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文檔簡(jiǎn)介
1、隨著陸地上不可再生資源的日益減少,對(duì)蘊(yùn)含豐富能源、資源的海洋空間的探索和開發(fā)受到越來(lái)越多的國(guó)家的重視。水下作業(yè)機(jī)械手是水下機(jī)器人作業(yè)的必不可少的裝備,由于作業(yè)環(huán)境復(fù)雜以及自主性作業(yè)要求高等原因,使得水下作業(yè)機(jī)械手研究和實(shí)用化中面臨許多新的困難和問(wèn)題。目前,水下機(jī)械手多為電動(dòng)式或油液壓驅(qū)動(dòng)式,由于電動(dòng)式水下機(jī)械手的電機(jī)輸出端等需要?jiǎng)用芊馐沟藐P(guān)節(jié)體積較大,而油液壓驅(qū)動(dòng)式水下機(jī)械手則易造成泄漏污染,同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)式機(jī)械手存在控制精度較低的問(wèn)題。
2、因此,研究水液壓驅(qū)動(dòng)的水下作業(yè)機(jī)械手及其控制技術(shù)具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。
本文主要研究以下內(nèi)容:
?。?)總結(jié)國(guó)內(nèi)外油液壓驅(qū)動(dòng)式及水液壓驅(qū)動(dòng)式水下作業(yè)機(jī)械手的研究現(xiàn)狀,分析其各自的優(yōu)缺點(diǎn),為本文水液壓驅(qū)動(dòng)型水下作業(yè)機(jī)械手的研究奠定基礎(chǔ);分析和總結(jié)目前水下機(jī)械手的控制方法,分析各種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn),為本文進(jìn)行水下機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究提供理論和技術(shù)支持。
?。?)針對(duì)本文所設(shè)計(jì)的水下作業(yè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制精
3、度指標(biāo),分析液壓系統(tǒng)所需達(dá)到的流量控制精度指標(biāo),分析水液壓傳動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn),研究微小流量的控制和實(shí)現(xiàn)技術(shù),為本文設(shè)計(jì)水下機(jī)械手的高精度水液壓系統(tǒng)提供理論參考和技術(shù)指導(dǎo)。通過(guò)分析本文研制的水下機(jī)械手的液壓系統(tǒng)所需實(shí)現(xiàn)的功能,對(duì)其水液壓系統(tǒng)進(jìn)行了方案設(shè)計(jì)和改進(jìn),確定了機(jī)械手的水液壓系統(tǒng)方案。研制了雙向單柱塞泵作為機(jī)械手的水液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源,實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的微小流量輸出。
?。?)針對(duì)本文研制的水下機(jī)械手的液壓系統(tǒng)中雙向單柱塞泵的驅(qū)動(dòng)電
4、機(jī)的控制方式,基于主從控制思想,設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的總體方案,重點(diǎn)對(duì)從控制器硬件電路進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。對(duì)本文研制的雙向單柱塞泵的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制模塊、關(guān)節(jié)角度傳感器及位置信號(hào)采集模塊進(jìn)行詳細(xì)分析和設(shè)計(jì),兩控制模塊各采用一塊ARM微處理器作為信息處理的核心,提高信息處理效率和控制性能,且避免相互之間的干擾。以機(jī)械手硬件控制體系為應(yīng)用平臺(tái),設(shè)計(jì)主、從控制器的軟件控制體系結(jié)構(gòu),完成軟件編程。
?。?)針對(duì)本文所研究的水下作業(yè)機(jī)械手,研究其運(yùn)動(dòng)
5、學(xué)及動(dòng)力學(xué)性能,并進(jìn)行軌跡規(guī)劃。針對(duì)本文研制的自由度冗余的機(jī)械手,建立其連桿坐標(biāo)系,利用D-H法推導(dǎo)機(jī)械手的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,利用反變換法建立其逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程;利用拉格朗日方法建立機(jī)械手的動(dòng)力學(xué)方程,并考慮水動(dòng)力等因素對(duì)機(jī)械手水下作業(yè)過(guò)程的影響,完善機(jī)械手的水下動(dòng)力學(xué)方程;在機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上,分別采用五次插值函數(shù)和線性插值方法對(duì)機(jī)械手的展開和收回過(guò)程以及作業(yè)過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究。
?。?)研究水下機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制技
6、術(shù),建立其單關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)各組成部分及總體的數(shù)學(xué)模型,針對(duì)本文研制的液壓系統(tǒng)在起動(dòng)及換向過(guò)程存在死區(qū)導(dǎo)致執(zhí)行元件動(dòng)作滯后的現(xiàn)象,研究液壓系統(tǒng)的死區(qū)特性及水下機(jī)械手的死區(qū)補(bǔ)償控制技術(shù)。本文采用對(duì)常規(guī)PID控制器進(jìn)行補(bǔ)償控制,通過(guò)在控制系統(tǒng)閉環(huán)內(nèi)增加死區(qū)補(bǔ)償環(huán)節(jié),使執(zhí)行元件快速地渡過(guò)死區(qū)。利用仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證該控制方法能有效地減小液壓系統(tǒng)起動(dòng)及換向時(shí)執(zhí)行元件動(dòng)作滯后,提高響應(yīng)速度及軌跡跟蹤精度;同時(shí)還分析了幅值和換向頻率對(duì)于不同控制器軌跡跟蹤性
7、能的影響。
?。?)為了保證本文研制的水下機(jī)械手的液壓系統(tǒng)工作可靠,對(duì)其進(jìn)行耐壓密封性能實(shí)驗(yàn)研究,包括外壓靜態(tài)密封性和內(nèi)壓靜態(tài)密封性以及動(dòng)態(tài)密封性實(shí)驗(yàn)。為確定液壓系統(tǒng)中的壓力損失情況,對(duì)液壓介質(zhì)、管路長(zhǎng)度、管路內(nèi)徑對(duì)液壓系統(tǒng)壓力損失的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,并確定液壓系統(tǒng)最終采用的介質(zhì)和管路尺寸系列。針對(duì)常規(guī)PID控制器和帶死區(qū)補(bǔ)償?shù)腜ID控制器,分別在陸上及水下進(jìn)行階躍信號(hào)和正弦信號(hào)的軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)研究,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證本文采用的死
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