水下机器人的机械手臂设计与仿真
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。
水下机器人设计及动力学仿真分析
水下机器人设计及动力学仿真分析水下机器人是一种可以在水下进行任务的机器人，广泛应用于海洋、水库、水文、地质、生态等领域。
设计一款水下机器人需要考虑机器人的结构、动力、控制、传感、通信等方面。
在机器人设计过程中，动力学仿真分析是非常重要的一步。
一、水下机器人结构设计水下机器人的结构设计需要考虑机器人的外形、重量、浮力、机动性等问题。
一般来说，水下机器人会采用静压平衡的设计方案，将机器人的重心保持在机器人的浮力中心上方，使机器人能够在水下保持稳定。
此外，为了提高机器人的机动性，一些水下机器人会采用多自由度的设计方案，使机器人能够在水下进行各种灵活的动作。
二、水下机器人动力分析水下机器人在水中行动需要消耗能量，动力学仿真分析可以帮助设计者计算机器人在水下的运动能力和能源消耗。
在动力学仿真分析中，需要考虑机器人的外形、密度、流体阻力、推进器效率等因素。
利用计算机模拟机器人在水中的运动可以评估机器人的性能，为机器人设计和改进提供数据支持。
三、水下机器人推进器设计水下机器人的推进器设计是确保机器人在水中行动的关键因素之一。
通常情况下，水下机器人会通过电动机驱动螺旋桨或者水流喷射器进行推进。
在推进器设计中，需要考虑推进器的效率、推进力、流量、噪音等因素，以及与机器人结构的协调性和可靠性。
四、水下机器人动力控制水下机器人的动力控制需要考虑机器人的稳定性、操控性和能耗等因素。
通过控制机器人的推进器转速和方向，可以实现机器人的运动和悬停。
动力控制系统需要采用高精度的控制算法，以保证机器人的运动效率和稳定性。
五、水下机器人传感和通信水下机器人的传感和通信是机器人完成任务的关键因素之一。
水下机器人需要搭载各种传感器，如深度传感器、温度传感器、氧气传感器、声纳传感器等，以监测周围环境的变化。
同时，水下机器人需要能够与外部设备进行通信，以控制和获取机器人的状态信息。
综上所述，设计一款性能优秀的水下机器人需要综合考虑机器人的结构、动力、控制、传感、通信等因素。
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 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水下机器人机械手臂的设计与控制
水下机器人机械手臂的设计与控制随着科技的不断发展和应用，水下机器人成为了深海探索和海洋资源开发中不可或缺的工具。
而机械手臂作为水下机器人的“手”也显得尤为重要。
本篇文章将重点探讨水下机器人机械手臂的设计与控制。
一、机械手臂的设计1. 基本结构水下机器人机械手臂的基本结构一般包括机械臂主体、关节、末端执行器和控制系统。
机械臂主体是机械手臂的主支架，关节连接机械臂主体和末端执行器，控制系统是整个机器人的大脑，也是机械手臂的运作中枢。
2. 关节类型机械手臂的关节类型包括旋转关节、线性关节和旋转线性关节。
旋转关节由一个旋转轴固定在机械臂主体上，可以在水平或垂直平面内旋转；线性关节是指沿着直线方向移动的关节，用于伸展机械手臂；旋转线性关节则是既可以沿着直线方向移动又可以旋转的关节。
3. 末端执行器机械手臂的末端执行器一般有钳子、操作器、抓取器等多种类型。
根据机器人的应用场景和需求选择合适的末端执行器非常重要。
4. 简化设计为了避免机械手臂的结构复杂，降低制造成本和运行维护的难度，有时会采用简化设计方案。
例如，机械手臂的关节数目、类型和布局可以进行优化，通过降低复杂度来提高整体的性能和稳定性。
二、机械手臂的控制1. 控制算法机械手臂的控制算法是保证机器人正常运行的核心部分。
常见的控制算法包括PID控制、自适应控制和神经网络控制等。
PID控制是一种经典的控制算法，可以实现位置控制、速度控制和力控制；自适应控制能够根据不同工况自动调整控制参数；神经网络控制则可以模拟人脑的思维方式，具有自学习和自适应的能力。
2. 传感器机械手臂的传感器一般包括编码器、压力传感器、视觉传感器、声呐传感器等。
编码器可以实时感知机械手臂的位置和速度；压力传感器可以测量机器人与周围环境之间的接触力，帮助机器人避免碰撞；视觉传感器可以拍摄周围场景，实现机器人的视觉导航；声呐传感器可以探测水下环境的距离和深度。
3. 增量式控制增量式控制是一种非常常见的机械手臂控制策略。
六轴水下机械臂的设计
六轴水下机械臂的设计吴振华石焘幸运王诗毓摘要：近年来，水下环境的重要性日益凸显，水下航行器作为水中执行多样化任务的装备也显得尤为重要，针对水下航行器应用于水下工作的要求，设计了一种六轴的水下机械手臂，可以用以承担水下作业的抓取、采集、拆除、排障等任务。
引言我国拥有300多万平方公里的海洋面积，油气资源蕴藏丰富，海洋矿藏多样化，是未来经济和战略发展的核心。
然而水下工作环境多变，操作条件复杂，恶劣，并且人在水下工作时间和潜水深度受限，因此运用水下航行器已成为开发探索海洋环境是一种比较先进的选项，所以民用开发和经济建设对水下航行器的需求潜力巨大。
1六轴水下机械手总体结构设计本课题所设计实现的可视机械臂操作系统总体分为五个部分，分别是六自由度机械臂模块、高清摄像头模块、WiFi传输模块、控制主板模块、操作控制终端。
五个模块的系统图示如图1。
本课题采用模块化的设计思路对六自由度关节式机械臂进行设计研发。
仿形人的手臂设计其机械运动结构，其机械结构本体主要模块包括大臂、小臂、手腕和末端执行器。
该机械臂有六个自由度，大臂关节有一个自由度，以大臂为轴可绕垂直扇区旋转；小臂关节有一个自由度，以小臂为轴可绕水平扇区旋转；手腕关节有一个自由度，以手腕为轴可垂直圆面旋转；执行器末端负载有一自由度，控制机械爪以手腕为轴在平圆面开合，进行抓取作业任务。
六个自由度高效运动，互相配合，为机臂提供了全方位的作业空间，能够在臂长范围内无死角作业。
本机械臂的传动设计采用了串联结构，即以矩形臂杆为基础结构，利用其模块容易扩展的特性将机械臂的大臂、小臂、手腕和末端执行器连接起来。
这种设计方案适用于平行肘关节间的同向等角速度传动以及平行轴间的等角速度传动。
其具有结构简单，精度高，耐磨损等优点，适用于具有大量往复运动的机构。
2机械臂受力分析及计算在机械臂的设计与实现中，考虑设计指标和具体需求，本文确定的机械臂构型为俯仰——左右——旋转——夹持。
水下捕捞机械手结构设计与研究
ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｆｉｓｈｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ.
