基于欠驱动机构的水下作业机械手仿真研究
水下电动机械手动力学分析及仿真
？ ＝
唱。 Ｓ 唱０ Ｓ Ｏ 巩 ｃ。 Ｃ ｃｏ ， ｍ１＝２．７ 枷０ 哦。 的 ｏ ｋ 的 枷。嘲ｏ １０ｏ ０４ ｇ ｍ２＝０．６６ ｋｇ ｍ３＝０．７ ｋｇ Ｃ １ 一 — ，， ０
０ ０ Ｌ１＝０． ４ Ｌ２＝０．１ ２ ９ ｄ ＝０ ２ ．１１ Ｌ ３＝０． ２１
Ｌ ＣＳ２ Ｏ０Ｇ Ｊ
械手的质量分布信息和运动 学知识 ， 就能计 算 出产 生这一
运 动 各 关 节 所 需 的力 矩 。
第３ １卷
第 ６期
四 川 兵 工 学 报
２１ ００年 ６月
【 制造技术】
水 下 电动 机 械 手 动 力 学 分 析 及 仿 真
林 江
（ 国船 舶 重 工 集 团公 司第 七 一 。研 究 所 ， 北 宜 昌 ４ ３０ ） 中 湖 ４ ０ ３
摘要 ： 用牛顿 一 运 欧拉递推算法对机械手进行 动力学分析 ， 在此基 础上运用单 摆动杆水 动力方程建立 了机械手
０ ２２ｊ ０
】 １
； Ｔ＝
。
： Ｔ＝
ｃ１ ． 】 ２Ｌ １ ， ２ ＝ Ⅸ ４ ０Ｏ ，【 ０ 】 ］。 ． ｆ ：‘ ． Ｌ ０ ｆ 。
０ ０ ０～ ０ ０ ０３ ０ ０ ０ ０ Ｊ ０１
． ．
。
０
厶＝
０
０
０ Ｏ Ｊ ０ Ｏ４
林
江： 水下 电动机械 手动 力 学分析及 仿 真
ｒ ＝ ‘ ｎ “Ｚ
５ ３
可得各相邻连杆之间 的变换矩阵为
ｃ ｓ — ｓｎ０ ０ ｏ ＯＩ ｉ ｌ ｓｎ０ ｉ ｌ ０ Ｏ ｃｓ ｏ ０１ ０
根据机械手模 型测 量得 到动 力学 方程 推导 过程 中所 需要的参数为
水下电动机械手动力学分析及仿真
水下电动机械手动力学分析及仿真水下电动机械手是一种用于水下操作的机械手臂，通常由电动机、减速器、关节、传动机构和执行机构等部件组成。
在水下环境中，机械手需要克服水的阻力和浮力对其产生的影响，因此对水下电动机械手的力学分析和仿真非常重要。
本文将从机械手动力学分析的基础理论出发，介绍水下电动机械手的动力学分析方法，并利用仿真软件对其进行仿真。
首先，我们需要了解机械手的基本结构和工作原理。
水下电动机械手通常由多个关节组成，每个关节可以进行旋转或者伸缩等动作。
机械手可以通过电动机和传动机构驱动关节的运动，实现对物体的抓取、移动等操作。
在水下环境中，由于水的阻力和浮力的存在，机械手在操作过程中会受到额外的力。
接下来，我们可以通过牛顿第二定律对机械手进行动力学分析。
以关节为例，我们可以将其抽象为一个刚体，在关节上施加了力矩后，关节会产生角加速度。
根据牛顿第二定律，力矩等于惯性矩乘以角加速度，可以得到关节的动力学模型。
在水下环境中，我们还需要考虑水的阻力和浮力对关节的影响，因此需要在方程中加入相应的项。
此外，机械手的动力学分析还需要考虑力传递和力矩传递的问题。
在机械手中，力矩会通过传动机构传递给执行机构，并产生对物体的作用力。
因此，我们需要对传动机构的动力学进行分析，以确定机械手在不同位置和姿态下对物体施加的力和力矩。
在进行动力学分析的过程中，我们还可以借助仿真软件，对机械手进行仿真。
通过建立机械手的数学模型，并输入相关参数和初值，可以对机械手的运动进行仿真预测。
仿真结果可以反映出机械手在不同工况下的性能和运动特性，帮助我们设计出更为合理和优化的机械手结构。
综上所述，水下电动机械手的动力学分析和仿真是设计和优化机械手的重要手段。
通过对机械手的动力学进行分析，可以确定其运动学特性和对物体施加的力和力矩，对机械手进行仿真则可以预测其在不同工况下的性能和运动轨迹。
这些分析和仿真结果可以为机械手的设计和优化提供参考和指导，提高机械手的操作效能和可靠性。
AMESim在水下钻机机械手回转控制中的仿真设计
A M E S i m 在水下钻机机械手回转控制中的仿真设计张娜1,刘广治2(1.廊坊职业技术学院计算机科学与工程系,河北廊坊 065001;2.北京探矿工程研究所,北京 100083)摘 要:A M E S i m 软件是计算机系统工程高级建模和仿真平台,为用户提供了一个时域仿真建模环境,利用已有模型和(或)建立新的子模型,来构建优化设计所需的实际原型㊂基于A M E S i m 软件中提供的元件库,建立水下钻机机械手液压控制系统的计算机仿真模型㊂通过改变模型中的设计参数,得到相应的仿真结果;通过对结果的分析得出最优的参数设计,为真实系统的设计提供参考依据,可有效缩短研发周期,降低研发成本㊂关键词:A M E S i m ;仿真模型;机械手中图分类号:P 634,T P 391 文献标识码:A 文章编号:1009282X (2023)06000504S i m u l a t i o n d e s i g n o f A M E S i m i n r o t a r y c o n t r o l o f u n d e r w a t e r d r i l l m a n i pu l a t o r Z H A N G N a 1L I U G u a n gz h i 21 L a n g f a n g P o l y t e c h n i c I n s t i t u t e D e p a r t m e n t o f C o m p u t e r S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g L a n g f a n gH e B e i 065001 C h i n a 2 B e i j i n g I n s t i t u t e o f E x p l o r a t i o n E n g i n e e r i n g B e i j i n g 100083 C h i n a A b s t r a c t A M E S i m s o f t w a r e i s a n a d v a n c e d m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n p l a t f o r m f o r c o m p u t e r s y s t e m s e n g i n e e r i n g p r o v i d i n gu s e r s w i t h a t i m e -d o m a i n s i m u l a t i o n m o d e l i n g e n v i r o n m e n t t h a t u t i l i z e s e x i s t i n g mo d e l s a n d o r e s t a b l i s h e s n e w s u b -m o d e l s t o c o n s t r u c t a c t u a l p r o t o t y p e s r e q u i r e d f o r o p t i m i z a t i o n d e s i g n B a s e d o n t h e c o m p o n e n t l i b r a r y pr o v i d e d i n A M E S i m s o f t w a r e t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o n m o d e l o f h y d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f u n d e r w a t e r d r i l l m a n i p u l a t o r i s e s t a b l i s h e d B y c h a n g i n gt h e d e -s i g n p a r a m e t e r s i n t h e m o d e l t h e c o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o n r e s u l t s a r e o b t a i n e d b y a n a l y z i n g t h e r e s u l t s t h e o p t i m a l p a r a m e t e r d e s i g n c a n b e o b t a i n e d w h i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e