的將雙臂機械手融入到了整個(gè) AUV 的構型之中，在作業(yè)時(shí)才采用雙臂展開(kāi)形態(tài)進(jìn)行工作。其中每個(gè)機械臂具有八個(gè)自由度，并配有力傳感器和末端爪式夾具，從而完成旋轉開(kāi)關(guān)閥門(mén)等操作。

　　1.2.2 國內研究現狀

　　相比于國外，國內對于水下機械手的研究起步較晚，研制單位主要為部分國內高校和研究所，由于國家對海洋研究的支持力度不斷加大，其發(fā)展勢頭十分迅速，從最初的用于海洋觀(guān)測為主逐漸過(guò)渡到水下作業(yè)功能。

　　2012 年，我國自主研制的"蛟龍號"深海載人潛水器在馬里亞納海溝成功進(jìn)行了 7000 米級的潛水作業(yè)[22],"蛟龍號"所裝載的主從式機械手（如圖 1.7 所示）便是由我國自主設計、研制完成，其具有七個(gè)自由度，在海底配合切割采樣器能夠完成海底采樣作業(yè)[23].

　　中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所研制了搭載有三功能電動(dòng)機械手（如圖 1.8 所示）自主水下航行器，該航行器引入了系統阻力優(yōu)化函數，使得機械手系統的逆運動(dòng)學(xué)求解更加準確[24].同時(shí)設計了聯(lián)合校正控制器，將水下機械手的擾動(dòng)補償項和輸入端的補償項作為水下機器人的控制器前饋?lái)梉25],并在系統運動(dòng)學(xué)的偽逆矩陣中引入懲罰調節因子[26].

　　華中科技大學(xué)徐國華等人在水下機械手方面進(jìn)行了一系列的探索，對深海機械手動(dòng)力學(xué)特性和自主作業(yè)功能進(jìn)行了充分的研究[27],對于負載時(shí)刻發(fā)生變化時(shí)機械手精確控制問(wèn)題，采用 Quasi-Lagrange 方程建立了水下機械手動(dòng)力學(xué)模型，利用PID 和滑模控制器對機械手作業(yè)系統進(jìn)行協(xié)調控制，并進(jìn)行了試驗研究[28][29],同時(shí)利用工控機及 VxWorks 系統作為機械手作業(yè)控制系統的開(kāi)發(fā)平臺，在此基礎上完成了水下機械手（如圖 1.9 所示）控制系統的設計[30].

　　2004 年，上海交通大學(xué)水下工程研究所研制了 3500 米水下機器人"海龍號",該水下機器人人具有 2 個(gè)（7 功能和 5 功能）機械手（如圖 1.10 所示），可以在水面對其進(jìn)行遙控操作，進(jìn)行協(xié)調作業(yè)，該機械手能夠在水下舉起 100kg 的物體[31].

　　"八。五"期間，國防科工委下達了應用基礎研究重點(diǎn)預研項目"水下作業(yè)系統",哈爾濱工程大學(xué)于 1995 年完成 SIWR-II 型水下機械手[32][33]（如圖 1.11 所 示），其具有工具自動(dòng)換接功能，同時(shí)具備遙控作業(yè)演示實(shí)驗系統[34],滿(mǎn)足了水下工程施工、海洋開(kāi)發(fā)的需要。同時(shí)哈爾濱工程大學(xué)張銘鈞等人引入 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，利用自適應終端滑模控制方法對機械手模型中不確定項進(jìn)行在線(xiàn)學(xué)習，提高了系統的控制精度[35].王成軍等人將自適應控制理論引入七功能水下機械手位置伺服控制機構，建立了水下機械手位置伺服控制系統數學(xué)模型，改善了系統的動(dòng)態(tài)性能和穩定性[36].

　　浙江大學(xué)研制出仿形手柄控制的深海水下作業(yè)型機械手（如圖 1.12 所示），可適用于深海載人潛器、自主水下航行器和水下作業(yè)平臺上。該型機械手具有 6 自由度，配加手爪結構，全伸長(cháng)距離為 2.1m,額定舉力約為 60kg,該機械手解決了深海中作業(yè)環(huán)境惡劣、優(yōu)化控制等問(wèn)題[37].