究方向ꎮ
关键词:水下捕捞ꎻ机械手ꎻ结构设计
中图分类号: ＴＨ１６ 文献标志码:Ａ 文章编号:１００７－４４１４(２０２０)０１－０１ｎ ａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｔｈｅ Ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ Ｆｉｓｈｉｎｇ Ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ
工作业方式ꎬ不仅风险大、安全性差、效率低ꎬ而且作
能有效推动海洋捕捞行业的发展ꎮ
业成本高ꎮ
开展水下捕捞机械手的研制ꎬ可直接解决海生物
捕捞传统作业风险大、安全性差、效率低、成本高等现
状ꎬ有效促进渔业的发展ꎬ提高海生物的经济价值ꎮ
也可用于军事无人侦察、安全搜救、海洋输油管道检
查、水下考古等领域
[１]
ꎮ
１ 水下捕捞机械手技术方案
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｆｉｓｈｉｎｇ ｓｕｃｈ ａｓ ｓｅａ ｃｕｃｕｍｂｅｒｓꎬ ｓｅａ ｕｒｃｈｉｎｓꎬ ｅｔｃ. ｉｎ ｔｈｅ ｆｉｓｈｅｒｙ ａｎｄ ａｑｕａｃｕｌ￣
ｔｕｒｅꎬ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｆｉｓｈｉｎｇ ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｔｈｅｓｉｓꎬ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎬ ｂａｓｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ
水下机器人机械手臂的设计与控制
水下机器人机械手臂的设计与控制在水下环境中，机械手臂需要具备良好的自由度和灵活性，以完成各种复杂的任务，例如探测海底资源、进行海底建设和维护等。
因此，机械手臂的设计需要兼顾结构刚性和运动自由度之间的平衡。
在机构结构设计方面，水下机器人机械手臂通常采用串联多关节链结构，以增加其自由度，并且可以实现较大范围的工作空间。
每个关节通常由电机、减速器和传感器构成，其中电机提供驱动力，减速器用于减小电机输出的转速，并增加扭矩，传感器用于测量关节的角度和位置信息。
通过控制各个关节的运动，整个机械手臂可以实现复杂的运动轨迹和姿态。
在选择执行器方面，由于水下环境中存在高压、低温和腐蚀等特点，传统的执行器如液压和气动执行器往往难以满足要求。
因此，电动执行器常常被用于水下机器人机械手臂中。
电动执行器具有结构简单、体积小、响应速度快、易于控制和维护等优点，并且适应水下环境的要求。
目前，常用的电动执行器包括直流电机、步进电机和伺服电机等。
在控制策略方面，水下机器人机械手臂的控制可以分为位置控制和力/力矩控制两种方式。
在位置控制中，通过控制各个关节的位置，使机械手臂达到期望的姿态。
常用的控制算法有PID控制、自适应控制和模糊控制等。
在力/力矩控制中，机械手臂通过感知外部环境的力或力矩信息，并对其进行反馈控制，以实现对物体的抓取、操纵和移动等任务。
力/力矩控制常用的算法有力/力矩反馈控制和神经网络控制等。
此外，水下机器人机械手臂还需要考虑以下几个方面的特点。
首先，由于水下环境的高压和腐蚀性，机械手臂需要采用防水和防腐蚀材料进行封装和保护。
其次，由于水下环境的视觉信息受限，机械手臂通常需要结合其他传感器，如压力传感器和声纳传感器等，以提供更多的环境信息。
最后，机械手臂的控制系统需要具备很高的稳定性和可靠性，以应对复杂的水下工作环境。
综上所述，水下机器人机械手臂的设计和控制涉及机构结构设计、执行器选择和控制策略等多个方面。
通过合理的设计和控制，机械手臂能够在水下环境中具备较高的操作能力和任务执行效果，进一步推动水下机器人技术的发展。
水下大臂展机械手动力学建模与仿真分析
Vol. 45 No. 5May. 2021第45卷第5期2021年5月液压与$动Chinese Hydraulics & Pneumatics doi ： 10.11832/j. issn. 1000-4858.2021.05.003水下大臂展机械手动力学建模与仿真分析刘 涛1!2'3'4 ,张奇峰^3,张运修1!2'3'4 ,孙英哲1!2'3'4 ,范云龙心(1.中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，辽宁沈阳110016；2.中国科学院机器人与智能制造创新研究院，辽宁沈阳110169；3.辽宁省水下机器人重点实验室，辽宁沈阳110169；4.中国科学院大学，北京100049)摘 要：面向水下环境大范围精细作业需求，对水下大臂展机械手系统进行动力学建模和关节驱动力矩求解分析。
首先，基于D-H 理论对水下大臂展机械手进行正、逆运动学分析，求解各连杆速度与加速度； 然后，构建水下大臂展机械手的动力学模型，使用莫里森公式和D-H 理论完善动力学模型中的水动力项，采 用拉格朗日法求解整机的净浮力、惯性力、离心力、科氏力与末端负载力项，得出各关节所需驱动力矩和关节角、环境水流速度以及末端负载之间的函数关系；最后，针对具体作业场景，得出环境水流速度、目标负载转 运下机械手各关节所需驱动力矩，为水下大臂展机械手设计提供理论支撑。