b a s i s f o r t h e d e s i g n o f r e a l s y s t e m s t o e f f e c t i v e l y sh o r t e n t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t c y c l e a n d r e d u c e t h e c o s t s K e yw o r d s A M E S i m s i m u l a t i o n m o d e l m a n i p u l a t o r 收稿日期:20220219基金项目:廊坊市科技局项目(编号:2023011039) 作者简介:张娜(1983-),女,讲师,主要从事计算机软件仿真方面的研究,E -m a i l :l i u g u a n gz h i 01@163.c o m ㊂1 概述1.1 A M E S i m 软件A M E S i m 软件是计算机系统工程高级建模和仿真平台,它是由法国I m a g i n e 公司1995年开始推出的基于计算机技术的系统建模及仿真软件,作为系统仿真的标准平台受到了世界各国用户的一致认可㊂A M E S i m 软件主要用于解决控制㊁气动㊁电磁㊁机械以及液压等复杂的系统问题,已经被广泛用于设计和分析车辆㊁航空航天㊁工程机械和船舶㊁铁路等行业的数字试验平台㊁机器人㊁传动系统㊁泵㊁马达㊁矢量推进器等[1-3]㊂A M E S i m 为用户提供了一个时域仿真建模环境,它可利用已有模型和(或)建立新子模型,来构建优化设计所需的实际原型,采用易于识别的标准I S O 图标和简单直观的多端口框图,方便用户建立复杂系统以及用户所需的特定应用实例,还可以修改模型和仿真参数进行稳态和动态仿真㊁绘制曲线并分析仿真结果㊂该软件界面友好㊁操作方便,能够让使用者快速建立仿真模型,并能帮助用户分析系统参数以及优化设计,从而缩短开发周期,减少开发成本㊂用户可以直接使用A M E S i m 软件提供的元件库,包括信号控制库㊁机械库㊁液压库㊁液压元件设计库㊁动力传动库㊁液阻库㊁气动库㊁电磁库㊁电机及驱动库㊁冷却系统库㊁热库㊁热液压库㊁热气动库㊁热液压元件设计库㊁二项库㊁空气调节系统库等来构建仿真模型,从而可以从繁琐的数学建模中解放出来,专注于系统本身的设计㊂该软件中的应用库也正在针对不同的研究对象进行不断地补充和完善㊂此外,作为设计过程中一个重要的应用工具,A M E S i m 具有与其他软件丰富的接口,例如S i m u l i n k ㊁A d a m s㊁L a b V I E W ㊁S i m pa c k ㊁F l u x 2D ㊁R T L ab ㊁d S P A C E ㊁i S I G H T 等㊂1.2 水下钻机机械手水下钻机是一种钻探系统完全工作于水底的钻探设备,与通常的船载钻机需要钻探船或钻井平台有着完全不同的工作方式,水下钻机在水下工作时,只需要一条具有承载能力的脐带缆就可以实现远程的能量供应和通讯控制,图1为水下钻机工作示意图㊂与船载钻机相比,水下钻机具有钻探成本低㊁效率高㊁受天气影响小㊁样品扰动小㊁取心质量高㊁设备体积小㊁易操作和船舶适应性强等特点㊂因此,研发水下钻机用于海底资源勘探㊁海洋地质调查以及海洋科学考察,已成为必然趋势㊂图1 海底钻机工作示意图[4]F i g .1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s u b s e a d r i l l i n g ma c h i n e 由于水下钻机通过远程遥控的方式进行作业,因此水下钻机钻杆的接卸需要利用机械手来完成,水下钻机钻杆接卸机械手及钻杆存储机构如图2所示㊂钻杆与岩心管均沿着径向布置在存储机构中,机械手的回转中心为钻杆和岩心管存储机构的圆心,机械手在回转马达的驱动下,沿着给定的角度去抓取钻杆用于水下钻机钻进,同时机械手也将含有取出样品的岩心管送到岩心管存储机构中㊂该过程1.机械手;2.岩心管存储机构;3.钻杆存储机构;4.机械手安装座图2 海底钻机械手及钻杆存储机构F i g .2 S u b s e a d r i l l m a n i p u l a t o r a n d d r i l l p i p e s t o r a ge m e c h a n i s m对机械手回转角度控制都很严格,机械手接卸钻杆的精度直接关系到水下钻机作业能否顺利完成㊂由于水下环境的特殊性,机械手等关键部件的研发成本很高,借助计算机仿真的手段,建立仿真模型,确定关键参数,为定型设计提供依据,降低研发成本㊂2 水下钻机机械手控制系统物理模型搭建水下钻机机械手控制系统最关键的就是控制好机械手的回转角度,并对相应角度的钻杆进行抓取㊂水下钻机机械手回转动作的控制模式是比例阀控摆动马达的回转运动,控制策略为角度反馈的闭环控制[5-8]㊂利用A M E S i m 仿真软件建立机械手控制系统仿真模型分为以下四个步骤:①方案模式(s k e t c hm o d e),可以创建新系统以及修改或完成一个已有的系统;②子模型模式(s u b m o d e l m o d e),可以给每一个元件选择子模型㊁使用首选子模型功能(pr e m i e r s u b m o d e l )以及删除元件的子模型;③参数模式(pa r a m e t e r m o d e ),可以检查或修改子模型参数㊁拷贝子模型参数㊁设置全局参数㊁选择方案的一部分区域,显示这一区域的共同参数,以及设置批运行;④仿真模式(s i m u l a t i o n m o d e ),可以初始化标准运行仿真和批量运行仿真㊁绘制结果图㊁存储和装载所有或部分坐标图的配置㊁初始化当前系统的线性化㊁完成线性化系统的各种分析,以及完成活性指数分析㊂利用A M E S i m 软件库中元器件的模型,搭建水下钻机机械手回转控制的物理模型如图3所示㊂各个模型主要参数:马达排量100m L /r,运动部件转动惯量100k gm 2,运算放大器参数10,泵排量28m L /r ,电机转速1000r /m i n ,工作压力21M P a㊂图3 机械手回转控制系统仿真模型F i g .3 S i m u l a t i o n m o d e l o f m a n i p u l a t o r r o t a t i o n c o n t r o l s ys t e m 3 水下钻机机械手回转控制系统仿真及分析钻杆在存储机构的分布规律为沿圆周每隔15ʎ布置,因此机械手的回转机构的回转角度为15ʎ的整数倍,所以选取作为输入信号,如图所示㊂图4 输入信号曲线F i g .4 I n p u t s i gn a l c u r v e 输入的控制信号为阶跃信号,控制信号与角度传感器的反馈信号进行做差,差值经过信号放大器放大后控制比例方向阀动作,摆动马达按照输入信号回转,直至角度传感器测得信号与输入信号相同为止㊂输入信号为15ʎ时,机械手回转角度响应曲线如图5所示㊂从图5可以看出,在输入的控制信号作用下,比例方向阀控制机械手回转,机械手回转角度开始时系统存在超调;在闭环控制下,慢慢稳定在输入信号所限定的位置附近进行微小角度的摆动,这种现象可能由于机械手回转部分的惯量大引起㊂改变机械手回转部分的转动惯量,可以得到机械手回转角度响应曲线规律,如图6所示㊂由图6图5 机械手回转角度响应曲线F i g .5 R e s p o n s e c u r v e o f m a n i p u l a t o r r o t a t i o n a n gl e 图6 机械手回转角度响应曲线F i g .6 R e sp o n s e c u r v e o f m a n i p u l a t o r r o t a t i o n a n gl e 可以看出,机械手回转部分的转动惯量确实可以影响超调量,但系统都存在振动㊂分析原因可能是系统的阻尼小,因此在机械手的回转控制系统中通过改变阻尼元件,来分析是否由于系统阻尼小导致角度响应曲线存在超调以及振动㊂在机械手回转系统中增加节流阀,改变节流阀的开口度,得到的机械手回转角度响应曲线如图7所示㊂从图7中可以看出,降低机械手回转控制系统的节流面积可以有效地解决系统的超调和振动,可以有效提高机械手回转的稳定性㊂图7 机械手回转角度响应曲线F i g .7 R e s p o n s e c u r v e o f m a n i p u l a t o r r o t a t i o n a n gl