　　中國石油大學(xué)禹文韜對于小規模、小抓力環(huán)境作業(yè)，設計了一款小型水下機械手，該機械手采用液壓進(jìn)行控制，具有 6 自由度。機械臂動(dòng)作靈活，體積較小，工作空間相較于機械手自身而言具有較大的比值，能夠應用于水下打撈、裝配等應用場(chǎng)景。

　　南京思展科技所研制 URAM-5H 水下多軸液壓機械臂（如圖 1.13 所示），該機械臂重達 13kg,同時(shí)具備水下視頻攝像機，可用于水下設備和傳感器的安裝等作業(yè)。

　　由中國中車(chē)時(shí)代電氣公司和英國 SMD 公司聯(lián)合研制的電驅動(dòng)水下機器人"Quantum/EV"（如圖 1.14 所示），配備了全新的 25kW 大功率電推力系統，能夠提起約 4 噸的重物。其搭載的水下機械手，可進(jìn)行水下抓取，結構物拆裝施工及沉船打撈等應用。

　　隨著(zhù)水下機械手工作任務(wù)日益復雜，機械手控制性也越來(lái)越高。針對水下機械手的運動(dòng)控制，主要采用的控制方法包括：PID 控制、模糊控制、自適應控制、滑 模控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制等。PID 控制利用誤差實(shí)現控制量大小的改變，完成系統的精確定位；模糊控制作為一種經(jīng)驗控制方法，將系統運行中各個(gè)控制量根據一定規則進(jìn)行規劃，當控制量處于不同的區間時(shí)采用不同的控制策略，從而達到精確控制的目的[38];自適應控制器通過(guò)實(shí)時(shí)采集對象信息并加以分析，實(shí)現參數實(shí)時(shí)調整，使系統運行在一個(gè)最優(yōu)的工作狀態(tài)[39];神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )是由大量簡(jiǎn)單處理單元組成的非線(xiàn)性、自組織系統，通過(guò)逼近任意 L2范數上非線(xiàn)性函數，實(shí)現在線(xiàn)學(xué)習，從而適應變化的環(huán)境[40];滑模控制器本質(zhì)上是一種特殊的非線(xiàn)性控制，在系統狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中，滑模控制器會(huì )按照一定規律改變其反饋控制器結構，使得控制系統在滑模面附近不斷波動(dòng)，按照期望的狀態(tài)軌跡運動(dòng)[41].

　　1.3 本文主要研究工作

　　本文的主要研究工作是，小型水下雙臂機械手相關(guān)作業(yè)任務(wù)分析，結構設計，模型研究，控制系統設計與實(shí)現以及綜合試驗。研究目的在于研制一款小型水下雙臂機械手，實(shí)現操作便捷靈活，控制上穩定，提高整體工作精度和可靠性。

　　全文一共分為六章，內容安排如圖 1.15 所示：

　　第一章為緒論。本章介紹了課題研究的背景，同時(shí)對國內外關(guān)于水下機械手相關(guān)研究進(jìn)行了綜述，對全文進(jìn)行了整理小結。

　　第二章為水下機械手總體方案研究。本章對水下雙臂機械手控制功能、需求進(jìn)行分析，借鑒緒論中國內外水下雙臂機械手設計方案，對機械手控制系統總體方案進(jìn)行了研究與論證，完成機械手總體方案設計以及各部分構型設計工作。

　　第三章為水下機械手模型研究。本章利用 D-H 方法建立了水下機械手的連桿坐標系，并通過(guò)正、逆運動(dòng)學(xué)建立了關(guān)節與末端執行器關(guān)系，從而進(jìn)一步的得到機械手工作空間，為機械手控制系統設計打下了一定的基礎。

　　第四章為水下機械手控制系統設計與實(shí)現。本章通過(guò)對總體方案的分析，選擇合適的控制系統方案設計，同時(shí)在工作原理、硬件選型和軟件實(shí)現這三個(gè)方面介紹水下機械手控制與監測的實(shí)現。

　　第五章為水下機械手試驗研究。本章在完成機械手控制系統的基礎上，從單電機試驗開(kāi)始，逐步測試單電機性能、多電機聯(lián)合控制、陸上試驗、水下試驗，驗證該機械手控制能力。