关键词：水下机械手；大臂展;水动力；动力学；运动学中图分类号:TH137；TH113 文献标志码:B 文章编号：1000-4858 (2021 )05-0025-08Dynamic Modeling and Simulation Analysis of UndeDvaterManipulator w 让h Larye ArmsLIU TVO 1，2,3,4 , ZHANG Qi-feng 1，2,3, ZHANG Yun-xio 1，2,3,4 , SUN Ying-zha 1，2,3,4 , FAN Yun-long 1，2,3( 1 .SiaieKeyLaboaaioayoeRoboiocs ， ShenyangInsioiuieoeAuiomaioon ， ChoneseAcademyoeScoences ， Shenyang ， Loaonong 110016；2. Insioiuies eoaRoboiocsand Inie e ogeniManueaciuaong , ChoneseAcademyoeScoences , Shenyang , Loaonong 110169；3.KeyLaboaaioayoeMaaoneRoboiocs , Shenyang , Loaonong 110169；4. University of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100049)Abstract ： Aiming at tha requirement of larya-scaia accurate obsecation and operation of undeoVar environment , dynamocmodeeongand ioonidaoeongmomenioeundeawaieamanopueaioawoih eaageaamsaaeca a oed oui.Foasiey ,based on iheD-H iheoay , iheeoawaad and oneeasekonemaiocsoeundeawaieamanopueaioawoih eaageaamsos anaeyaed.Meanwhoeeiheeeeocoiyand acceeeaaioon oeeach eonk aod aaesoeeed.Then , ihedynamocmodeeoeiheundeawaieamanopueaioawoih eaageaamsosconsiaucied.Amongihem , ihehydaodynamocieamson ihedynamocmodee aaepeaeecied usongMo a oson eoamueaand D-H iheoay.And iheLagaangemeihod osused iosoeeeiheneibuoyancy ,oneaioaeoace , ceniaoeugaeeoace , Coaooeoseoaceand ieamonaeeoad ieam oeihewhoeemanopueaioa.In ihosway , iheeuncioonaeaeeaioonshop beiween ihedaoeongioaqueand iooniangee , amboeniwaieaeeoweeeocoiyand ieamonaeeoad oe each iooniosobiaoned.Fona e y , accoadongioihespecoeocopeaaioon scene , consodeaongiheeeeocoiyoeeneoaonmeniae eeowand iaageieoad , ihedaoeongioaqueeoaeach ioonioeihemanopueaioaaaeobiaoned , whoch paoeodesiheoaeiocae suppoaieoaihedesogn oeiheundeawaieamanopueaioawoih eaageaams.Key words : undeDvatar maniyulatcr, larya amis , hydrodynamic , dynamics , kinematics收稿日期：2020-11-09修回日期：2020-12-16基金项目：国家重点研发计划(2016YFC0300401,2017YFC0306402);中国科学院战略性先导科技专项！ XDA22040102)作者简介:刘涛(1995—),男，山西晋中人,硕士研究生,主要从事水下机械手方面的研究。
基于生物仿生的水下机器人设计实验报告
基于生物仿生的水下机器人设计实验报告一、引言水下世界充满了神秘和挑战，为了更好地探索和利用水下资源，水下机器人的研发成为了重要的研究方向。
生物仿生学为水下机器人的设计提供了新的思路和灵感，通过模仿生物在水下的运动方式、感知能力和适应环境的特性，可以设计出性能更优越、功能更强大的水下机器人。
二、实验目的本实验的目的是设计一款基于生物仿生的水下机器人，以提高其在水下的运动效率、机动性和环境适应能力。
通过对生物原型的研究和分析，将生物的优秀特性应用到水下机器人的设计中，实现更高效、更智能的水下作业。