e改变控制信号的形式,由阶跃控制信号改变为线性输入信号,分析对机械手回转角度曲线的影响规律㊂输入的线性控制信号如图8所示,输入的线性控制信号控制机械手回转由初始位置回转到45ʎ㊂图8输入的线性控制信号F i g .8 I n p u t l i n e a r c o n t r o l s i gn a l 在图8输入的线性控制信号作用下,机械手回转角度及角速度变化曲线如图9所示㊂在线性控制信号控制下,机械手回转角度响应曲线表现为线性变化,与输入信号一致㊂比较图9与图5可以看出:线性信号控制下的机械手回转角度更加平稳,没有超调及振荡㊂由图9还可以看出机械手回转的角速度比较平稳㊂图9 机械手回转角度及角速度曲线F i g .9 M a n i p u l a t o r r o t a t i o n a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t yc u r v e 4 结论机械手回转过程中,回转部分转动惯量大小会影响机械手回转的控制精度㊂因此机械手在设计过程中,在保证强度的前提下,应尽量减轻回转部分的重量及偏心量,从而降低回转部分的转动惯量㊂机械手回转控制系统中增加节流阀可以有效增加系统阻尼,改善回转过程中的稳定性㊂A M E S i m 仿真软件可以快速搭建液压控制系统,通过改变设计参数,得出性能优化曲线,为实际液压控制系统设计提供重要依据㊂借助该软件可以有效模拟实际控制系统的效果,缩短研发周期,节省系统的设计成本㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] 李云峰.现代计算机仿真技术的研究与发展[J ].计算技术与自动化,2002,21(4):7578,83.L I Y u n f e n g .S t u d i n g a n d d e v e l o pm e n t o f m o d e r n c o m -p u t e r s i m u l a t i o n [J ].C o m p u t i n g T e c h n o l o g y an d A u t o m a t i o n ,2002,21(4):7578,83.[2] 付凡成,彭裕.关于计算机仿真技术的研究与发展探讨[J ].电子制作,2013(21):228228.F U F a n c h e n g,P E N G Y u .D i s c u s s i o n o n r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y [J ].P r a c t i c a l E l e c t r o n i c s ,2013(21):228228.[3] 李文博.基于M a t l a b 计算机仿真在液压系统中的应用[J ].煤矿机械,2013,34(11):209211.L I W e n b o .C o m p u t e r s i m u l a t i o n o f h y d r a u l i c s ys t e m b a s e d o n M a t l a b [J ].C o a l M i n e M a c h i n e r y,2013,34(11):209211.[4] F r e u d e n t h a l T ,W e f e r G .D r i l l i n g co r e s o n t h e s e a f l o o r w i t h t h e r e m o t e -c o n t r o l l e d s e a f l o o r d r i l l i n g r i gM e B o [J ].G e o s c i e n t i f i c I n s t r u m e n t a t i o n ,M e t h o d s a n dD a t a S ys t e m s ,2013,2(2):329337.[5] 王传礼,丁凡,李其朋,等.对称四通阀控非对称液压缸伺服系统动态特性研究[J ].中国机械工程,2004,15(6):471474.W A N G C h u a n l i ,D I N G F a n ,L I Q i p e n g,e t a l .R e -s e a r c h o n d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f a s y m m e t r i c c yl i n d e r c o n t r o l l e d b y s y m m e t r i c f o u r -w a y va l v e [J ].C h i n a M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2004,15(6):471474.[6] 史显忠,屈福政.对称四通阀控非对称液压缸动态分析[J ].起重运输机械,2006(9):6769.S H I X i a n z h o n g ,Q U F u z h e n g .D y n a m i c a n a l ys i s o f s y m m e t r i c a l f o u r -w a y v a l v e c o n t r o l l e d n o n -s ym m e t r i c a l h y d r a u l i c c y l i n d e r [J ].H o i s t i n g a n d C o n v e y i n g Ma -c h i n e r y,2006(9):6769.[7] 尚增温,孙虹.高频电液伺服系统的发展趋势与新的应用领域[J ].液压与气动,2001,1(6):45.S H A N G Z e n g w e n ,S U N H o n g .T h e d e v e l o pm e n t t r e n d a n d n e w a p p l i c a t i o n o f h i g h f r e q u e n c y el e c t r o -h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m [J ].C h i n e s e H yd r a u l i c s &P ne u m a t i c s ,2001,1(6):45.[8] 杨逢瑜.电液伺服与电液比例控制技术[M ].清华大学出版社,2009.Y A N G F e n g y u .E l e c t r o -h y d r a u l i c S e r v o a n d E l e c t r o -h y d r a u l i c P r o p o r t i o n a l C o n t r o l T e c h n o l o g y [M ].T s i n g -h u a U n i v e r s i t y Pr e s s ,2009.。
基于水下移动平台的机械手设计与研究
毕业设计任务书一、毕业设计（论文）的目的毕业设计（论文）是完成高校人才培养的最后一个重要实践教学环节，其目的是：１．培养学生综合应用所学理论知识和技能，分析和解决机械工程实际问题的能力，熟悉生产技术工作的一般程序和方法。
２．培养学生懂得工程技术工作所必须的全局观念、生产观念和经济观念，树立正确的设计思想和严肃认真的工作作风。
３．培养学生调查研究，查阅技术言文献、资料、手册，进行工程计算、图样绘制及编写技术文件的能力。
4、培养学生通过对机械操作手的独立设计或研究及总结，使学生具有担任机械设计与机械控制工作的初步能力。
二、毕业设计（论文）的要求1、毕业设计（论文）的选题，必须符合专业培养目标和职业岗位（群）的需求，贯穿理论联系实际的原则，尽可能选择与生产、科研或实验室建设任务相结合的工程技术应用性课题，并由指导教师根据课题内容和教学要求出具的指导书。
2、毕业设计题目的大小和难度要适当，使学生能在教学计划规定的时间内完成。
三、毕业设计程序毕业设计大体可分为准备、设计、总结三个阶段。
具体步骤如下：（一）开题报告本次毕业设计（论文）的题目是：基于水下移动平台的机械手设计与研究图机械手外形图基本要求：机器手本体由机座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端执行器和驱动装置组成。
