水下主从伺服液压机械手控制系统设计
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关 键词 ： 主从 伺服 ； 控 制 系统 ； 通 讯协议 ； 变增益 Ｐ Ｉ
中图分 类号 ： Ｔ Ｈ１ ３ ７； Ｔ Ｐ ２ ４ １ ． ２ 文 献标 志码 ： Ｂ 文章 编号 ： １ ０ ０ ０ － ４ ８ ５ ８ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ － ０ ０ ３ ３ － ０ ５
引 言
部分 主要 由主控 制 器 、 主手 、 液 晶显 示 屏 及按 键 组 成 ；
水 上部分 Ｉ 水下部分
液 压 与 气动
２ ０ １ ３年 第 １ １期
数据包 的长 度 固定 为 ５ ０个 字节 。首尾字 节 固定 ， 第 二个字 节为数 据类 型 ， 对数 据单元 采用异 或校验 。 Ｓ Ｒ Ｖ＝ ０， 数 据单元 为控 制命令 。数 据单 元 内容 包
基金项 目： 国家 ８ ６ ３资助项 目（ ２ ０ １ ２ Ａ Ａ ０ ９ １ １ ０ １ ） 作者简介 ： 王清梅（ １ ９ ８ ９ 一） ， 女， 河南 开封人 ， 在读研究生 ， 主 要从 事水 下机 械手控制 系统设计 与研究工作 。
３ ４
关节 进行 驱动 ， 实现水 下从 手的 闭环 运动控 制 。
水下 部分 主要 包 括 伺 服 阀箱 、 机 械 手本 体 （ 以下 简 称 水下从 手 ） 。
自２ ０世 纪 以来 ， 海 洋技术 得 到 了世 界各 海洋 大 国
的高度重 视 和空前 发 展 ， 水 下 作 业 装备 的使 用 要 求 也 相 应提 高 ， 作 业深 度 越来 越 大 ； 同时 ， 作 业 装 备 面 临 的
利用 Ｐ ｃ机 开发 上位 机 与下 位 机应 用程 序 ， 以 Ａ Ｒ Ｍ 板 为核心搭 建 上 位 机 操 作环 境 与 下位 机 驱 动 系
统 。上 位机 主要 实现 水 面 主手 关 节 轨迹 采 集 、 水 下从
手关节 位置 反馈及 整 个 系统 状 态 的读取 ， 下位 机 采 集 从 手位 置信 息并根 据接 收到 的主手 轨迹 对水 下从手各
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ — ｓ ｌ ａ ｖ ｅ Ｈｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ
Ｍａ ｎ ｉ ｐ ｕ ｌ ａ ｔ ｏ ｒ Ｃｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ Ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
ＷＡ Ｎ Ｇ Ｑ ｉ ｎ ｇ — ｍｅ ｉ 一， ＷＡ Ｎ Ｇ Ｘ ｉ ｕ — ｌ ｉ ａ ｎ ， Ｓ Ｕ Ｎ Ｂ ｉ ｎ ， Ｚ ＨＡ Ｎ Ｇ Ｑ ｉ ． ｆ ｅ ｎ ｇ
（ １ ． 沈 阳理工大学 信 息学 院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ ０ １ ６； １ １ ０ ０ １ ６ ）
２ ． 机器人学国家重点实验室 中国科学 院沈 阳 自动化研 究所 ， 辽宁 沈 阳
摘
要： 液 压机械 手是 深 海作业 潜水 器 的常载设 备 ， 针 对一 套七 功 能水 下 主从 伺服 液压 机械 手 系统 ， 介
绍 了控 制 系统 的组 成 ， 重 点研 究 了 系统软件 实现和从 手 控制 算 法 ， 制 定 了一 套 完善 的 上 下位 机 通讯 协议 ， 将 变增 益的 Ｐ Ｉ 控制 算 法应 用 于该 液压 阀控机 械 手 系统 。试 验证 明 了系统软 件和控 制 算法 的有 效性 ， 变增 益 的 控 制 算 法有效 减缓 了从手 运动 滞后及 超调 抖动 问题 。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ５ － ０ ７
服液压机 械手设计控 制系统 ， 控 制 系 统 试 验 平 台 如
