一种主从式水下机械臂的延时控制方法技术

本发明专利技术涉及机器人技术领域，提供的是一种能够保证主从式水下机械臂在作业环境恶劣、传输通讯延时条件下，实现水下机械臂主手与从手的协调控制的主从式水下机械臂的延时控制方法。本发明专利技术包括：给定水下机械臂的结构参数，根据水下机械臂的运动学模型，对主从机械臂进行时延分析；采集水动力因素，根据水下机械臂动力学模型，验证机械臂性能是否满足模型需求；对主手动作信号进行延时处理，将前n个时刻关节控制信号缓存在水下控制器中，然后基于多次幂曲线拟合方法计算出从手n+1时刻的关节理想运动位置。本发明专利技术解决了水下机械臂作业环境恶劣、传输通讯延时造成的水下机械臂工作间断性等难题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人
，提供的是一种能够保证主从式水下机械臂在作业环境恶劣、传输通讯延时条件下，实现水下机械臂主手与从手的协调控制的主从式水下机械臂的延时控制方法。
技术介绍
由于水下环境复杂，存在海水压力、能见度低、温度下降等不利于人类工作的环境条件，可用主从水下多功能机械臂配合作业型水下机器人代替人类在深海等危险环境工作，水下机械臂可进行海底勘探开采，水下管道维修，石油管道铺建等工作。水下机械臂不仅降低人类水下作业操作的危险，还满足人类扩展了感知、对未知领域探索的需求。因此设计主从水下机械臂控制系统具有重要的研究和实际工程意义。许多专家在水下机械臂的运动控制方面提出了很多方法。开关控制是水下机械臂最简单也是最古老的控制方式，水面控制器由操作平台开关按钮组成，水面操作人员通过操作对应关节的开关开合来控制水下机械臂从手各关节的运动，操作人员通过观察水下摄像器传输回的图像信息来判断从手关节的运动位置，由上述可知，水下机械臂开关控制方式为开环控制，并且开关控制的从手运动速度固定，所以控制精度主要依赖于操作人员的经验判断，水下作业工作效率有限，并且多关节协助控制时对操作人员难度较大。相较于开关控制，速度控制的最大优点就是关节运动速度的可控性。理想条件下，关节从初始位置到目标位置肯定经过先加速、再匀速、再减速的过程，那么开关控制的关节运动速度固定，这样在最后很难准确的停在目标位置，而速度控制可以高效的调整关节运动。速度控制方式通过比例阀箱控制各关节油液流量从而控制机械臂从手各关节的运动速度。但是速度控制和开关控制有一个共同的缺点，那就是对水面操作人员的要求较高。速度控制采用操作杆作为水面控制器，操作杆的操作方向与关节的运动方向可能不同，如大臂关节为上下俯仰运动、操作杆操作方向为左右运动，这样会增加操作人员工作量，并且不能做到同时控制多个关节的速度。速度控制虽然解决了开关控制从手运动精准度不高的问题，但仍没解决实际控制中操控人员操控困难的问题。随着技术发展，考虑前两种控制方式的弊端，研究人员设计位置反馈的控制方式，也称为主从控制方式，通过将操作杆改进成从手缩小版模型进行位置反馈，使得操作人员可以形象化得知从手位置信息，不用像开关控制和速度控制似得在头脑中构建机械臂运动模型，这样可以避免操作对机械臂的损伤，并且方便操控人员同时控制多个关节运动。主从控制方式使得操作人员操作水下机械臂时有人臂一体的感觉，有效地提高操作人员工作效率。并且位置反馈控制也具有速度控制的优点，通过操作主手发出的速度指令，也可以将速度指令值用控制装置经积分变换为位置信息，进行位置反馈控制。但是在水下作业实际控制中，水下机械臂在深海作业时，机械臂主手控制信号传输距离远，传统的485总线通讯传输速度慢，所以传输延时时间长，这样就造成从手接收控制信号滞后于水面操作，水下机械臂从手在工作中出现滞后、间断运动等不良现象，影响水面操作人员对从手位置的判断，从而使操作人员的操作难度加大，进而影响完成水下任务的作业效率。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种形式简单，减少计算量，能够按需要得到优化解，具有通用性和快速性的主从式水下机械臂的延时控制方法。