水下機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計及主從控制方法研究.pdf

1、目前，核能在許多國家的能源領(lǐng)域中所占比例越來越大，由此帶來的核能安全問題也被提升到一個新的高度，利用先進的機器人技術(shù)解決核電站中的設(shè)備檢測、管道維護、水下焊接等作業(yè)任務(wù)已成為工業(yè)機器人發(fā)展的一個熱點。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、堵漏和焊接等工作更是增加了工作人員的風險，因此研究一款主從式水下作業(yè)機械手具有重要安全和實用價值。
　　本文通過研究主從式機器人、水下機械手的發(fā)展現(xiàn)狀

2、，針對中小型核電站反應(yīng)堆的水下檢測、焊接作業(yè)要求，設(shè)計了一款主從式水下機械手，并在此基礎(chǔ)上開展了機械手的運動學分析、主從尺度映射關(guān)系分析、機械手剛度分析、機械手末端誤差分析及單關(guān)節(jié)運動控制分析等，并通過dsPACE半物理仿真平臺開展了主從式機械手的兩關(guān)節(jié)仿真運動試驗研究，為主從式機械手控制方法研究提供了依據(jù)。
　　針對水下作業(yè)環(huán)境的任務(wù)要求，開展了主從式水下機械手的詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計，分別設(shè)計了6自由度的主手和從手同構(gòu)機械手結(jié)構(gòu)。其中，

3、對于主從手分別從構(gòu)型、外形尺寸、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角、關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵零件方面進行了設(shè)計分析，并利用三維建模軟件開展了主從式機械手虛擬建模研究。
　　分析了從手的運動學及動力學。其中運動學通過經(jīng)典 D-H坐標系法求解，利用MATLAB Robot工具箱進行運動學建模和仿真研究，結(jié)果驗證了正、逆運動學方程的正確性和機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性；動力學通過拉格朗日法進行近似建模，進一步證實了從手各關(guān)節(jié)驅(qū)動的合理性。最后通過分析機械手工作空間，對比主從映射

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

5、驗證機械手的末端精度。
　　針對主從式機械手的結(jié)構(gòu)特點，開展了機械手運動控制系統(tǒng)研究，構(gòu)建了主從式水下機械手的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、設(shè)計了控制系統(tǒng)工作流程等。同時，在機械手單關(guān)節(jié)驅(qū)動機構(gòu)數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，針對水下作業(yè)任務(wù)和環(huán)境的多變性，設(shè)計了一種模糊PID控制器，通過仿真實驗表明，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，搭建主從式兩關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，開展了機械手的主從跟隨運動實驗研究，驗證了控制