三、生物原型选择在众多水下生物中，我们选择了鱼类作为主要的仿生对象。
鱼类经过漫长的进化，具备了出色的水下运动能力和适应能力。
其中，金枪鱼和鳗鱼的身体形态和运动方式具有较高的研究价值。
金枪鱼具有流线型的身体结构，能够减少水阻，快速游动。
其尾鳍的摆动方式高效而有力，为推进提供了强大的动力。
鳗鱼则具有灵活的身体，可以在狭窄的空间中自由穿梭，其蜿蜒的运动方式有助于在复杂的水下环境中行动。
四、设计思路（一）外形设计根据金枪鱼的流线型身体结构，设计水下机器人的外壳，减少水阻。
采用类似鳗鱼的柔软可弯曲的结构，增加机器人在狭窄空间的通过性和机动性。
（二）推进系统模仿金枪鱼的尾鳍摆动方式，设计了一套高效的推进系统。
通过电机驱动连杆机构，实现尾鳍的周期性摆动，产生推进力。
（三）感知系统借鉴鱼类的侧线感知系统，在机器人表面安装压力传感器，用于感知水流的变化和周围环境的信息。
（四）控制系统开发了基于反馈控制的算法，根据感知系统获取的信息，实时调整机器人的运动姿态和速度。
五、材料与设备（一）材料1、高强度轻质复合材料，用于制造机器人的外壳，以保证强度的同时减轻重量。
2、防水密封材料，确保机器人内部电子元件不受水的侵蚀。
（二）设备1、高性能电机和驱动器，为推进系统提供动力。
2、高精度传感器，包括压力传感器、姿态传感器等。
3、微控制器和电路板，用于控制机器人的运动和处理传感器数据。
基于ADAMS水下采矿机械手的设计与仿真
机进 一 步研制 提供技 术基础 。
关 键 词 ：采 矿 机 械 手 ；Ａ Ａ Ｓ 虚 拟 样 机 ；仿 真 分 析 Ｄ Ｍ ； 中 图 分 类 号 ：Ｔ ３ １１ 文 献 标 识 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ — ６ ３ （０ ８ ３ １４ ｏ Ｐ９． ０ ２ ６ ７ ２ ０ ）０ — １一 ２
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收 稿 日期 ：２ ０ — ３ ０ ０８０—６
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为了研究机械手 的运 动学 ，需在 每个连杆上 固接个 坐 标 系 ．然后通过 描述这些坐标 系之 间的关 系来描述 连杆 的
作 者 简 介 ：邹 培 海 （ ９ ０ ， 男，副 教 授 ，在 读 硕 士研 究 生 。 Ｉ １ ７ －）
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（ ）机 械手 持 式深 海 热液 保 真采 样器 ：机 械手 夹 持 ｌ ２
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基于 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ水 下 采 矿 机械 手 的 设 计 与 仿 真
邹培 海 ，李 力 ， 陈若 莹
（ 中南 大 学 机 电工 程 学 院 ，湖 南 长 沙 ４ ０８ ） １０ ３
摘
要 ：对 水 下 采 矿 机 械 手 进 行 方 案 设 计 ，利 用 Ａ Ｍ Ｓ软 件 建 立 虚 拟 样 机 ，并 对 其 进 行 仿 真 ， 为 采 集 模 型 ＤＡ
的操控 、作业工具及其接 口、感应式信号传输等。 Ｉ （）机械手持式深海沉积物保真采样器 ：机械手夹 ｌ １
水下机器人的机械结构设计及运动控制
水下机器人的机械结构设计及运动控制导言：水下机器人是一种能够在水下进行各种任务的机器人。
它可以在海洋深处探索未知领域，执行水下修复、勘测和救援等任务。
本文将探讨水下机器人的机械结构设计和运动控制技术，希望能为水下机器人技术的进一步发展做出贡献。
一、机械结构设计1. 水密性设计水下机器人的机械结构设计首要考虑的是水密性。
由于水的压力和腐蚀性，机器人必须具备足够强度和耐腐蚀性的外壳。
材料的选择和结构的设计需要兼顾机械性能和防水性能，以确保机器人的正常运行和长期使用。
2. 全向运动性水下机器人在执行任务时需要具备全方位的运动能力。
因此，其机械结构设计需要考虑良好的机动性和机构的合理布局。
采用多关节机械臂、推进器和舵翼等设计，使机器人能够在水中实现各种运动方式，包括前进、后退、左右转向、上下浮动等，以适应不同的任务需求。
3. 适应性设计水下机器人的机械结构设计应具备适应性，即能适应不同深度、不同水域环境和不同任务需求。
例如，机器人的外壳设计需要能够承受不同水下压力，机构设计需要能够在不同水质条件下正常运行，同时还要考虑任务装备的可更换和升级性，以应对不同的任务要求。
二、运动控制技术1. 传感器技术水下机器人的运动控制首先需要获取环境信息，了解机器人当前的位置、姿态和水下环境的状态。
因此，传感器技术在水下机器人的运动控制中起着至关重要的作用。
水下机器人常用的传感器包括压力传感器、温度传感器、姿态传感器等，通过这些传感器可以获取水下环境的各种参数，从而实现对机器人的精确控制。
2. 控制算法水下机器人的运动控制算法需要能够根据传感器获取的环境信息对机器人的运动进行实时调整。
控制算法通常包括路径规划、运动轨迹控制和动力学建模等，通过对机器人的运动进行建模和优化，实现机器人在水下的精确控制。