图１ 所示 。主从 伺 服 液 压 机 械 手 人 工操 作 水 面 主 手 ，
通 过 现场 或视 觉反馈 控制 水下 从手 动作 实现 整个 系统 的操 作 。机械 手控 制系 统硬 件 由水 上 和水下 两部 分组 成， 采用 上位 机 和 下 位 机 两 级 控 制 ¨ Ｊ ， 是 一 个 典 型 的 二级 分布 式控 制 系统 ， 整 体控制 框 图如 图 ２所 示 ， 水 上
境 复杂 ， 机械 手 的性 能 直接 影 响 整 个 潜水 器 装 备 的作
图 １ 水 下 机 械 手 控 制 系 统 试 验 平 台
业 功能 ， 为此 设计 一个 可靠 的控 制 系统来 保证它 安 全 、
准确地 工作 至关 重要 。 １ 系统 组成 本 文针 对水 下 七 功 能 （ 六 自 由度 十夹 钳 ） 主 从 伺
括： 主控制 器 的界面标识 、 冻 结标识 、 接收命令 、 动 态特 性 及夹 钳 、 腕转、 运 动 范 围 比例 、 自动 伸展／ 收 回、 单 关 节 锁定标识 等控 制参 数 ； Ｓ Ｒ Ｖ＝１ ， 数据 单 元 为 主手 前 六个 关 节 的姿 态 角 ， 各 关节 的角度 以‘ ’ 分隔 ；
作 业环 境也 越来越 富 有挑 战性 。水下 机械 手是 能够 完
成 复杂水 下 作业 的一种 有效 手段 。作 为深 海作业 潜水
器 的重要 组 成部分 ， 水 下 液压 机 械 手 集 机械 、 电子、 液
压 技术 为一 体 ， 协 助潜 水 器 在 恶 劣 的海 洋 环 境 下 完 成 各 种水 下作 业 。深海 作 业 的水 下 机 械 手 ， 其 运 动 控 制 要 求 良好 的实 时性 、 精 确驱 动执 行机 构 、 感 知周 围环 境 及 自身 运动 信息 的 能 力 。 由于工 作 条 件 恶 劣 ， 周 围环
２ ０ １ ３年 第 １ １期
ＤＯＩ ： １ ０ ． １ １ ８ ３ ２ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ４ ８ ５ ８ ． ２ ０ １ ３ ． １ １ ． ０ ０ ９
液压 与 气动
３Leabharlann Baidu３
水 下 主 从 伺 服 液压 机 械 手 控 制 系统 设计
王清梅 ， 王秀莲 ， 孙 斌 ， 张奇峰
中图分 类号 ： Ｔ Ｈ１ ３ ７； Ｔ Ｐ ２ ４ １ ． ２ 文 献标 志码 ： Ｂ 文章 编号 ： １ ０ ０ ０ － ４ ８ ５ ８ （ ２ ０ １ ３ ） １ １ － ０ ０ ３ ３ － ０ ５
引 言
部分 主要 由主控 制 器 、 主手 、 液 晶显 示 屏 及按 键 组 成 ；
水 上部分 Ｉ 水下部分
液 压 与 气动
２ ０ １ ３年 第 １ １期
数据包 的长 度 固定 为 ５ ０个 字节 。首尾字 节 固定 ， 第 二个字 节为数 据类 型 ， 对数 据单元 采用异 或校验 。 Ｓ Ｒ Ｖ＝ ０， 数 据单元 为控 制命令 。数 据单 元 内容 包
基金项 目： 国家 ８ ６ ３资助项 目（ ２ ０ １ ２ Ａ Ａ ０ ９ １ １ ０ １ ） 作者简介 ： 王清梅（ １ ９ ８ ９ 一） ， 女， 河南 开封人 ， 在读研究生 ， 主 要从 事水 下机 械手控制 系统设计 与研究工作 。
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关节 进行 驱动 ， 实现水 下从 手的 闭环 运动控 制 。
水下 部分 主要 包 括 伺 服 阀箱 、 机 械 手本 体 （ 以下 简 称 水下从 手 ） 。
自２ ０世 纪 以来 ， 海 洋技术 得 到 了世 界各 海洋 大 国
的高度重 视 和空前 发 展 ， 水 下 作 业 装备 的使 用 要 求 也 相 应提 高 ， 作 业深 度 越来 越 大 ； 同时 ， 作 业 装 备 面 临 的
利用 Ｐ ｃ机 开发 上位 机 与下 位 机应 用程 序 ， 以 Ａ Ｒ Ｍ 板 为核心搭 建 上 位 机 操 作环 境 与 下位 机 驱 动 系
统 。上 位机 主要 实现 水 面 主手 关 节 轨迹 采 集 、 水 下从