共六个自由度，依次为腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回转、手腕俯仰、手腕侧摆。
30°（开合）设计任务书下达后，学生首先应了解课题的名称，课题来源，设计任务书，提供的原始数据，要求达到的经济和技术指标。
同时不仅要了解自已设计部分的内容，对课题的整体也要有充分的了解。
（二）搜集资料围绕课题，搜集有关中外资料，查阅有关文件及技术文件，或现场了解实际使用情况。
根据设计任务的需要，安排毕业实习和调查研究。
（三）确定设计方案在对本课题有较充分的认识后，提出解决课题的几种方案（结构方案或工艺方案），并对方案进行详细分析，提出优、缺点和实施的可能性。
水下机械臂设计与仿真
水下机械臂设计与仿真在现代化科技的发展中，水下机械臂作为一种具有强大功能的工具设备，被广泛应用于海洋、石油、水电等领域。
水下机械臂在这些领域中扮演着不可或缺的角色，具有取代人工作业的功能，提高了生产效率，降低了劳动强度和安全风险。
因此，水下机械臂的设计和研究对于推动这些行业的发展具有重要的意义。
一、设计思路在设计水下机械臂时，需要考虑到机械臂的材料、结构和工作原理等因素。
首先，机械臂的材料需要选择具有良好氧化防护性能和耐腐蚀性的材料，如316L不锈钢、钛合金等。
其次，机械臂的结构应该具有高刚度和高强度，以保证机械臂在工作中不易变形，不易断裂。
最后，水下机械臂的工作原理应该清晰明确，能够通过远程操纵来完成各个动作。
对于机械臂的设计，可以参考其他机器人的结构和工作原理，以提高设计的效率和精度。
同时，也需要加入人类工程学和动力学的知识，进行适当的改良和优化，使机械臂的操作更加人性化，更加精准。
二、关键技术在机械臂的设计中，关键技术包括机械臂的力学结构、水下操作系统的设计和智能传感控制技术等方面。
首先，机械臂的力学结构必须优化，以获得最佳的运动学性能和结构刚度。
同时，操作系统必须具有稳定性和高效性，能够进行精确的远程操作，以确保机械臂的动作精度和震动幅度都在合理范围内。
另外，智能传感控制技术是机械臂设计中的重要组成部分。
机械臂需要通过各种传感器获取环境信息，并实时反馈给操作者。
传感技术的发展为机械臂提供了更加精确的控制，使其在复杂的环境中也能够准确地完成任务。
三、仿真分析在机械臂的设计和研究过程中，仿真分析技术是必不可少的工具。
通过进行仿真分析，可以模拟机械臂在水下环境中的各种动作和变化，分析机械臂的结构和工作性能，并且通过对仿真结果的分析和评估，对机械臂的设计进行优化和改进。
在仿真分析中，机械臂的运动学模型和动力学模型是重要的内容。
根据机械臂的物理特性，编制机械臂的运动学模型和动力学模型，模拟机械臂的欧拉角、关节角度和关节速度等参数的变化，预测机械臂的动作轨迹和工作效率。
水下机器人的机械手臂设计与仿真
水下机器人的机械手臂设计与仿真水下机器人的机械手臂设计与仿真是水下机器人技术中的重要领域之一、水下机器人的机械手臂主要用于执行各种任务，如修复、安装、采样等。
因此，设计一款稳定、灵活、高度智能的水下机器人机械手臂对于水下机器人的有效操作至关重要。
首先，设计水下机器人的机械手臂需要考虑以下几个方面：机械结构、力学性能、控制系统和任务需求。
机械结构是机械手臂设计中最基础的部分。
考虑到水下环境的复杂性和极限工况，机械结构需要具备高强度、耐腐蚀和耐重压等特点。
同时，机械结构还需要设计为模块化结构，方便维护和升级。
力学性能是机械手臂设计中的关键因素之一、在水下环境中，机械手臂需要能够承受水压、扭矩和重力等多种负荷。
因此，材料的选择和结构的设计需要充分考虑这些负荷。
控制系统是机械手臂设计中的另一个重要因素。
水下机器人的机械手臂通常由多个关节和传感器组成，需要设计合适的控制算法和控制器。
此外，为了实现自主操作和精确控制，机械手臂的控制系统还需要具备高度智能化的功能。
任务需求是机械手臂设计的最终目标。
根据不同的任务需求，机械手臂的设计和功能各不相同。
例如，水下机器人的机械手臂用于采样任务时，需要具备高精度的抓取和定位功能；在修复任务中，机械手臂需要能承受高扭矩和扭力。
对于水下机器人机械手臂的仿真，可以使用计算机辅助设计和仿真软件。
这些软件可以提供对机械结构和力学性能的仿真分析，帮助设计人员优化设计方案。
同时，还可以通过仿真模拟机械手臂的运动和控制，验证控制系统的性能和稳定性。
总结来说，水下机器人的机械手臂设计与仿真需要从机械结构、力学性能、控制系统和任务需求等方面进行考虑和优化。
通过合理的设计和仿真分析，可以提高机械手臂的性能和可靠性，并实现水下机器人在复杂环境中的任务效能。
水下清刷机械手的总体设计及方案分析
水下清刷机械手的总体设计及方案分析水下清刷机械手是一种专门用于清洗海水中器械和设备的机械手，具有非常高的实用性和安全性。
在设计和建造水下清刷机械手之前，需要认真分析所有相关因素，如使用环境、功能要求和技术细节等。
下面将给出一个水下清刷机械手的总体设计及方案分析。
1. 设计目标水下清刷机械手需能够对海底设备进行彻底清洗，安全可靠且易于操作。
此外，该机械手需适用于不同的水深和不同类型的海底设备，因此还需要具备灵活性和适应性。
2. 总体设计水下清刷机械手需要具有以下主要部分：2.1 机械手臂和清洗手段机械手臂是机械手的核心部件，需要能够灵活地调整和控制。
清洗手段包括高压水枪、清洗刷子和吸尘器等，以清洗器械和设备表面。
2.2 控制系统控制系统是该机械手的重要组成部分，需要能够实现精确的机械手臂和清洗手段的操作。
控制系统需要与机械手臂和清洗手段紧密配合，以确保机械手的高效运作。
2.3 供电系统机械手需要大量的电力才能持续运转，因此需要具备稳定的供电系统，以确保机械手的正常运转。
供电系统需要能够适应不同的水深环境和潜水时间，以便供电完整。
3. 方案分析在设计水下清刷机械手时，需要综合考虑诸多方面的问题，包括使用环境、使用频率和维护成本等。
以下是一些值得考虑的建议方案。
3.1 机械手臂机械手臂应该采用轻巧且高强度材料，例如碳纤维或钛合金等。
机械手臂应该有可调控的长度和角度，以适应不同的设备和水深。
此外，机械手臂还应该具有机械臂识别的功能，以方便操作员控制。
3.2 清洗手段清洗手段可以采用高压水枪、清洗刷子和吸尘器等。
这些手段能够有效清除海底设备表面的藻类和生物污垢。
清洗手段需要能够充分清洗设备表面，以确保清洗效果，同时还需要具备高效率和安全性。
3.3 控制系统控制系统需要具备稳定性和准确性。
将传感器集成到机械手臂和清洗手段中，以检测机械手运动和机器清洗的细节。
这些传感器能够提供重要的信息，帮助操作员更好地掌握机械手的运转情况。
水下机器人的机械臂控制技术研究
水下机器人的机械臂控制技术研究随着科技进步和海洋开发的深入，水下机器人已经逐渐成为探索海洋资源的重要工具。
作为水下机器人的重要组成部分，机械臂的控制技术对其性能和实用性起着重要的作用。
本文将从机械臂的控制方法、控制系统的设计以及关键问题解决方案等方面着手进行研究探讨。
机械臂的控制方法机械臂作为水下机器人最为重要且灵活的部分，在控制方法上有许多种选择。
其中，最常用的是PID控制。
PID控制是一种基于反馈控制原理的控制方法，能够满足在不同应用中对于精度、响应时间和稳定性等方面的需求。
结合水下机器人的实际情况，对机械臂的动力学模型进行建模，并基于该模型设计PID控制器，可以实现机械臂对于目标位置的精确控制。
此外，模糊控制与神经网络控制也在机械臂的控制方面得到了应用。
模糊控制的特点是能够处理模糊的输入，对于系统的变化以及不确定性有着较好的鲁棒性。
而神经网络控制则通过训练神经网络去学习机械臂的控制策略，从而实现对于机械臂的控制。
这些控制方法的应用可以有效提高机械臂在水下环境中的适应性和控制能力。
控制系统的设计控制系统是机械臂控制的重要组成部分。
在设计机械臂控制系统时，需要考虑各个因素的影响以及系统所需要的各种功能。
首先，根据机械臂的要求，选择合适的控制器，例如单片机、工控机等，并根据需要选择相应的传感器，如编码器、陀螺仪等，以实现对机械臂的控制并收集相关信息。
其次，为了方便用户操作，需要设计一个良好的用户界面，使用户能够对机械臂进行远程控制和监测。
在控制系统的设计中，还需要考虑机械臂与其他组件之间的协调。
例如，在与船舶等运输工具配合时，需要设计与运输工具对接的系统。
同时，在与其他机器人进行协作时，也需要设计对应的通信和控制模块。
这些都需要考虑到机械臂在水下环境中的特点和局限，进行设计和适应性调整。