优化的控制算法可以提高机器人的运动效率和稳定性，提高任务的完成效果。
3. 防护策略水下机器人在水下作业时面临着各种潜在的危险，比如水流、水压、水温等。
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。
水下作业机器人的设计与控制
水下作业机器人的设计与控制水下作业机器人是一种高科技的设备，是指能够在水下进行各种维护和作业工作的机器人。
在海洋、河流、深水油田等需要进行水下作业的地方，水下作业机器人表现出了非常大的优势。
水下作业机器人集航行、探测、定位，作业和回收为一体，能够取代人工完成各种水下任务。
本文将探讨水下作业机器人的设计和控制。
一、水下作业机器人的结构设计水下作业机器人一般由吊机、控制器和机器人本体三部分组成。
机器人本体通常由浮力模块、控制模块、感应模块和执行模块组成。
1.浮力模块：为机器人提供浮力，可根据不同的需求进行加减。
浮力模块一般由天线、GPS、水压感应器、水温、湿度等组成。
2.控制模块：是机器人最核心的部分，主要负责机器人的控制和智能判断。
这部分通常由计算机、摄像头、指示灯、水下蓝牙、声呐、浮标、水下遥控器、水下通信传感器等组成。
3.感应模块：是机器人进行水下探测和定位的关键部分。
这部分的核心设备包括声呐、罗盘、定位系统等。
声呐可以在水下对目标进行探测，罗盘可以让机器人在水下保持方向不偏离，定位系统可以让机器人在水下确定自己的位置。
4.执行模块：主要是机器人的机械臂，是机器人进行水下作业的核心。
机械臂的设计应根据特定的水下作业需求进行，可能需要配备钳子、剪刀、各种工具等。
二、水下作业机器人的控制方式水下作业机器人的控制方式有线控和自主控制两种。
有线控制通常使用水下遥控器或更高级别的遥控系统，遥控器被放置在水下船只或控制站内，用来控制机器人的方向、速度、深度，机械臂的开闭和各种传感器的操作。
自主控制是通过机器人内部的控制模块，利用现代化算法和控制技术，使机器人能够自主完成水下作业任务。
自主控制相对于有线控制更加复杂和高级，需要更好的控制算法，比如人工智能算法和模糊逻辑控制算法等。
水下作业机器人的自主控制能力日益增强那，未来将有望在更加复杂的水下环境中完成更加危险、关键的作业任务。
三、水下作业机器人的应用水下作业机器人广泛应用于海洋、河流、深水油田等需要进行水下作业的地方。
水下机器人的设计原理
水下机器人的设计原理水下机器人是一种能够在水下进行各种工作的机器人，可广泛应用于海洋勘探、海底资源开发以及海洋科研等领域。
其设计原理主要涉及机械设计、控制系统、电子系统等多个方面，下文将根据这几个方面来进行介绍。
一、机械设计在进行机械设计时，需要考虑机器人的结构和外观。
通常，水下机器人需要具备较好的抗压性和耐腐蚀性，因为它们会在深海环境下进行工作，而深海环境具有高压和高盐度的特点。
同时还需要注意机器人的尺寸和重量，因为它们需要搭载各种传感器和工具，还需要进行自主行驶。
对于机器人的结构设计，一般采用六轴机械臂结构，在臂部和爪部设置多个关节，可以实现机器人准确地定位和抓取目标。
此外，机器人的航行能力也很重要，一般采用涡轮推进器和舵机进行驱动。
在外观设计上，水下机器人的外形通常是像鱼或蛇类的动物，这种设计能够有效减少水动力阻力，提高机器人的灵活性和机动性。
二、控制系统水下机器人的控制系统需要实现多种功能，如水下定位、水下航行、多任务协调、环境适应等。
对于控制系统，一般采用模块化设计，不同的模块负责不同的功能。
例如，航行控制模块用于控制推进器和舵机的运动，让机器人能够自主行驶。
相机模块用于控制机器人上的相机，搜寻并拍摄目标。
传感器模块则用于测量水温、水压、水下光照、水下氧气含量等参数，判断机器人所处的环境。
控制系统采用的是集中化控制和分布式控制相结合的方式。
集中化控制方式动作响应时间较快，但是系统复杂度较高。
分布式控制方式更加容易扩展和维护，适用于大规模的机器人团队协作。
在实际应用中，一般采用两种控制方式的混合形式，根据应用场景选择不同的控制策略。
三、电子系统水下机器人的电子系统主要包括电机控制系统、信号处理系统和电源控制系统。
电机控制系统负责控制推进器和舵机的运动，根据控制信号驱动电机转动。
信号处理系统用于处理航行控制模块、相机模块等模块发出的信号，将信号解析成对应的控制命令发送给电机控制系统。
电源控制系统负责对机器人电源进行监测和控制，根据机器人电源状态对机器人进行控制。
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。
水下机器人的设计和应用
水下机器人的设计和应用水下机器人作为一种高科技装备，近年来在各个领域得到了广泛的应用。
它们可以在水下执行各种任务，比如进行深海探测、采样、修复、检查等等。
水下机器人的设计和应用涉及到多个方面的知识和技术，其中最重要的包括机械设计、电子控制、计算机视觉等等。
本文将从这几个方面来探讨水下机器人的设计和应用。
一、机械设计水下机器人的机械结构是其设计中最重要的部分之一。
一般来说，水下机器人的外形类似于一个圆柱形的铁桶，中间是一些传感器和机械臂等附属装置。
机械结构的设计需要考虑多个方面的因素，比如机器人的尺寸、重量、运动方式等等。
一些重要的设计考虑因素如下：1、造型设计：水下机器人的设计需要考虑其在水下的流体力学特性，如降低阻力以及减少水下噪声等。