　　第六章為總結與展望。本章總結了全文的研究工作，討論了所設計的水下機械手存在的不足，以及后續對研究工作的補充與展望。

　　2 水下機械手總體方案研究

　　2.1 引言

　　2.2 水下機械手總體設計方案

　　2.3 水下機械手總體構型設計

　　2.4 末端執行器集成設計

　　3 水下機械手模型研究

　　3.1 引言

　　3.2 剛體力學(xué)基礎

　　3.3 水下機械手連桿坐標系建立

　　3.4 水下機械手運動(dòng)學(xué)

　　3.5 水下機械手工作空間

　　4 機械手控制系統設計與實(shí)現

　　4.1 引言

　　4.2 控制系統總體方案研究

　　4.3 關(guān)節模組工作原理

　　4.4 控制系統硬件研究

　　4.5 控制系統軟件研究

　　5 小型水下機械手試驗研究

　　5.1 引言

　　5.2 單項試驗

　　5.3 多模組試驗

　　5.4 機械手陸上試驗

　　6 總結與展望

　　6.1 全文總結

　　本文基于實(shí)際項目，對小型水下雙臂機械手控制系統進(jìn)行研究，設計研發(fā)了一套小型水下雙臂機械手以及與之配套的控制系統。控制系統采用上位機、微控制器兩級控制，實(shí)現了控制人員在陸上對水下機械手的遠程控制。全文通過(guò)水下機械手總體研究開(kāi)始，設計了水下機械手總體構型，再利用機械手模型，從多種控制方案進(jìn)行對比，選取合適的硬件系統，并對軟件需求設計、框架搭建、各個(gè)模塊設計做出詳細介紹，最后通過(guò)試驗驗證水下機械手控制系統的性能。總的來(lái)說(shuō)，本文做了以下工作：

　　（1）完成了水下機械手總體方案研究。簡(jiǎn)要介紹了機械手的系統組成，并根據實(shí)際項目需求，對機械手基本參數進(jìn)行設計以及選擇合適的驅動(dòng)方式。通過(guò)對機械手的基本參數設計，進(jìn)一步完成水下機械手各個(gè)組件的構型設計，包括機械臂構型、關(guān)節模組構型，以及末端執行器構型設計。 （2）完成水下機械手運動(dòng)學(xué)模型研究。按照水下機械手總體方案，根據所機械手各個(gè)組件的構型設計，對水下機械手進(jìn)行了運動(dòng)學(xué)模型研究。先簡(jiǎn)要介紹了機械手剛體力學(xué)基礎，再在此基礎上對建立該機械手的連桿坐標系，最后完成水下機械手運動(dòng)學(xué)模型，同時(shí)對已建立的運動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，獲得機械手的工作空間，為實(shí)現機械手控制系統打下基礎。

　　（3）完成了水下機械手控制系統的設計與實(shí)現。詳細概述了各個(gè)通信終端之間的通信方式、協(xié)議以及拓撲結構，通過(guò)比較各自?xún)?yōu)劣得到控制系統總體方案。機械手控制系統采用水上水下兩級控制，水上部分采用 PC 機運行監控軟件收發(fā)指令，水下部分采用關(guān)節模組微控制器實(shí)現模組運動(dòng)，建立線(xiàn)性拓撲 CAN 總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現水上部分與水下部分之間的信息傳輸。通過(guò)系統硬件的選取，系統軟件的分析，實(shí)現機械手操作人員對水下機械手的控制。 （4）完成了上位機界面和通信控制程序。使用 C++開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用 Qt 圖形用戶(hù)界面應用程序開(kāi)發(fā)框架，實(shí)現控制系統軟件上位機界面開(kāi)發(fā)。操作人員能夠在岸 上 PC 機通過(guò)模式控制窗口實(shí)現對機械手遠程控制，通過(guò)數據顯示、OpenGL 窗口實(shí)時(shí)監測機械手狀態(tài)，通過(guò) SQLite 數據庫實(shí)現對運行數據的實(shí)時(shí)保存。利用 MVC 架構，將視圖、控制和模型層相互分割，便于后續對上位機的進(jìn)一步優(yōu)化。