关键问题解决方案在水下机器人的使用和应用过程中，可能会遇到诸如水下环境复杂、通讯不稳定以及燃料能源不足等问题。
水下机器人的动力学仿真与控制研究
水下机器人的动力学仿真与控制研究水下机器人是指能够在水下运行的机器人，它可以用于深海勘探、水下修复、水下搜救等领域。
目前，水下机器人的种类比较多，包括潜水器、自主式水下机器人（AUV）、遥控水下机器人（ROV）等。
针对水下机器人控制方法，很多学者已经进行了深入的研究，其中动力学仿真和控制研究是其中非常重要的一块。
一、水下机器人的动力学仿真动力学仿真是指通过计算机软件对机器人运动进行建模，并求解运动方程，研究机器人在水下的动力学行为。
采用动力学仿真可以评估机器人的性能、调试控制系统、优化设计、预测操作情况等。
在水下机器人的动力学仿真研究中，机器人的运动是由三个方面影响的，分别是舵机、电机和螺旋桨。
对于模拟水下机器人所需的运动学模型，主要是旋转运动和线性运动，包括平动运动和横摆运动。
旋转运动的模型主要包括横滚、俯仰和偏航三个方向的转动，而线性运动的模型则包括推力、动阻和浮力三个方向的运动，此外，在水下机器人的控制方法研究中，通常将水下机器人看作刚体，因此还需确定惯性矩阵及其逆。
在动力学仿真的基础上，可以进行水下机器人控制系统的建模与仿真。
这将在下一部分进行详细阐述。
二、水下机器人的控制研究水下机器人的控制研究分为两类：开环控制和闭环控制。
开环控制是指在控制过程中没有反馈，也就是说，无法根据水下机器人的状态进行控制。
同时，开环控制方式适用于机器人比较简单的情况，比如实现特定路径跟踪等。
研究水下机器人的控制方法需要从控制任务、控制方法、反馈传感器以及控制策略四个方面进行考虑。
对于水下机器人的控制任务，由于机器人的应用范围非常广泛，因此，控制任务也是各不相同的。
例如，需要在水下进行仔细的清洁工作或者紧急的救援、勘探等。
通常，先将水下机器人的控制任务建立模型，针对不同的任务要设计不同的控制策略，并通过仿真进行验证。
控制方法通常有PID控制器、LQR控制器、SMC控制器等。
其中，PID控制器是一种比较常见的闭环控制器，主要应用于位置控制，但是对于非线性控制很难处理。
基于欠驱动机构的机械手的研究的开题报告
基于欠驱动机构的机械手的研究的开题报告一、研究背景和意义随着机器人技术的不断发展，机械手已经被广泛应用于工业生产、医疗卫生、军事行业、航天科技等领域。
机械手的多自由度、高精度和高效率已经成为机器人技术的重要代表。
但是对于机械手的研究，仍然存在很多的问题。
例如，机械手的关节数量过多，控制复杂，机械结构重量大、成本高等问题。
而基于欠驱动机构的机械手技术可以很好地解决这些问题，可以将机械手的关节数量降低，减小机械结构重量，降低成本，提高效率。
因此，研究基于欠驱动机构的机械手技术具有非常重要的意义。
首先可以进一步改善机械手的结构，提高其运动的稳定性和可靠性，同时也可以提高机械手的精度和灵活性，适用于更多的场景。
二、研究内容和方法本课题将研究基于欠驱动机构的机械手技术，研究内容具体包括以下方面：1. 欠驱动机构的原理和分类：对欠驱动机构进行分类和介绍，详细探讨其原理和特点，了解不同欠驱动机构的优缺点。
2. 机械手的设计和分析：采用Solidworks等建模软件设计和分析欠驱动机构的机械结构，探讨不同结构的优劣。
3. 控制系统的设计和实现：设计机械手的控制系统，包括硬件和软件，实现机械手的运动控制。
研究方法主要包括文献研究、模型建立、仿真分析和实验验证，逐步实现机械手的设计、优化和控制。
三、预期成果本课题将研究基于欠驱动机构的机械手技术，预期的研究成果主要包括：1. 基于欠驱动机构的机械手的设计和分析：提出一些新型的机械结构，降低机械手的关节数量，提高机械手的灵活性和精度。
2. 控制系统的设计和实现：设计机械手的控制系统，包括硬件和软件，实现机械手的运动控制。
3. 实验结果的验证：通过实验测试，验证机械手设计和控制系统的性能，实现机械手的稳定运动和高精度操作。
四、进度安排本次研究计划在3年内完成，安排如下：第一年：文献研究、欠驱动机构的原理和分类、机械手结构的设计和分析。
第二年：机械手控制系统的设计和实现、仿真分析。
多自由度欠驱动仿生机械手机构与造型设计
多自由度欠驱动仿生机械手机构与造型设计由于战争、交通事故等原因,全世界的断臂、断手患者的数量日益增加,因此对假肢、假手的需求也不断的扩大。
同时,在工业生产的特殊环境中,对复杂形状的物体进行自适应抓取,也需要这样的仿生机械手。
但目前市场上接近真手功能的假手通常是机电结合的高科技产品,不但价格昂贵且维护费用高,不能满足广大患者的需要；而且由于人手的自由度多导致的驱动控制系统复杂的问题现在一直也没能得到很好解决。
因此研究开发具有一般人手功能、便于维护而又成本较低的假手一直是研究者和工程师们的不懈追求。
基于上述思路,研制了15自由度欠驱动仿生机械手。
首先,利用多自由度差动驱动原理设计了5自由度差动滑轮组,放置在手掌部分,用于驱动手指运动；手指关节之间用片簧连接,构成弹性铰,并采用模块化嵌入式设计。
通过差动驱动原理与弹性铰链的巧妙结合,设计的仿生机械手机构仅由一个原动力便可驱动手的15个关节进行运动,并具有对抓取物体的自适应性(原动力可由患者的上臂或上肩带动而不需要原动机)。
在此基础上,本文设计了常闭和常开两种状态的仿生机械手,并对常开状态的仿生手设计了反向自锁机构对手指进行抓取控制。
然后,对仿生机械手的运动驱动力以及驱动行程进行了分析,模拟了手指的运动及驱动力随时间变化的曲线。
同时,应用产品形态设计理论和人机工程学原理对仿生机械手进行了造型和参数设计。
并应用Solidworks三维软件对仿生机械手进行三维建模,并通过STL接口利用快速成型机制造出仿生机械手的各部分零件。
最后,对零件进行装配,调试仿生机械手的运动,并应用仿生机械手对不同形状的物体进行了抓取试验。
水下自主作业机械臂轨迹规划与抓取仿真
形空间,如图1所示,其中灰色区域代表障碍物,黄色区域 制器中进行跟踪。插补内容包括从起始点到过渡点、从过
为搜索路径。设置两个表open和closed,搜索步骤如下: 渡点到终点两个阶段的位置坐标插补。常用的轨迹插补有
(1)计算初始节点和其周围节点的代价估计F(n)=g(n) 直线插补和圆弧插补,其他轨迹都可以通过直线或者圆弧
务的执行机构。本研究以水下无人系统中的水下作业机 1 机械臂末端轨迹规划方法
械臂为研究对象, 设计机械臂的轨迹规划与抓取控制方 法,基于V-REP平台开展机械臂自主作业试验进行验证。
机械臂的水下作业是一个较为复杂的工作过程, 其中 涉及了大量控制算法的应用, 现有的算法开发与验证过
机械臂在水下作业时, 利用其末端搭载的机械手完成 夹持等操作。为了保证机械臂末端执行器可以按照预先 设定的连续路径进行作业, 需要在笛卡尔空间对机械臂 末端进行轨迹规划, 分为全局路径规划与局部轨迹插补
和组合以满足使用要求,可支持的编程语言包括Python、 臂末端的运动轨迹规避目标物的外包络。较为便捷的方
C/C++、Lua、MATLAB和Octave等。张世超等[3]利用V- 法是在机械臂末端的运动起始点和抓取位置终点之间,
REP与MATLAB完成机器人加工仿真,在运动仿真中进 设置运动过渡点, 其主要目的就是将机械臂抓取的运动
行碰撞检测和仿真轨迹点的误差分析。任建新[4]等提出了 过程分为如下两个阶段。第一阶段是由起始点运动到过
一种基于Visual Studio与V-REP的联合仿真方法,可以 渡点,这两点间的运动轨迹上没有任何障碍物,因为此运
验证了机器人运动学模型以及正逆解的准确性。郑怡廷[5] 动过程中距目标物较远, 也不会与目标物产生运动干涉。
水下机器人动力学模型研究与仿真
水下机器人动力学模型研究与仿真随着科技的不断进步和人类对于深海和极地的探索，水下机器人的应用越来越广泛，涉及到海洋资源开发、环境监测和军事活动等领域。
与此同时，水下机器人动力学模型研究也越来越重要。
本文将简要介绍水下机器人动力学模型及其仿真，并对其研究内容进行探究。
一、水下机器人的动力学模型水下机器人的动力学模型是描述机器人在不同条件下的运动规律和力学性能的理论模型。
它是水下机器人研究的基础，具有重要的理论和实践价值。
水下机器人的运动涉及到机械结构、电子控制系统、液压系统、水动力学和水下环境等多个方面，因此，动力学模型也是一个复杂的系统。
水下机器人动力学模型的建立主要包括以下几方面内容：1、机器人的动力学分析机器人的动力学分析主要研究机器人在运动中的力学性能，包括机器人的运动学、力学和动力学等方面。
这是分析机器人运动规律的基础。
