文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
深水机械手动力学特性及自主作业研究
姓名:肖治琥
申请学位级别:博士
专业:轮机工程
指导教师:徐国华
2011-05
华中科技大学博士学位论文
摘要
水下机械手是一种重要的海洋开发工具。为了深入了解水下机械手动力学特性,
提高伺服精度和作业能力,降低对操作员的依赖性,本文结合国内第一台深海 3500m
电驱动机械手,针对深水机械手的驱动器、水动力学、伺服控制器以及自主作业开
展研究。
首先,以深水电驱动机械手的驱动器即充油关节为研究对象,研究其动力学特
性。对充油关节油粘性摩擦力矩进行了理论计算,并建立了充油关节的动力学模型。
通过变深工况仿真研究,获得了充油关节油粘性摩擦力矩与水深的关系曲线。模拟
实验研究了不同水深下充油关节电机的效率损耗,并提出可从调节充油粘度和改变
关节内部流场两方面来提高驱动器效率的方法。
其次,以一台深海用水下机械手为研究对象,研究了其在流干扰下的水动力学。
首先,将水下机械手水动力一分为二,即静水中搅水受力和静态下受水流冲击受力。
以 Morison 公式为计算基础,利用 Lagrange 方法建立了水下机械手的动力学模型。
通过数值计算,分析了水阻力、浮力、定常流和非定常流对水下机械手动力学的影
响。发现浮力产生的关节力矩较大,其值与重力力矩在同一数量级,而流干扰和自身
搅水力矩都很小,不在浮力力矩的数量级。
之后,针对变负载工况下水下机械手精确伺服控制的困难,研究了基于水下机
械手动力学模型的控制技术。将滑模控制用于水下机械手的伺服控制,设计了一种
基于水下机械手动力学模型的滑模控制器。控制器利用了系统模型知识,但不要求
精确的数学模型。仿真和实验研究结果表明其对变负载工况具有适应能力。
最后,鉴于当今水下机械手遥控作业高度依赖于操作员,其操作繁琐且难以保
证作业精度的情况,开展了水下机械手自主作业实验研究。通过在水下机械手手臂
上装一独特的超声传感器阵列和一水下摄像头,来实现了对一标有黑色方块纹理的
圆柱体目标的自主抓取作业。其中,超声传感器阵列负责获取目标的距离和粗略方
位信息,而视觉则用于目标的识别以及其方位偏差信息的获取。研究设计了基于两
传感器的水下机械手四步自主抓取算法,其有效性在实验室及船池的实验中得到了
I
华中科技大学博士学位论文
验证。
关键词:水下机械手充油关节动力学伺服控制自主作业
II
华中科技大学博士学位论文
Abstract
Underwater manipulator is an important tool in ocean development. In order to
thoroughly understand its dynamic character, increase the accuracy of the servo control,
enhance its work ability and reduce its dependence on operators. Joint drivers,
hydrodynamics, servo control and autonomous manipulation which are closely linked with
underwater manipulation are studied. The main contents are given below.
At first, the dynamic of underwater electric manipulator joint is analyzed. Oil filled
motor is our research object. Through theoretical calculation, the oil friction torque is
calculated. A dynamic model of oil filled motor is established. The relation between oil
friction and water pressure is studied. Through experiments, one joint motor’s efficiency
in different pressure is tested. Choosing appropriate oil and polishing joint inner space are
two methods for increasin