　　（5）完成了機械手試驗研究。基于實(shí)物，逐步針對關(guān)節模組單項測試、多模組試驗、陸上試驗、水下試驗對所設計機械手控制系統進(jìn)行驗證。

　　通過(guò)本文的工作，完成了水下機械手控制系統設計，并通過(guò)試驗驗證機械手在該控制系統下的工作能力。試驗過(guò)程中整個(gè)系統工作無(wú)異常，運行穩定，基本實(shí)現了控制系統的功能，

　　6.2 課題展望

　　由于疫情對研究時(shí)間的限制，本文僅實(shí)現了機械手控制系統的基本功能，在機械手系統的搭建過(guò)程中，發(fā)現了許多可以?xún)?yōu)化的問(wèn)題，未來(lái)還有一些工作需要再繼續完善，發(fā)現的問(wèn)題和需繼續優(yōu)化的地方如下：

　　（1）在機械手的控制方案上采用了較為常見(jiàn)的 PID 算法，可以考慮引入基于模型的運動(dòng)控制，以實(shí)現更為準確的跟蹤控制。

　　（2）控制系統中上位機是一個(gè)人機交互的接口，需要實(shí)現三維模型的實(shí)時(shí)更新和控制功能，同時(shí)在試驗過(guò)程中不斷對其進(jìn)行改進(jìn)以及優(yōu)化。本文所實(shí)現的上位機已經(jīng)完成了基本功能的搭建，但仍需要對控制過(guò)程以及軟件運行過(guò)程中的沖突做進(jìn)一步的優(yōu)化。

　　（3）上位機中 OpenGL 模塊是用于顯示機械手在水下的實(shí)時(shí)狀態(tài)，但本文所實(shí)現部分僅用方塊對機械手的各個(gè)部分進(jìn)行代替，未能導入 SW 所建模型，在真實(shí)性上有一定的缺失。

　　（4）由于疫情的限制，未能完成機械手整體的水下測試試驗，僅進(jìn)行了陸上整體聯(lián)調。因此，該機械手的水下運動(dòng)性能尚未得到試驗驗證。

致 謝

　　短短兩年的研究生生活馬上就畫(huà)上了句號，回想起來(lái)，從備考直到確認錄取入學(xué)時(shí)的場(chǎng)景依舊記憶深刻。能夠有機會(huì )在華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院繼續學(xué)習讓我感到十分的幸運，在這兩年多的時(shí)間里，學(xué)習了很多也收獲了很多，有許多良師益友在生活和學(xué)習上給予了我極大幫助和鼓勵，在此我表示深刻的感謝。

　　首先感謝我的導師向先波教授，感謝向老師在我研究生階段對我的精心指導。

　　向老師視野開(kāi)闊，多次邀請國內外學(xué)者來(lái)進(jìn)行講座交流，使我在校期間也能夠與國際上優(yōu)秀的學(xué)者進(jìn)行溝通，收獲良多。同時(shí)向老師提供了廣闊的平臺和資源，讓我們有機會(huì )參加各種比賽與學(xué)術(shù)會(huì )議，不斷提升自己。他嚴謹行事態(tài)度和待人處事的方式給了我極大的影響，在此，我衷心表示對向老師的感謝。

　　其次，我要感謝船海學(xué)院的徐國華老師、李維嘉老師、唐國元老師、余祖耀老師、馮大奎老師、楊少龍老師以及校外導師范則陽(yáng)高工等對我科研項目和學(xué)習上的指導和幫助。我還要感謝于曹陽(yáng)、劉輝、江正、張嘉磊、甘帥奇、董東磊師兄在科研上對我的指導和幫助，感謝一同準備論文的雒宗同、陳彥斌、王召、劉宇豪對我論文工作的幫助，感謝同門(mén)蘇翔、張少澤對在學(xué)習和生活上對我的幫助，感謝實(shí)驗室的王觀(guān)道、李志恒、李錦江、程權、熊昕飏、劉傳、周光照師弟在試驗過(guò)程中所給予的幫助。ARMS 實(shí)驗室在向老師的指導下有著(zhù)非常濃厚的學(xué)習氛圍和積極向上的工作態(tài)度，我非常感謝能和這個(gè)大家庭一同度過(guò)了研究生的時(shí)光，感謝他們對我學(xué)習、科研、工作和生活上的幫助與鼓勵，感謝他們陪伴我走過(guò)這兩年的研究生生涯。