2、机器人姿态的建立机器人姿态的建立是指对机器人位置和姿态的准确描述和表达，它是机器人动力学模型的重要组成部分。
机器人姿态的描述一般采用欧拉角或四元数表示，可以根据机器人的传感器数据推算出来。
3、水动力学分析水动力学分析是机器人运动的基础，主要研究机器人在水下环境中的受力情况和流体动力学特性。
涉及到机器人的水阻力、浮力、舵效应等方面。
4、控制系统建模控制系统建模是将机器人的动力学建模与控制系统建模相结合，建立机器人整体的动力学模型。
包括力控系统、动力控制系统和运动控制系统等。
二、水下机器人动力学模型的仿真水下机器人动力学模型的仿真是对实际机器人性能进行模拟和预测的有效手段。
它可以节省时间和成本，提高研究效率和可靠性。
水下机器人动力学模型的仿真可以分类为离线仿真和在线仿真两种。
1、离线仿真离线仿真是指在计算机上模拟机器人的运动规律，分析机器人在不同条件下的性能和运动规律。
离线仿真一般都是在水下环境的三维模型上进行，通过动画和图表等多种方式来呈现仿真结果。
这种仿真方式适用于机器人设计、性能分析和控制算法优化等方面。
欠驱动多指灵巧手的优化设计研究
欠驱动多指灵巧手的优化设计研究摘要：欠驱动多指灵巧手是一种具有广阔应用前景的机械手，然而其性能优化设计仍然面临着许多挑战。
本文从机械结构设计、控制算法和感知反馈等方面对欠驱动多指灵巧手的优化设计进行研究，旨在提高其灵活性和精准性，以满足不同领域的需求。
1. 引言欠驱动多指灵巧手是一种具有自由度较低的机械手，其通过合理的机械结构和智能控制算法实现复杂的操作任务。
然而，由于受到自由度限制，欠驱动多指灵巧手在某些特定任务中存在着灵活性和精准性的不足。
因此，对其进行优化设计研究具有重要意义。
2. 机械结构设计欠驱动多指灵巧手的机械结构设计是性能优化的关键。
通过合理设计手指关节的连接方式和长度比例，可以提高手指的运动范围和灵活性。
此外，采用轻量化材料和刚性支撑结构，可以减小机械手的质量和惯性，提高其运动速度和精准度。
3. 控制算法控制算法是实现欠驱动多指灵巧手优化设计的核心。
传统的控制算法往往局限于简单的开环控制或基于反馈控制的PID控制，无法充分发挥欠驱动多指灵巧手的潜力。
因此，采用先进的控制算法，如模糊控制、神经网络控制和自适应控制等，可以提高机械手的动态响应和运动精度。
4. 感知反馈欠驱动多指灵巧手在操作过程中需要准确感知环境和物体的位置和状态。
因此，引入传感器和反馈系统对机械手进行感知反馈是优化设计的重要方向。
通过使用视觉传感器、力/力矩传感器和力触觉传感器等，可以提供准确的感知信息，实时调整机械手的姿态和力量，提高操作的稳定性和精确性。
5. 实验结果与分析通过对欠驱动多指灵巧手进行优化设计，并进行实验验证，可以得出以下结论：优化设计可以显著提高机械手的灵活性和精准性，使其在复杂操作任务中表现出更好的性能。
同时，不同领域的应用需求对优化设计提出了不同的要求，需要根据具体需求进行定制设计。
6. 结论本文对欠驱动多指灵巧手的优化设计进行了研究，从机械结构设计、控制算法和感知反馈等方面提出了优化方案。
实验结果表明，优化设计可以提高机械手的灵活性和精准性，满足不同领域的需求。
水下作业机械灵巧手接触力控制方案的研究
第23卷第4期2008年12月安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报Journal o f Anhui U niver sity o f T echno log y and Science V o l.23.N o.4Dec.,2008收稿日期:2008-08-10基金项目:863国家高技术研究发展计划基金资助项目(2006aa04z244)作者简介:许德章(1964)),男,安徽庐江人,教授,博士.文章编号:1672-2477(2008)04-0001-04水下作业机械灵巧手接触力控制方案的研究许德章,杨 明,汪步云(安徽工程科技学院机械工程系,安徽芜湖 241000)摘要:基于水下精细作业任务需求,阐述了手爪关节驱动形式的选择过程,满足水下作业灵巧手体积小、效率高、负荷大、结构相对简单的要求.并在此基础上,探讨了接触力控制液压回路设计的基本思路,双闭环接触力控制系统的工作原理.为了精确地控制手指与目标间接触力,液压伺服单元选用M oog 公司的D633系列伺服阀,实现接触力连续控制.关 键 词:水下作业;手指;接触力;控制系统中图分类号:T H137.7 文献标识码:A引 言水下工程与装备在国民经济与国家战略中占有重要位置[1].目前,所见到的商业化水下作业机械手一般都是开合型夹持器,例如Bauman's M oscow State Technical U niversity 研制的各类水下机械手[2].与工业机器人夹持器相比,其结构基本相同,工作原理类似,只是为了适合水下特殊作业环境,且满足大负荷要求,通常采用液压驱动形式.开合型夹持器只能完成水下钢索、电缆剪断或切割等简单操作,作业范围有效,精细程度不足.因此,研制一种能满足水下精细作业要求的机械(水下作业灵巧手)是水下工程的迫切要求.从技术角度看,机械手若具备水下精细作业能力,需要满足一系列技术条件,如手爪本身的结构(自由度和关节个数),作业环境感知能力等.其中,作业环境感知能力是完成水下精细作业的先决条件.例如,在打捞水下易碎物品时,就需要精确控制手指与抓取目标间的接触力,接触力过大会造成物品损坏,过小物品从手指间滑落.多年来,国内外专家一直致力于手指与目标间接触力控制研究,从不同角度探讨解决方案.1992年,日本的Kiy oshi Ohishi 从理论上探讨,在没有力传感器的条件下,借助H ]加速度控制器,寻求解决机械手操纵力控制问题的可行性[3].遗憾的是水下作业环境可变因素太多,是一个典型的非特定作业环境,难以建立准确的模型,在没有力传感器的条件下,难以实现真正意义上的力控制.手指与目标间接触力控制的策略主要有力/位混合控制(H y brid Position/Force Control )[4]和阻抗控图1 手爪样机制(Im pedance Control )[5]两种基本方法,其他方法一般都是在这两种基本方法基础上加以改进或综合,如美国的Yo ng Cui 针对水下作业特点,设想利用阻抗和力/位混合控制各自的优点,通过权重的模糊选择,将阻抗和力/位混合控制综合成一体,形成统一的控制策略[6];再如,美国J.Yuh 设计一个干扰观测器(Disturb -ance Observer),用干扰观测误差综合反映水下作业系统的非线性和不确定性[7].综合国内外在机械灵巧手,尤其是水下精细作业方面的研究成果,我们研制的机械灵巧手采用6关节、3手指结构.为了满足水下大负荷、小体积的特殊需要,3个指关节采用3只液压缸驱动,3个根关节共用1只摆线马达驱动,样机如图1所示.针对机械灵巧手液压驱动技术方案,本文从手指与目标间接触力控制的角度,着重阐述控制系统的物理配置和组成方案,为系统性能分析、控制器设计等后续问题探讨,提供一个顶层框架.1 灵巧手关节运动功能分析不管灵巧手完成何种作业任务,握住或抓住1个物体或目标是其应该具备的基本功能.灵巧手抓取目标通常分包络抓取(Enveloping Grasp)和精密抓取(Precision Grasp)两大类[8].包络抓取的主要特征是手指、手掌与目标间有较大接触区域,能牢牢抓住目标,手指操纵目标的灵巧性很差.精密抓取的特征是仅手指的指尖与目标接触,手指对目标操纵的灵活性得到充分发挥.当强调抓取的稳定性时,通常选择包络抓取;当强调对目标操纵的灵活性时,一般选择精密抓取.灵巧手能握住目标,需满足对目标的约束条件,即灵巧手的手指在目标周围合理分布,获得形封闭、力封闭或平衡抓取条件的满足.灵巧手完成目标抓取作业可分为接近目标、执行抓取和操纵目标三个基本阶段.根据作业任务性质和特点,接近目标阶段可以进一步细分为目标识别、抓取模式选择、目标接触面或点的选择、手指移动轨迹的确定、手的预成形等,这一过程主要实现目标形状特征获取和抓取规划两项基本功能,是关节控制指令生成的前期准备工作,属于关节伺服控制的上一层任务.手的预成形、抓取和目标操纵的动作执行需要关节驱动器完成,即属于关节伺服控制完成的功能.机械手一般有旋转、移动两种基本关节类型,本灵巧手的根关节为旋转关节,由液压马达驱动;3个指关节为移动关节,由液压缸驱动.以液压马达和液压缸为执行元件的液压伺服系统,只能控制执行元件的运动方向、运动速度、负载驱动能力3个基本物理量,即液压马达的正转与反转,转动的速度,输出转矩;液压缸活塞杆的正向与反向移动,活塞杆的移动速度和驱动力.