手关节 位置 反馈及 整 个 系统 状 态 的读取 ， 下位 机 采 集 从 手位 置信 息并根 据接 收到 的主手 轨迹 对水 下从手各
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ Ｕｎ ｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ Ｍａ ｓ ｔ ｅ ｒ — ｓ ｌ ａ ｖ ｅ Ｈｙ ｄ ｒ ａ ｕ ｌ ｉ ｃ Ｓ ｅ ｒ ｖ ｏ
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（ １ ． 沈 阳理工大学 信 息学 院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ ０ １ ６； １ １ ０ ０ １ ６ ）
２ ． 机器人学国家重点实验室 中国科学 院沈 阳 自动化研 究所 ， 辽宁 沈 阳
摘
要： 液 压机械 手是 深 海作业 潜水 器 的常载设 备 ， 针 对一 套七 功 能水 下 主从 伺服 液压 机械 手 系统 ， 介
绍 了控 制 系统 的组 成 ， 重 点研 究 了 系统软件 实现和从 手 控制 算 法 ， 制 定 了一 套 完善 的 上 下位 机 通讯 协议 ， 将 变增 益的 Ｐ Ｉ 控制 算 法应 用 于该 液压 阀控机 械 手 系统 。试 验证 明 了系统软 件和控 制 算法 的有 效性 ， 变增 益 的 控 制 算 法有效 减缓 了从手 运动 滞后及 超调 抖动 问题 。
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３ － ０ ５ － ０ ７
服液压机 械手设计控 制系统 ， 控 制 系 统 试 验 平 台 如
图１ 所示 。主从 伺 服 液 压 机 械 手 人 工操 作 水 面 主 手 ，
通 过 现场 或视 觉反馈 控制 水下 从手 动作 实现 整个 系统 的操 作 。机械 手控 制系 统硬 件 由水 上 和水下 两部 分组 成， 采用 上位 机 和 下 位 机 两 级 控 制 ¨ Ｊ ， 是 一 个 典 型 的 二级 分布 式控 制 系统 ， 整 体控制 框 图如 图 ２所 示 ， 水 上
境 复杂 ， 机械 手 的性 能 直接 影 响 整 个 潜水 器 装 备 的作
图 １ 水 下 机 械 手 控 制 系 统 试 验 平 台
业 功能 ， 为此 设计 一个 可靠 的控 制 系统来 保证它 安 全 、
准确地 工作 至关 重要 。 １ 系统 组成 本 文针 对水 下 七 功 能 （ 六 自 由度 十夹 钳 ） 主 从 伺
括： 主控制 器 的界面标识 、 冻 结标识 、 接收命令 、 动 态特 性 及夹 钳 、 腕转、 运 动 范 围 比例 、 自动 伸展／ 收 回、 单 关 节 锁定标识 等控 制参 数 ； Ｓ Ｒ Ｖ＝１ ， 数据 单 元 为 主手 前 六个 关 节 的姿 态 角 ， 各 关节 的角度 以‘ ’ 分隔 ；
作 业环 境也 越来越 富 有挑 战性 。水下 机械 手是 能够 完
成 复杂水 下 作业 的一种 有效 手段 。作 为深 海作业 潜水
器 的重要 组 成部分 ， 水 下 液压 机 械 手 集 机械 、 电子、 液
压 技术 为一 体 ， 协 助潜 水 器 在 恶 劣 的海 洋 环 境 下 完 成 各 种水 下作 业 。深海 作 业 的水 下 机 械 手 ， 其 运 动 控 制 要 求 良好 的实 时性 、 精 确驱 动执 行机 构 、 感 知周 围环 境 及 自身 运动 信息 的 能 力 。 由于工 作 条 件 恶 劣 ， 周 围环
２ ０ １ ３年 第 １ １期
ＤＯＩ ： １ ０ ． １ １ ８ ３ ２ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ４ ８ ５ ８ ． ２ ０ １ ３ ． １ １ ． ０ ０ ９
液压 与 气动
３Leabharlann Baidu３
水 下 主 从 伺 服 液压 机 械 手 控 制 系统 设计
王清梅 ， 王秀莲 ， 孙 斌 ， 张奇峰