　　最后，我要衷心的感謝父母這二十多年的養育之恩，他們總是在我的每一次的選擇上給予了支持和鼓勵，在多年的求學(xué)路上給予了我無(wú)時(shí)無(wú)刻的愛(ài)與關(guān)懷，是他們的愛(ài)和奉獻養育了如今的我。借此機會(huì )，再次向他們表示我最為衷心的感謝！

　　參考文獻

　　[1] 樓東， 谷樹(shù)忠， 鐘賽香。 中國海洋資源現狀及海洋產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢分析[J]. 資源科學(xué)， 2005,27（5）：20-26.

　　[2] 任福君， 張嵐， 王殿君，等。 水下機器人的發(fā)展現狀[J]. 佳木斯大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2000,18（4）：317-320.

　　[3] Roque Saltaren Pazmi?o, Cecilia E. Garcia Cena, Cesar Alvarez Arocha, et al. Experiences and resultsfrom designing and developing a 6 DoF underwater parallel robot[J]. Robotics & Autonomous Systems,2011, 59（2）：101-112.

　　[4] 王璇， 劉濤， 高波。 水下機械手的研發(fā)現狀及發(fā)展趨勢[J]. 機電產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與創(chuàng )新， 2012, 25（3）： 25-26.

　　[5] Ryu J H , Kwon D S , Lee P M . Control of underwater manipulators mounted on an ROV using baseforce information[C]// Proceedings 2001 ICRA. IEEE International Conference on Robotics andAutomation （Cat. No.01CH37164）。 IEEE, 2003.

　　[6] 陳鷹， 楊燦軍， 顧臨怡， 等。 基于載人潛水器的深海資源勘探作業(yè)技術(shù)研究[J]. 機械工程學(xué)報，2003, 39（11）：38-42.

　　[7] 楊申申， 湯國偉， 王璇。 深海液壓主從式機械手控制器[J]. 海洋技術(shù)， 2009（01）：8-11.

　　[8] 高波， 馮開(kāi)林， 張志兵， et al. 基于 PLC 的工業(yè)機械手無(wú)線(xiàn)遙控系統[J]. 微計算機信息， 2008,24（13）：46-47.

　　[9] Farivarnejad H, Moosavian S A A. Multiple Impedance Control for object manipulation by a dual armunderwater vehicle-manipulator system[J]. Ocean Engineering, 2014, 89:82-98.

　　[10] Aghababa M P. 3D Path Planning for Underwater Vehicles using Five Evolutionary OptimizationAlgorithms Avoiding Static and Energetic Obstacles[J]. Applied Ocean Research, 2012, 38: 48-62.

　　[11] Yuh J. Design and control of autonomous underwater robots: A survey[J]. Autonomous Robots, 2000,8（1）： 7-24.

　　[12] Ryu J H, Kwon D S, Lee P M. Control of underwater manipulators mounted on an ROV using baseforce information[C]//Proceedings 2001 ICRA. IEEE International Conference on Robotics andAutomation （Cat. No. 01CH37164）。 IEEE, 2001, 4: 3238-3243.

　　[13] Walden B B, Brown R S. A Replacement for the Alvin Submersible[J]. Marine Technology SocietyJournal, 2004, 38（2）：85-91.

　　[14] Wang H H, Rock S M, Lees M J. Experiments in automatic retrieval of underwater objects with anAUV[C]//'Challenges of Our Changing Global Environment'. Conference Proceedings. OCEANS'95MTS/IEEE. IEEE, 1995, 1: 366-373.

　　[15] Sarradin P M , Leroy K O , Héléne Ondréas, et al. Evaluation of the first year of scientific use of theFrench ROV Victor 6000[C]// Underwater Technology, 2002. Proceedings of the 2002 InternationalSymposium on. IEEE, 2002.

　　[16] March E , Chaumette F , Spindler F , et al. Controlling the manipulator of an underwater ROV using acoarse calibrated pan/tilt camera[C]. Proceedings - IEEE International Conference on Robotics andAutomation, 2001, 3. pp. 2773-2778 vol.3, doi: 10.1109/ROBOT.2001.933042.