同时，整个外形要尽可能地光滑，以便于在水下的高速移动。
2、材质选择：由于水下机器人的操作环境存在极高的水压和腐蚀，因此选择耐水压和耐腐蚀的材料是设计中至关重要的一步。
3、重量和强度：水下机器人的设计还需要考虑其承受的载荷和重量。
一般来说，它需要在水下自由行驶，因此必须具备足够的强度和稳定性。
二、电子控制水下机器人的电子控制系统是整个机器人运作的核心，它控制着机器人的所有动作。
控制系统的设计需要考虑多个方面，如控制器的种类、电源管理、通信系统等等。
其中最主要的考虑因素如下：1、控制器设计：水下机器人的控制器需要具有智能化、稳定性和高可靠性等特点。
它一般可以将水下机器人的各种传感器的数据进行处理和分析，并控制机器人完成各种动作。
2、电源管理：水下机器人的电源管理需要特别注意。
由于水下的工作环境复杂，因此电源要具备一定的耐用性和可靠性。
同时，在水下切断电源将导致任务失败。
3、通信系统：为了实现水下机器人的远程控制和数据传输，在设计控制系统时应考虑通信系统的选择和设计，以便保证通信的稳定和可靠。
三、计算机视觉技术计算机视觉技术是水下机器人实现自主控制和任务完成的重要技术之一。
海洋工程中深海遥控机械手臂的设计与控制研究
海洋工程中深海遥控机械手臂的设计与控制研究深海遥控机械手臂是海洋工程中的关键设备，用于在深海环境下执行作业任务。
设计和控制深海遥控机械手臂是海洋工程研究中的重要课题，需要考虑到深海环境的复杂性和机械手臂在深海中的工作要求。
本文将对深海遥控机械手臂的设计和控制进行研究，并提出相应的解决方案。
首先，深海环境的复杂性对深海遥控机械手臂的设计提出了挑战。
深海中的水压巨大，温度低，流速大，同时还存在着腐蚀性强的海水和海底地形的不规则性等问题。
因此，在设计机械手臂时，需要选择能够承受高水压和低温环境的材料，并进行相应的防腐蚀和抗冲刷设计。
此外，为了适应深海中复杂的地形，机械手臂的机械结构也需要具备灵活性和适应性。
在深海遥控机械手臂的控制方面，需要考虑到深海环境下通信的限制和对机械手臂的精确控制。
由于深海中的水具有很高的吸收和散射能力，无线通信的信号传输会受到极大的影响。
因此，需要设计高效的有线通信系统，以确保与机械手臂的稳定和快速通信。
此外，机械手臂的精确控制是保证作业任务完成的关键。
可以采用传统的PID控制方法，也可以结合视觉或力传感器等技术，实现对机械手臂的精确感知和控制。
为了保证深海遥控机械手臂的稳定性和安全性，还需考虑其负载能力和防护措施。
深海环境中机械手臂常常需要携带较重的工具和设备，因此需要设计具有足够负载能力的机械结构和控制系统。
同时，为了保护机械手臂免受海水腐蚀和外力的破坏，可以采用防护罩、防腐涂层等措施，确保机械手臂的长时间稳定工作。
另外，对于深海遥控机械手臂的控制算法和智能化的研究也具有重要意义。
通过引入机器学习和人工智能等技术，可以提高机械手臂的自主化和智能化水平，使其能够自主完成一些简单的作业任务，减轻操作员的负担。
此外，还可以利用数据挖掘和大数据分析等方法，对机械手臂在深海环境下的工作数据进行分析和优化，提高其作业效率和性能。
综上所述，深海遥控机械手臂的设计与控制具有重要的研究价值和实际意义。
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。
水下机器人的设计与制造
水下机器人的设计与制造水下机器人是一种以操纵员指令进行控制的机器人，可以在水下环境中执行一系列任务。
它们被广泛应用于科学、商业和军事领域。
水下机器人可用于科学探索深海，执行海洋资源勘探与开发，进行水下施工和维修，为军事操作提供支持等。
水下机器人不受水深、潜水员安全和人类行动的限制，因此是一项高效的技术。
设计水下机器人的设计分为两个阶段，即初步设计和详细设计。
在初步设计中，需要进行市场研究和合理的任务定义。
在此之后，需要进行机器人的总体设计和方案制定。
详细设计阶段涵盖了机体结构、电气设备、传感器和控制系统等方面。
机体结构水下机器人的机体结构主要有蛇形、鱼形、固定臂和机械臂等类型。
机体结构的选择取决于机器人所要执行的任务和相应的区域。
蛇形机器人的结构类似于蛇的身体，能够灵活地滑动，适用于深度较浅的水域，例如沿岸地带。
鱼形结构可能更适合深海作业。
此结构下，机器人设计成鱼的形状，可以轻松地前进和潜水。
机械臂则是用于执行适当的任务，例如拾取物体或进行维修，如油井或水下管道，但这类机器人的长处在于它们的灵活性和能力，适应度较强。
电气设备水下机器人电气设备面临的特定挑战包括水生环境的腐蚀性和洪水的潜在损害。
防水措施可以通过选择耐水等级更高的材料来实现。
水下机器人的电源天位于机器人内部与机体连接，为机器人提供电力。
可采用现代电池技术，如聚合物锂离子电池。
同时，也需要一个电力分配系统，来协调给机器人的飞行控制和其他系统供电。
传感器传感器是水下机器人最重要的部分之一。
其基本任务是检测水体的特定性质并为机器人提供数据。
当前传感器技术包括声纳、利用水下水文学条件的影像技术、利用海洋物理条件的浮标技术、利用磁力感应的技术、利用多光谱遥感技术和利用高级定位和导航技术等。
控制系统控制系统是水下机器人的大脑。
一个合理的控制系统可以高效执行机器人的任务。
基于传感器和机器构件获得的数据，计算机可以理解和响应操纵员的指令。
控制系统分为两类，即集中和分散控制系统。
