水下機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及主從控制方法研究.pdf

1、目前，核能在許多國(guó)家的能源領(lǐng)域中所占比例越來(lái)越大，由此帶來(lái)的核能安全問(wèn)題也被提升到一個(gè)新的高度，利用先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)解決核電站中的設(shè)備檢測(cè)、管道維護(hù)、水下焊接等作業(yè)任務(wù)已成為工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn)。特別是核電站的反應(yīng)堆和乏燃料水池等具有高放射性，且關(guān)鍵設(shè)備多處于水中工作，水下檢測(cè)、堵漏和焊接等工作更是增加了工作人員的風(fēng)險(xiǎn)，因此研究一款主從式水下作業(yè)機(jī)械手具有重要安全和實(shí)用價(jià)值。
　　本文通過(guò)研究主從式機(jī)器人、水下機(jī)械手的發(fā)展現(xiàn)狀

2、，針對(duì)中小型核電站反應(yīng)堆的水下檢測(cè)、焊接作業(yè)要求，設(shè)計(jì)了一款主從式水下機(jī)械手，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、主從尺度映射關(guān)系分析、機(jī)械手剛度分析、機(jī)械手末端誤差分析及單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制分析等，并通過(guò)dsPACE半物理仿真平臺(tái)開(kāi)展了主從式機(jī)械手的兩關(guān)節(jié)仿真運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)研究，為主從式機(jī)械手控制方法研究提供了依據(jù)。
　　針對(duì)水下作業(yè)環(huán)境的任務(wù)要求，開(kāi)展了主從式水下機(jī)械手的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分別設(shè)計(jì)了6自由度的主手和從手同構(gòu)機(jī)械手結(jié)構(gòu)。其中，

3、對(duì)于主從手分別從構(gòu)型、外形尺寸、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零件方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析，并利用三維建模軟件開(kāi)展了主從式機(jī)械手虛擬建模研究。
　　分析了從手的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)。其中運(yùn)動(dòng)學(xué)通過(guò)經(jīng)典 D-H坐標(biāo)系法求解，利用MATLAB Robot工具箱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真研究，結(jié)果驗(yàn)證了正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的正確性和機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；動(dòng)力學(xué)通過(guò)拉格朗日法進(jìn)行近似建模，進(jìn)一步證實(shí)了從手各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)的合理性。最后通過(guò)分析機(jī)械手工作空間，對(duì)比主從映射

4、方法和映射系數(shù)大小，對(duì)主從尺度映射關(guān)系進(jìn)行了分析，為主從式控制方法研究提供了基礎(chǔ)。
　　通過(guò)ANSYS軟件分析了主從手在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的受力及變形，并利用模態(tài)分析理論進(jìn)行模態(tài)分析后，本文針對(duì)分析結(jié)果利用ANSYS中優(yōu)化模塊對(duì)比較薄弱的關(guān)節(jié)連臂進(jìn)行了優(yōu)化，之后又對(duì)整機(jī)模態(tài)分析，改善從手模態(tài)性能。針對(duì)機(jī)械手末端的重復(fù)定位精度，本文通過(guò)微分法求解，采用MATLAB編程計(jì)算，最后得出各誤差因素如長(zhǎng)度、角度、運(yùn)動(dòng)變量的影響大小，綜合誤差結(jié)果后來(lái)

5、驗(yàn)證機(jī)械手的末端精度。
　　針對(duì)主從式機(jī)械手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開(kāi)展了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究，構(gòu)建了主從式水下機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)工作流程等。同時(shí)，在機(jī)械手單關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)水下作業(yè)任務(wù)和環(huán)境的多變性，設(shè)計(jì)了一種模糊PID控制器，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)表明，該控制方法相比PID控制具有更好地環(huán)境適應(yīng)性。最后，本文基于dsPACE半物理仿真平臺(tái)，搭建主從式兩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，開(kāi)展了機(jī)械手的主從跟隨運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了控制