据此,灵巧手执行目标抓取与操纵任务的动作虽然复杂,但应由根关节液压马达旋转和指关节液压缸活塞移动的基本动作组合实现.表1 液压系统主要元件型号列表名称标号生产厂家型号主要参数数量液压动力源PPH 4/6.3Danfoss P PH 4旁路电磁阀线圈电机电机转速1000r ad/min,F ma x =0.058m 3/s,P = 2.5~14M Pa 直流24V单相交流,220V ,0.75kW 1节流阀F 3/F6Danfoss V OH 30M P ma x =14M P a,F min =0.05m 3/s 4液压马达M A H Danfoss M V M 160M A H 4F max =0.29m 3/s,M max =8N.m,P ma x = 3.2kW ,W =4.1kg 1水压缸G1/G2/G 3Danfoss A Q 70FD 25/12*100内径=25mm,活塞杆直径=12mm,行程=100mm 3压力控制阀F 7/F8M o og D6303P ma x =35M Pa 22 灵巧手关节驱动液压系统设计根据以上关节运动功能分析,液压系统需要满足如下要求:(1)为了实现手指趋近和离开目标两个基本动作,液压马达和液压缸需具备正、反两个方向的运动功能,即液压回路具备流体介质换向功能;(2)为了满足手指趋近和离开目标运动速度的控制要求,液压回路需具备流体流量控制功能.根据精细作业任务的要求,流量必须连续控制,且应由电脑自动完成;(3)为了实现手指与目标间接触力连续可控的功能,液压驱动元件进出口间的压力差必须连续可控.依据以上3点要求,设计的液压回路如图2.其中虚线部分为液压动力源PPH 4,包括电机M 、液压泵PA 、高压油箱Q 、单向阀F1、安全阀F2、压力表M1、过滤器F 等.驱动手指1、手指2、手指3的3个液压缸分别为G1、G2、G3,其流量通过节流阀F5初步设定;液压马达M AH 是根关节驱动元件,其流量通过F4初步设定.液压缸和液压马达流量的精细调节通过液压伺服阀F7、F8,由DSP 自动控制.节流阀F6、F3为3只液压缸G1、G2、G3和液压马达MAH 提供背压.F7和F8选用美国M oog 公司的伺服比例阀,借助F7和F8对流量和压力的连续控制,实现手指接触力精确控制.经过必要的工程核算,图2的液压系统主要元件选型如表1,液压系统样机如图3所示.#2#安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报2008年图2 液压系统原理图图3 液压系统样机3手指接触力控制的实现图4 伺服阀内部控制流程虽然,液压马达M AH 和液压缸G1、G2、G3的进口压力可以由F7和F8精确控制,但M AH 和G1、G2、G3的出口背压由F3和F6初步设定,不是常量,而MAH 输出转矩和G1、G2、G3活塞驱动力受其进出口压差控制.因此,近依赖控制M AH 和G1、G2、G3的进口压力,无法实现马达MAH 输出转矩和液压缸G1、G2、G3活塞驱动力的精确控制,也就是不能精确控制手指与目标间的接触力.由此可见,进口压力与手指接触力存在比较复杂的非线性关系.为了精确控制手指接触力,控制系统需要配置指力传感器,构成力闭环控制系统.该系统选用的M oo g D633系列伺服阀是一个高度集成的液压伺服模块,阀芯由伺服电机驱动,并集成了阀芯位置检测、反馈、电机PWM 控制和电机功率驱动等单元,工作原理见图4,总体结构见图5,阀芯与节流通路结构见图6.图5 M oo g D633系列伺服阀的组成图6 M o og D633系列伺服阀阀芯结构图7 接触力控制原理依据D633系列伺服阀的工作原理,本系统设计了一个接触力反馈的闭环控制系统,见图7.其中,A/D 和D/A 转换、接触力控制器等功能均由DSP 完成,即图7的虚线部分.为了满足信号不同传输距离的要求,D633系列伺服阀的输入信号采用4~20mA 电流接口标准.为此,在图7的D/A 输出后安排了一个V/I 转换环节,V/I 输出的电流信号直接送给伺服阀,作为图4控制模块的给定信号.综合图7和图4可以看出,本接触力控制是一个双闭环控制系统,外环是接触力反馈环,内环是阀芯位置反馈环.接触力反馈环选用数字控制器,通过DSP 软件实现;阀芯位置环控制器由硬件电路完成,集#3#第4期许德章,等:水下作业机械灵巧手接触力控制方案的研究图8 M oo g D633系列伺服阀流量)压力特性成在D633系列伺服阀内部.图8显示D633系列伺服阀具备优良的控制特性,其进出口压差与流量之间关系的线性非常理想.4 总结本文以水下作业灵巧手操纵接触力控制为线索,鉴于水下作业灵巧手的特殊要求,选择了关节液压驱动形式.以此为基础,组建了液压伺服控制回路,构建了接触力控制系统.参考文献:[1] 国家能源领导小组办公室工作动态,南海深水油气勘探开发关键技术及装备论证会召开[EB/OL ].[2006-07-28].ht tp://w ww.ch-inaenerg y.go /news.[2] M anipulato r fo r M anned U nderw ater V ehicle [EB/O L ].[2005-05-05].http://aqua.sm.bmstu.r u/pr ojects/rush_man/man_w eb_e.htm[3] K iy oshi Ohishi,M asaru M iy azaki,M asahir o Fujita et al.Fo rce Co n -tro l w ithout Fo rce Sensor Based on Sensitiv ity H ]Desig n M ethod[C].N ice Fr ance:[N o publishing house],1992:1356-1361[4] M H Raiber t,J J Cr aig.Hy brid Posit ion/F or ce Contro l of M anipulator [J].Jour nal o f D ynamic Sy stems M easur ementand Contro l,1981,102:126-133.[5] N H og an.Impedance Contro l:A n A pproach t o M anipulat ion[J].par t I -III,A SM E Journal o f Dy namic System M eas -ur ement and Co ntr ol,1985,107(1):1-24.[6] Y ong Cui,N ilanjan Sarkar.A U nified Fo rce co nt rol Approach to A uto no mous U nderw at er M anipulation [C].SanFr an Ciso :[No publishing ho use],2000:1263-1267.[7] J Yuh,S Zhao,P M L ee.A pplicatio n of A daptiv e Disturbance O bserv er Contro l to an U nderw ater M anipulator [C].Seoul kor ea:[No publishing ho use],2001:3244-3249.