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水下机器人的机械手臂设计与仿真Simulation and design of manipulator of remote operated vehicle张 吉1，田军委1，王 沁1，熊靖武1，史珂路2ZHANG Ji 1, TIAN Jun-wei 1, WANG Qin 1, XIONG Jing-wu 1, SHI Ke-lu 2（1.西安工业大学 机电工程学院，西安 710021；2.西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021）摘 要：针对水下机器人(ROV)应用于水下工作的要求，设计了一款在水深300M以下工作的四关节机械手臂。
为了保证机械手臂可靠性，在对ROV的机械手臂在水下进行实际测试之前，我们完成对机械手臂关节单元进行力学分析以及扭矩计算，并对机械手臂的驱动模块选型和详细的密封。
同时，通过SoildWorks进行机械手臂的三维建模，并对机械手抓进行有限元分析仿真实验。
实验结果表明本设计的机械结构强度满足工作要求。
关键词：水下机器人；机械手臂；可靠性；SoildWorks建模中图分类号：TH122 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2018)03-0009-04收稿日期：2017-09-06基金项目：陕西省科技统筹创新工程（2015KTZDGY-02-01）；陕西省工业科技攻关项目（2016GY-175）作者简介：张吉（1991 -），男，山西朔州人，硕士研究生，研究方向为框架式水下机器人的设计与控制系统。
0 引言ROV 广泛应用于水下救援、水下目标搜索、水下设备检查维护、水下考古、水下科研等领域。
它可以代替人类在水下完成各种复杂的作业任务。
而在此过程中ROV 必须配备机械臂才能完成水下作业任务[1]。
水下机械臂必须满足以下要求：由于工作环境在水下，机械臂材料需要耐腐蚀性强、密封好、抗压性高；更具操作者的指令能够准确的定位完成水下作业；由于ROV 的本体很小，机械臂需要材质很轻。
操作要灵活，操作范围不小于300mm ，抓取重量不低于1kg ，操作角度不低于60°。
1 整体结构设计说明与性能参数1）机械臂的坐标形式与自由度的配置：考虑到ROV 在水下工作环境复杂，可能有杂物，礁石，动物和水草等物体，对机械臂的控制造成影响，并且需要机械臂具有非常好的壁障性，应对水下的复杂环境，完成抓取物体的任务[6,7]。
因此选择关节坐标式机械臂，且采用双目视觉技术，就像人的眼睛控制双手抓取物体。
机械臂自由度的个数是由其用途决定的；本文设计的机械手臂工作环境为水下，考虑到水下机械臂的设计要求和操作范围，将采用转动关节式结构，且将机械臂设定为四个自由度。
机械臂自由度布置如图1所示。
机械臂整体形态仿照人手臂设计，为方便实现手抓姿态调整，实现对目标的抓取动作，将机械臂自由度设定为关节1为水平面的旋转运动、关节2为竖直平面的小幅度转动，关节3为竖直平面的转动，关节四为竖直平面的摆动。
四个自由度可以使机械臂能够更加容易抓取到水下的物体。
图1 机械臂自由度设置2）安装方式的确定：装于潜水器上的机械臂在水下进行作业时，应具备两方面的能力：为完成作业任务，提供必要的操作；保持潜水器有稳定的方位，因为机械手作业受到的反作用力会影响ROV 方位的稳定；故两只机械臂别设置在艇首头部的左、右两侧[5,8]。
可以保证潜水器的平衡。
3）材料选型与性能参数：由于潜水器的本体非常小，所以要求安装的机械手臂必须满足轻型化、耐高压等要求。
在负载允许的情况下采用密度小耐腐蚀的铝作为机械手臂的材料。
经过运动分析发现双机械臂的运动最远可以达到如下位置，此时机械臂的关节2的运动角度为30°，而双目视觉测距模仿人眼观察物体，故机械臂的末端必须在视线范围内，再加上机械臂的操作角度不低于60°，因此关节1的转动角度定位60°。
其中机械臂极限位置如图2所示。
舵机的转动角度有90°、120°、180°、360°，其余各个关节的转动角度可以根据舵机的角度选取。
图2 机械臂极限位置2 机械臂的受力分析及计算利用理论力学和材料力学的方法求得机械臂运动至各自力矩最大位置时各关节的力矩，为各关节的驱动舵机选型做好基础。
假设杆件质心位于几何中心。
图3是机械臂的机械臂简化示意图，主要显示各关节中心线的距离。
图3 机械臂简化示意图2.1 执行单元扭矩估算逐个分析各个关节的受力，先从机械臂末端开始，分析关节4可以简化为如图4所示的力学模型。
假设杆件质心位于几何中心。
图4 关节4力矩的计算等效图假设手抓和重物的质量为m s =1kg ，则：G s =m s .g=9.8N 。
手腕的质量约为：m 4=0.05k g ，则：G 4=m 4.g=0.49N 。
关节4到手抓中心的距离为：d 1=140mm ，关节4到手腕抓取中心的距离为：d 2=70mm 。
关节4的力矩为：M=G 4.d 4+G 5.d 5=1.406N .m 。
按照以上的计算方案，先估算各个关节的质量，以此计算出其他关节的驱动力矩，如表1所示。
2.2 关节驱动方式及选型驱动方式的选择非常重要，它的选择应该主要依据所用在的地方的要求，能否实现功能，还有就是工作环境，还要考虑价格，控制精度等方面。
