深海七功能主從液壓機械手及其非線性魯棒控制方法研究.pdf

1、搭載在水下運載器上的深海七功能主從液壓機械手擴展了人類在海洋資源開發(fā)、海洋科學研究和深海水下作業(yè)等方面的作業(yè)能力，對于深海七功能主從液壓機械手及其關(guān)節(jié)位置跟蹤控制方法的研究具有重要的意義。
　　本文研究了深海七功能主從液壓機械手系統(tǒng)及其非線性魯棒控制方法。論文提出了一種新的基于液壓補償環(huán)的雙螺旋傳動的從手肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)，解決了從手肘關(guān)節(jié)的低速大扭矩、大擺角、配油配電和高度集成化問題;以從手肘關(guān)節(jié)研究對象，研究了具有參數(shù)不確定、未知外界

2、擾動和部分狀態(tài)反饋的肘關(guān)節(jié)非線性魯棒控制方法;在成功研制了國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃4500米級深海七功能主從液壓機械手的基礎(chǔ)上，提出了針對具有參數(shù)不確定性、強非線性、液壓系統(tǒng)和機械系統(tǒng)強耦合以及部分狀態(tài)反饋的深海主從液壓機械手從手系統(tǒng)的多輸入多輸出非線性魯棒控制方法，解決了從手關(guān)節(jié)位置的跟蹤控制問題。
　　本文共分為七章，各章內(nèi)容概括如下:
　　第一章，介紹了深海七功能主從液壓機械手系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，指出當前深海七功能主從

3、液壓機械手系統(tǒng)的難點和不足;介紹了目前深海七功能主從液壓機械手從手的肘關(guān)節(jié)實現(xiàn)的各種方法;并回顧了當前比較流行的各種機械手控制方法;最后闡述了本課題的研究意義、研究難點和研究內(nèi)容。
　　第二章，介紹了深海七功能主從液壓機械手系統(tǒng)的開發(fā)背景、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、各分系統(tǒng)組成，以及各子系統(tǒng)的性能特點等。
　　第三章，針對當前深海七功能主從液壓機械手從手肘關(guān)節(jié)的配油配電、低速大扭矩、大擺角、高度集成的問題，提出基于液壓補償環(huán)的、具有配油

4、配電功能的、雙螺旋傳動的從手肘關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。本章首先介紹從手肘關(guān)節(jié)的研究背景，詳細研究了雙螺旋液壓傳動的各種配置、運動學和動力學模型，在此基礎(chǔ)上提出了基于壓力補償環(huán)的雙螺旋液壓擺動傳動和具有配油、配電功能的深海七功能主從液壓機械手從手肘關(guān)節(jié)。最后通過臺架試驗驗證所研究的深海七功能主從液壓機械手從手肘關(guān)節(jié)運動學特性和動力學特性，證明了深海七功能主從液壓機械手從手肘關(guān)節(jié)良好的低速大扭矩傳動特性。
　　第四章，針對存在參數(shù)不確定性、液壓系統(tǒng)

5、和機械系統(tǒng)強耦合、強非線性特性的從手肘關(guān)節(jié)角度位置跟蹤控制問題，提出了基于魯棒自適應控制的全狀態(tài)反饋非線性魯棒控制方法，該方法是基于Backstepping控制設(shè)計方法和魯棒自適應控制方法，使用Lyapunov穩(wěn)定性理論，證明了當存在系統(tǒng)參數(shù)不確定時閉環(huán)系統(tǒng)的全局漸近穩(wěn)定性和跟蹤誤差的漸近收斂性。仿真和實驗研究表明，所提出的全狀態(tài)反饋非線性魯棒自適應控制方法具有良好的控制品質(zhì)和魯棒性能。
　　本章還針對同時具有參數(shù)不確定性和部分狀

6、態(tài)反饋的深海七功能主從液壓機械手從手肘關(guān)節(jié)的非線性魯棒控制問題，提出了基于魯棒觀測器的魯棒自適應控制方法，解決參數(shù)不確定性和部分狀態(tài)反饋同時存在的控制難點問題。通過仿真研究和實驗表明基于魯棒觀測器的魯棒自適應控制器具有很好的控制品質(zhì)和魯棒性能，觀測器的觀測位置和速度誤差具有較好的收斂性。
　　第五章，針對基于模型控制的控制器設(shè)計對受控系統(tǒng)精確模型要求，詳細分析了深海七功能主從液壓機械手從手的D-H坐標變換矩陣，并以此為基礎(chǔ)建立了末

7、端執(zhí)行器的雅克比矩陣和各個從手連桿質(zhì)心的雅克比矩陣，從而得到機械手從手多剛體系統(tǒng)的總動能和勢能，利用拉格朗日能量法建立機械手從手的多剛體動力學方程。文中還討論了從手各連桿質(zhì)量屬性的獲得以及應用到深海水場合下的液壓機械手從手動力學模型勢能力補償方法;文中還介紹了利用MATLAB/Simulink仿真軟件和Pro/Engineering接口直接建立深海七功能主從液壓機械手從手的多剛體動力學Simulink仿真模型。最后通過應用具有重力補償?shù)?/p>

8、PD控制器對深海七功能主從液壓機械手從手的多剛體動力學模型進行位置跟蹤仿真來驗證所建立的模型的正確性。
　　第六章，針對具有參數(shù)不確定性、液壓和機械系統(tǒng)強非線性耦合特性的深海七功能主從液壓機械手從手的多輸入多輸出關(guān)節(jié)位置跟蹤的魯棒控制問題，提出了基于滑?？刂频亩嘧兞枯斎胼敵龇蔷€性魯棒控制方法，利用Backsteping控制器設(shè)計方法，對液壓機械手系統(tǒng)進行解耦控制，使用基于Lyapunov穩(wěn)定性理論的設(shè)計方法保證了控制器的穩(wěn)定性和漸

9、進收斂的特性，通過在4500米級深海七功能主從液壓機械手實驗平臺上的仿真和實驗研究表明，所提出的控制方法具有很好的控制品質(zhì)和魯棒性能。
　　本章還利用第四章提出的基于魯棒觀測器的魯棒自適應控制器設(shè)計方法，研究機械手從手基于魯棒觀測器的多輸入多輸出魯棒自適應控制方法，從理論上解決了具有參數(shù)不確定性、未知外界干擾、部分狀態(tài)反饋以及液壓系統(tǒng)和機械系統(tǒng)強非線性耦合的位置跟蹤控制問題。
　　第七章，總結(jié)歸納了本文的主要研究工作和創(chuàng)新點