　　[17] Nomoto M , Hattori M . A deep ROV DOLPHIN 3K: Design and performance analysis[J]. IEEE Journalof Oceanic Engineering, 1986, 11（3）：373-391.

　　[18] Bakari M J, Zied K M, Seward D W. Development of a multi-arm mobile robot for nucleardecommissioning tasks[J]. International Journal of Advanced Robotic Systems, 2007, 4（4）： 51.

　　[19] Montazeri A, Ekotuyo J. Development of dynamic model of a 7DOF hydraulically actuated teleoperated robot for decommissioning applications[C]//2016 American Control Conference （ACC）。 IEEE,2016: 1209-1214.

　　[20] Gusev A L, Golovina E S. About the development of a technological complex with a manipulator foran unmanned underwater vehicle[C]//IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOPPublishing, 2019, 537（3）： 032043.

　　[21] Kumar V, Sen S, Shome S N, et al. An Approach to Trajectory Planning for Underwater RedundantManipulator Considering Hydrodynamic Effects[M]//Machines, Mechanism and Robotics. Springer,Singapore, 2019: 377-388.

　　[22] 徐芑南， 張海燕。 蛟龍號載人潛水器的研制及應用[J]. 科學(xué)， 2014, 66（2）：11-13.

　　[23] 吳俊飛， 邵珠文， 劉瑞青， 等。 基于蛟龍號的深海切割采樣系統設計與分析[J]. 現代制造工程，2018, 455（8）： 145-150.

　　[24] 張奇峰， 張艾群。 基于能源消耗最小的自治水下機器人-機械手系統協(xié)調運動(dòng)研究[J]. 機器人，2006, 28（4）： 444-447.

　　[25] 張奇峰， 任申真， 吳寶舉，等。 基于輸入和機械手擾動(dòng)補償的水下機器人控制實(shí)驗研究[J]. 儀器儀表學(xué)報， 2007, 28（S）：444-449.

　　[26] 張奇峰， 張艾群。 自治水下機器人機械手系統協(xié)調運動(dòng)研究[J]. 海洋工程， 2006, 24（3）： 79-84.

　　[27] 肖治琥。 深水機械手動(dòng)力學(xué)特性及自主作業(yè)研究[D]. 華中科技大學(xué)， 2011.

　　[28] 郭瑩。 水下自主作業(yè)系統協(xié)調控制技術(shù)研究 [D]. 華中科技大學(xué)， 2008.

　　[29] 琚亮， 徐國華， 黃嘉陵， 等。 深海機械手關(guān)節伺服控制[J]. 機械與電子， 2007, 2007（2）： 49-52.

　　[30] 王亞猛。 水液壓驅動(dòng)的水下機械臂 PWM 魯棒控制研究[D]. 華中科技大學(xué)， 2011.

　　[31] 海洋報。 3500 米深海機器人--"海龍" 號研制成功[J]. 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品， 2004 （9）： 20-20.

　　[32] 王曉東， 孟慶鑫。 SIWR-Ⅱ 水下機器人作業(yè)系統的研制[J]. 海洋技術(shù)， 1998, 17（2）： 59-64.

　　[33] 劉賀平。 SIWR-Ⅱ 型水下機械手的誤差分析， 路徑規劃及計算機仿真[D]. 哈爾濱工程大學(xué)，2003.

　　[34] 鄭笑寧。 水下遙操作實(shí)驗系統工具庫控制系統的研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)， 2003.

　　[35] 秦耀昌。 基于終端滑模的水下機械手運動(dòng)控制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)， 2012.

　　[36] 王成軍。 七功能水下機械手本體設計及自適應控制研究[D]. 哈爾濱工程大學(xué)， 2009.

　　[37] 邱會(huì )強， 金慧， 章艷， 等。 深海水下作業(yè)型機械手仿形手柄控制技術(shù)研究[J]. 機電工程， 2005,22（6）： 40-43.

　　[38] 何晉， 王杰， 王華。 基于模糊策略的水下機械手軌跡控制[C]//第二十六屆中國控制會(huì )議論文集。2007.

　　[39] 吳忠強， 樸春俊。 模型參考自適應控制理論發(fā)展綜述[J]. 信息技術(shù)， 2000 （7）： 33-35.