考虑到该机械臂用于水下作业，最终安装在ROV 上，因此体积和重量不能太大。
由设计要求，抓取1kg 的物体，操作范围300mm 可知，该机械臂抓取重量轻，不需要太大的力矩，故机械臂最终采用电力驱动形式。
关节1为机械臂的旋转关节，主要承受整个机械臂的重量，经过估算预估机械臂的扭矩为3.709N·m ，选择KST X20-8.4-50超大扭力高压舵机，舵机如图5所示，该款舵机尺寸为40×20×39.5mm ，当电压为8.4V 时舵机的扭矩为4.5N .m ，重量为78g 。
由于关节2的扭矩为3.609N .m ，扭矩较大，故选择与关节1型号一样的舵机。
关节3的扭矩为2.651N .m 关节4的扭矩为1.406 N .m ，选kingmax BLS7731HHV ，扭矩为28.42kg .cm 的舵机。
图5 kst 舵机2.3 执行单元校核计算机械手臂在加减速运行过程中会产生惯性力，将各个力矩值乘以1.1倍做为最终结果，则关节4电机的最大力矩为：M max =1.1.M=1.65N .m根据扭矩，考虑关节驱动扭矩最大且电机旋转角速度最大的极限情况作为电机的最大功率。
而关节的最大角速度为θ=3.7rad/s ，所以关节5处电机的最大功率为：P max =M max .θ=4.3W同理可以计算出其他关节的最大功率情况。
经过对比分析发现，各个关节的计算的扭矩均小于对应舵机的最大扭矩，符合设计要求，证明设计的机械臂可以抓取质量为1kg 的重物，满足设计要求。
说明舵机理论上能够实现抓取1kg 的物体，能够实现设计任务的要求，能够达到预期的要求。
表1 各个关节电机的最大转关节关节1关节2关节3关节4关节质量/kg 0.40.30.41力矩/（N .m ）3.7093.6092.6511.4063 机械臂的密封ROV的机器臂密封是最关键的问题。
一般有如下五个要求：1）当压力超过范围时，不能发生泄漏；2）密封要具有较长的寿命，尽量减少维修；3）要具有能与环境相适应的能力；4）易拆易装，便于更换；5）要具备很高的性价比[5]。
而O型密封圈的优势在于密封部位机构简单，安装部位紧凑，重量较轻且有自密封作用，密封性能较好，对于压力交变的场合也能适应。
并且O型圈及其沟槽已标准化，成本低，便于使用和外购。
故机械臂的静密封使用O型密封圈[3]。
对舵机进行详细防水密封设计中，由于舵机的输出轴端处的动密封非常重要，关系到舵机在水下工作的深度。
密封采取的思路是，将轴端单独密封起来，并将输出轴端放大。
输出轴的扭矩通过内齿轮和外齿轮啮合传递给输出定位法兰，在输出定位法兰的轴径上做O型密封圈槽，O型密封圈和轴端套组成O型圈密封，轴端套与舵机之间通过胶接，采用环氧树脂粘接，这种胶起到连接和密封的作用，输出定位法兰的轴向定位，通过M2.5的螺钉和垫片定位，舵机输出轴端中间自带一个M2.5的螺纹连接孔，然后在螺钉和垫片周围使用胶进行密封，输出定位法兰与外部零件的连接通过四个M2的螺纹孔连接，最终舵机的密封结构如图6所示。
4 三围建模与仿真最终设计的机械臂如图7所示，由装配体可以看出，该机械臂比例协调，无干涉现象，各部分的都能进行装配，不会出现能在SolidWorks中能够装配，在实际中无法装配的现象，机械手臂的质量为1.936kg，关节1的旋转角度为60°，单只机械手臂的总长为442mm。
4.1 手抓结构分析为了能准确抓取物体，设计成两爪抓取物体，市场上机械臂手抓选择的材料是ABS塑料和铝合金，为了保证手抓有足够的强度，选择铝合金2A12做手抓的主要材料，舵机支撑架上面需要开孔安装舵机和手抓，还要与上个关节连接，故采用铝合金材料，两个爪之间是两个四分之一齿轮啮合，通过舵机驱动抓取物体。
手爪由两个分离的爪组成，将防水舵机部件装在爪座上，爪如图8所示，下部是齿轮的一部分，将有四个螺纹孔的一边与舵机部件的输出法兰连接，另一边由装有微型轴承，通过齿的啮合控制手抓的张合，由于齿轮只有一部分，为确保齿轮一直在啮合，选取的可以转动90°的舵机，手抓的张开的最大尺寸158mm，手爪闭合时，如图8所示。
图8 手抓装配效果表2 各个关节电机的最大转矩和最大功率关节关节1关节2关节3关节4各关节舵机最大计算转矩（N·cm）39.638.427.1511.65各关节的实际转矩（N.cm）454528.4228.42各节舵机最大功率（W）14.2114.20910.0454.31图6舵机密封结构图图7 机械手臂的实体模型4.2 手抓的仿真结果及其分析手抓是机械手臂抓取重物的关键零件，与机械臂的性能有着直接的关系。
作用在手抓上的力主要为抓取重物的重力，抓取重物重量估算为1kg ，则作用在手抓上的力F=9.8N 。
假设力作用在离驱动电机最远的位置，如图9所示为手抓尖端位置，仿真时的固定位置是手抓螺栓空。
经过这样的受力分析，可以模拟实际的受力情况。
图9 手抓的受力通过手抓的仿真分析，手抓的应力分析结果如图10所示，最大应力出现在手抓下部圆弧过度的地方，这里是直接从圆弧过度成直线，且结构比较细小，故应力最大，应力值为1.89223×107N/m 2小于材料的屈服强度2.75742×107N/m 2，因此满足设计要求，为了最大减小应力，分析完成后，在此处添加圆弧过度。
图10 手抓应力图爪的在载荷的作用下产生位移变形如图11所示，最大位移出现在手抓的最远处，从上到下位移逐渐减小，最大位移为0.260179mm ，位移很小，故此结构合理。