[8] M ar k R Cutkosky.O n Gr asp Cho ice,Grasp M o dels,and the D esign o f H ands fo r M anufacturing T asks[J].IEEET r an.On Ro bo tics and A uto mation,1989,5(3):456-461.Contact force control method of mechanicaldexterous hand in underwater operationXU De -zhang,YANG M ing,WA NG Bu -yun(Dept.of M ech.Engn.,A nhui U niv ersity of T echnolo gy and Science,Wuhu 241000,China)Abstract:Co ncer ing the fine underw ater operation,the paper discusses driving form of underw ater me -chanical dexterous,in order to meet the needs for small v olume,hig h efficiency,high load and relatively simple str ucture.In addition,the paper elaborates the basic ideal design o f hyfraulic contr ol circuit,and the w orking principle of double closed loop contact fo rce co ntro l system.Fo r the precise co ntrol,the co n -tact force betw een fingers and objextives,M oo g's D633series servo valve is selected as hydraulic servo u -nit,to r ealix e continuous contact force betw een fing er s and objectiv es.Key words:under water o peratio n;fing ers;contact force;contr ol system #4#安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报2008年。
欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析
欠驱动灵巧手的优化设计及仿真分析
张林;王兴东;孙伟;龚彩云
【期刊名称】《武汉科技大学学报》
【年(卷),期】2024(47)1
【摘要】传统欠驱动机械手的运动空间相对固定、操作功能单一,对抓取物没有较强的自适应性,为此设计一种新的连杆式欠驱动灵巧手机构,并进行设计优化和仿真抓取实验。
阐述了该灵巧手的整体机构设计及工作原理,其可实现包络和指尖两种抓取模式。
根据手指的几何尺寸采用协同耦合方式设计手掌尺寸,利用可变手掌协同手指抓取,提高了灵巧手在抓取形状复杂和不同尺寸物体时的自适应性。
基于虚功原理建立灵巧手单指各关节的接触力模型,针对抓取过程中存在的抓取力不足及抓取不稳等问题,使用NSGA-II优化算法对单指机构的杆长进行尺度综合。
利用建立的虚拟样机进行仿真抓取实验,结果表明,该灵巧手具有较强的自适应性,能够稳定抓取多种形状和尺寸的物体。
【总页数】8页(P47-54)
【作者】张林;王兴东;孙伟;龚彩云
【作者单位】武汉科技大学冶金装备及其控制教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH112
【相关文献】
1.欠驱动手爪设计及接触力分析与仿真
2.两关节绳驱式欠驱动手爪设计与仿真分析
3.欠驱动多指机械手优化设计与抓取稳定性分析
4.丫形欠驱动库尔勒香梨采摘机械手的设计与仿真分析
5.一种新型欠驱动机械手爪的抓取分析和优化设计
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ｋｅ ｒ ：ｕ ｄ ｒ ｃ ｕ ｔｏ ｙ ｗｏ ｄｓ ｎ ｅ ａ ｔ ａ ｉｎ；ｕ ｅ ｗａ ｅ ；ｍａ ｐ ｌｔ ｒ ｏ ｌ ｉ ｔｇ ａ ｂｉ ｎｄ ｒ ｔ ｒ ｎｉｕ ａ ｏ ；ｃ ｍｐ ａｎ ｒ ｂ ｎｇ
维普资讯
第 ５卷第 ４期
２０ ０ ７年 １ ０月
中
国
： 程
机
械
学
报
Ｖｏ ． １５ Ｎｏ ４ Ｏｃ ．２ ０ ｔ ０７
Ｃ Ｉ Ｅ ＥＪ Ｕ Ｎ ｌ Ｏ Ｏ Ｓ Ｒ Ｃ Ｉ Ｎ ＭＡ ＨＩ Ｅ Ｙ Ｈ Ｎ Ｓ Ｒ Ａ ＦＣ Ｎ Ｔ Ｕ Ｔ Ｏ Ｃ Ｎ Ｒ Ｏ
Ｔ ＡＮ ｎ －ｋ ｎ Ｄｉｇ ｚ ｏ ｇ，Ｑ ｏ ｅ ｇｈ ａ，Ｙ Ｆ ｎ －ｕ ＡＯ ｎ，Ｚ Ｘｉ ＨＵ — ａ Ｌｉ ｎ，Ｓ ｄ ＯＮＧ ｉ ｎｚ Ｒｕ— ７ ｈ
（ ｏｅｅｏ ｃ ａｉ ｌ ｄＥｅｔｃｌＨａｂ ｎｉｅｒ ｇＵｎｖｒｉ ， ａｂ ５０ １Ｃ ｉａ Ｃ ｌｇ ｆ ｌ Ｍｅｈｎｃ ｌ ｒ ， ｒｉ Ｅ ｇ ｅｉ ｉｅｓｙ Ｈ ｒｉ １００ ，ｈｎ ） ａａ ｎ ｃ ｉ ａ ｎ ｎ ｎ ｔ ｎ
Ａ ｓｒｃ ：Ａ Ｄ ｎｐ ｌｔ ｒｍｏ ｅ ｓｆ ｓ ｅ ｅ ｐ ｄ ｂ ｓ ｄｏ ｉｅ ｔ ｓａ ｄ ｄ ｎ ｍｉｓ Ｔｈ ｏ ｒｌｔ ｎ ｂ — ｂ ｔａ ｔ ３ ｍａ ｉｕａｏ ｄ ｌ ｉ ｔｄ ｖ ｌ ｅ ａｅ ｎ ｋｎ ｍａ ｉ ｎ ｙ ａ ｃ ． ｅ ｃｒｅａｉ ｅ ｉ ｒ ｏ ｃ ｏ ｔ ｅ ｔ ｎ ｌ ｌｍｅ ｔ ｓｔ ｅ ｎ ｌｚｄ ｔ ｅｌ ｅｔ ｅ ｋｎ ｍａｉ ｌａ ｄ ｄ ｎ ｍ ｉ ｌ ｉ ｌｔ ｎ ． ｃ ｒ ｉｇｙ ｗｅｎ ｍｏｉ ａ ｅ ｎ ｓｉ ｈ ｎ ａ ａｙ ｅ ｏ ｒａｉ ｈ ｉｅ ｔ ａ ｎ ｙ ａ ｃ ｍｕａｉ ｓ Ａｃｏ ｄｎ ｌ ， ｏ ｅ ｚ ｃ ａ ｓ ｏ
在 地球表 面上 ，０ ７ ％左右 的面 积为海 水所覆 盖 ， 浩瀚无 际 的海洋 下 面 ， 藏着取 之不尽 、 在这 蕴 用之 不竭 的丰 富资源 ． 随着科学技 术 日新 月异 的发 展 ， 世界 各个 国家 都十 分重 视 对海 洋 资源 的开 发 和利用 ． 中进 海
行 的作 业任务 可分成三类 Ｉ０ ： １ １
（） １ 应急情况下的任务 ： 由于事故导致载人潜水器沉人海底或潜艇发生故障必须将潜水员迅速营救
出来 ， 或极贵重 或很危 险的物件 失落 于海 中 ， 必须 采取 措施 收 回， 炸 弹 、 弹 、 雷 、 头 、 如 导 鱼 弹 飞机 、 只 、 船 泄 漏 的管 道或有毒 、 有害放 射性物 质 ． 了处理这种 应急情 况 ， 提 出了海下 搜索 、 查 、 为 便 检 回收 、 打捞 、 配 、 装 改
基 于 欠 驱 动 机 构 的水 下 作 业 机 械 手 仿 真 研 究
谭 定忠 ， 乔锋 华 ， 姚 昕， 朱丽丹 ， 宋瑞涵
（ 哈尔 滨 工 程 大 学 机 电学 院 ， 黑龙 江 哈尔 滨 １００） ０ １ ５
摘要 ： 立了机械手的三维模 型 ， 建 对机械手运动学 和动力学性 能进行 了仿真研究 ， 分析 了运 动部件之 间的相对 关 系， 完成 了机械手抓取不 同 目标物时 的运 动学 、 动力学仿 真 ； 机械 手采用液 压驱动方式 ， 驱动力大 、 结构简单 ； 机械手有 ３ 个手指 ， 采用 ４个驱动元件实现对机械 手 ｌ 个 自由度 的驱动 ， 手指 之间的相对位置可根据抓取 １ ３个 目标物 的形状而改变 ， 取物体时具有形状 自适应能力 ． 抓
ａｅ ｓｄｆｒ ｒ —ｎ ｅ ｎｐ ｌ ｏ ａ ｄ ｌ ｅ ｅ ｒｅ ｅｄ ｍ （ Ｆ ． ｉａｙ ｔｅ ｅｉｒｃｌ ｏｉ ｒ ｅ ｔ ｅ ｆ ｇ ｒ ｕ ｏａｈ ｅ ｉ ｍａ ｉ ａ ｒ ｏｈｎ ｌ ｅ ｖｎｄｇｅｓ ｆ ｒｅ ｏ ＤＯ ） Ｆｎｌ ， ｃ ｏａ ｐ ｓ ｕ ｔ ｔ ｅ ｅ ｏｆ ｌ ｈ ｒ ｐ —
ｔ ｅ ｈ ｄ ａ ｉ ｒｖ ｎ ｓａ ｐ ｉｄ ｉ ｅ ｍｓｏ ｍｗｅ ｆ ｌａ ｔ ａ ｉ ｎ ａ ｉ ｌ ｔｕ ｔ ｒ Ｉ ｅ ａｌ ｏ ｒａ ｔ ａ ｏ ｓ ｈ ｙ ｒ ｕｌ ｄ ｉｉ ｇ ｉ ｐ ｌｅ ｎ ｔ ｒ ｆｉ ｃ ｒｕ ｃｕ ｔｏ ｎｄ ｓｍｐ ｅ ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｎ ｄ ｔ ｉ ｓ，ｆ ｕ ｃ ｕ ｔ ｒ
关键 词 ： 驱 动 ； 下 ； 业 机 械 手 ； 顺 抓 取 欠 水 作 柔 中 图分 类 号 ： Ｐ２ １３ Ｔ ４ ． 文献标识码 ： Ａ 文 章 编 号 ： ６ ２ ５ ｌ２ ０ ）４ ３９ ５ １ ７ —５８ （０ ７０ —０ ７ —０
Ｓｉ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｎ ｅｒ ｔ ｒ ｍａ ｉ ｕ ａ ｏｒｂ ｓ ｄ ｏ ｍ ｌ ｔ ｆｕ ｄ ｗａ ｅ ｎ ｐ ｌ ｔ ａ ｅ ｎ ｏ ｕ ｄ ｒ ｃ ｕ ｔｎ ｅ ｈ ｎ ｓ ｎ ｅ ａ ｔ ａ ｉｇ ｍ ｃ ａ ｉｍ
装和修理 等水 下作业任 务 ．
（ ）商业 开发活 动 ： ２ 包括 开发海 底石 油 、 然气 及 矿物 资 源 ； 天 收集 海 中水 产 、 海藻 及 其他 海生 物 ； 通过 铺 设海底 电缆 及油气 管线 进行 通讯 和运输 ， 以及水 下旅游 观光等 ． （ ）科学考 察活动 ： 括 海底资 源考 察 、 洋水文考察 、 震测量 及海 洋生物 研究等 活动 ． ３ 包 海 地