　　[40] 孫煒。 智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的機器人控制理論方法研究[D]. 長(cháng)沙： 湖南大學(xué)， 2002.

　　[41] Xu G, Xiao Z, Guo Y, et al. Trajectory tracking for underwater manipulator using sliding modecontrol[C]//2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics （ROBIO）。 IEEE, 2007:2127-2132.

　　[42]劉松國。 六自由度串聯(lián)機器人運動(dòng)優(yōu)化與軌跡跟蹤控制研究[D]. 湖北中醫學(xué)院。

　　[43] 宋文騏， 萬(wàn)光珉， 楊宗正。 機械手的基本知識（五）， 第六章， 機械手的運動(dòng)平衡性及定位精度[J].鍛壓機械， 1979（06）：38-47.

　　[44] 呂正剛， 劉恒麗， 余競超。 基于模塊化設計思想的電冰箱概念設計[J]. 包裝工程， 2011,032（008）：34-37.

　　[45] 譚湘敏， 趙冬斌， 易建強，等。 全方位移動(dòng)機械手運動(dòng)控制Ⅰ--建模與控制%Motion Control ofOmnidirectional Mobile Manipulators （Part I）--Modeling and Control[J]. 機械工程學(xué)報， 2009,045（001）：35-41.

　　[46] 趙威。 SCARA 機械手運動(dòng)特性與控制策略研究[D]. 2016.

　　[47] 王建軍。 諧波減速器的結構力學(xué)分析[D]. 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2011.

　　[48] 張鐵異， 張孟軍， 周曉蓉，等[P]. 一種三自由度極坐標型教學(xué)液壓驅動(dòng)機械手：.

　　[49] 李?lèi)?ài)華。 內嵌式 SMA 電機驅動(dòng)控制系統研究[D]. 華中科技大學(xué)， 2005.

　　[50] Werner Haas. 動(dòng)態(tài)密封與靜態(tài)密封[J]. 現代制造， 2008（44）：88-91.

　　[51] 蔡自興。 機器人學(xué)（第二版）[M]// 機器人學(xué)（第二版）。 清華大學(xué)出版社， 2009.

　　[52] 唐智。 基于嵌入式和總線(xiàn)技術(shù)的智能移動(dòng)機械手控制系統開(kāi)發(fā)[D]. 河北工業(yè)大學(xué)。

　　[53] 覃仲欣， 蔡錦源。 PLC 在制藥工業(yè)中的應用研究[J]. 廣西輕工業(yè)， 2010, 026（011）：41-42.

　　[54] 龍蔚。 基于 ARM 的嵌入式新風(fēng)測控系統的研究與設計[D]. 北京郵電大學(xué)。

　　[55] 冉會(huì )娟。 基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn) FF（FoundationFieldbus）通信協(xié)議棧中數據鏈路層的開(kāi)發(fā)與研究[D].1999.

　　[56] 劉 強 , 甘永梅 , 王兆安 . PROFIBUS-DP 現場(chǎng)總線(xiàn)通訊接口的開(kāi)發(fā) [J]. 電氣自動(dòng)化 ,2001（04）：4+28-31.

　　[57] Chelace C , Friska J , Priya S A . Automatic Performance Evaluation of Smart Transmittersusing Highway Addressable Remote Transducer Communication[C]// International Conferenceon Smart Systems & Inventive Technology. 2018.

　　[58] 劉海波。CAN 總線(xiàn)在煤礦電力監控系統中的應用[J].煤炭技術(shù)，2018,37（04）：217-219.

　　[59] 孫雪豐。 基于控制網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的紙業(yè)生產(chǎn)過(guò)程監控系統[D]. 武漢理工大學(xué)， 2004.

　　[60] 張晉， 田威， 周敏，等。 機器人自動(dòng)鉆鉚系統集成控制技術(shù)*[J]. 航空制造技術(shù)， 2017, 60（9）：38-42.

　　[61] 黃靜。 基于 OpenGL 的數控銑削加工幾何仿真關(guān)鍵技術(shù)的研究[D]. 武漢理工大學(xué)

（如您需要查看本篇畢業(yè)設計全文，請您聯(lián)系客服索取）