本专利技术的目的是这样实现的：本专利技术包括以下步骤：(1)给定水下机械臂的结构参数，根据水下机械臂的运动学模型，对主从机械臂进行时延分析；(2)采集水动力因素，根据水下机械臂动力学模型，验证机械臂性能是否满足模型需求；(3)对主手动作信号进行延时处理，将前n个时刻关节控制信号缓存在水下控制器中，然后基于多次幂曲线拟合方法计算出从手n+1时刻的关节理想运动位置；(4)分析机械臂主手是否存在急停变向紧急操作以及机械臂从手是否存在洋流干扰因素，通过延时控制环节和洋流反馈校正环节的判断，实现主从水下机械臂平稳连续控制；(5)根据运动学模型、动力学模型以及延时控制算法建立控制系统模型，并基于该模型进行仿真，验证延时控制方法的有效性及可靠性。步骤2所述的水下机械臂动力学模型在不考虑水动力因素时，是运用牛顿—欧拉方程对机械臂进行动力学建模的，其中水下机械臂在任一运动时刻，将机械臂各个关节角度变量qi、速度变量加速度变量i＝1,...n作为已知条件，解算各关节的力矩变量Qi，i＝1,...n，根据牛顿—欧拉法首先向前迭代计算机械臂的各连杆的速度和加速度，其中基座初始运动状态是确定的，如果基座固定，则基坐标角速度0ω0＝0，角加速度根据牛顿—欧拉法向后迭代计算机械臂的各关节的力及力矩；初始条件是力矩力水下机械臂末端点可在机械臂工作空间内自由活动，则Mend、Fend为零；(2.1)向前迭代解算机械臂各连杆的关节角度变量、速度变量： ω i + 1 i + 1 = R i + 1 , i ( ω i i + q · i + 1 e i i ) ]]> ω · i + 1 i + 1 = R i + 1 , i ( ω · i i + q ·· i + 1 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种主从式水下机械臂的延时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)给定水下机械臂的结构参数，根据水下机械臂的运动学模型，对主从机械臂进行时延分析；(2)采集水动力因素，根据水下机械臂动力学模型，验证机械臂性能是否满足模型需求；(3)对主手动作信号进行延时处理，将前n个时刻关节控制信号缓存在水下控制器中，然后基于多次幂曲线拟合方法计算出从手n+1时刻的关节理想运动位置；(4)分析机械臂主手是否存在急停变向紧急操作以及机械臂从手是否存在洋流干扰因素，通过延时控制环节和洋流反馈校正环节的判断，实现主从水下机械臂平稳连续控制；(5)根据运动学模型、动力学模型以及延时控制算法建立控制系统模型，并基于该模型进行仿真，验证延时控制方法的有效性及可靠性。

【技术特征摘要】
1.一种主从式水下机械臂的延时控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)给定水下机械臂的结构参数，根据水下机械臂的运动学模型，对主从机械臂进行时延分析；(2)采集水动力因素，根据水下机械臂动力学模型，验证机械臂性能是否满足模型需求；(3)对主手动作信号进行延时处理，将前n个时刻关节控制信号缓存在水下控制器中，然后基于多次幂曲线拟合方法计算出从手n+1时刻的关节理想运动位置；(4)分析机械臂主手是否存在急停变向紧急操作以及机械臂从手是否存在洋流干扰因素，通过延时控制环节和洋流反馈校正环节的判断，实现主从水下机械臂平稳连续控制；(5)根据运动学模型、动力学模型以及延时控制算法建立控制系统模型，并基于该模型进行仿真，验证延时控制方法的有效性及可靠性。2.根据权利要求1所述的一种主从式水下机械臂的延时控制方法，其特征在于：步骤(2)所述的水下机械臂动力学模型在不考虑水动力因素时，是运用牛顿—欧拉方程对机械臂进行动力学建模的，其中水下机械臂在任一运动时刻，将机械臂各个关节角度变量qi、速度变量加速度变量i＝1,...n作为已知条件，解算各关节的力矩变量Qi，i＝1,...n，根据牛顿—欧拉法首先向前迭代计算机械臂的各连杆的速度和加速度，其中基座初始运动状态是确定的，如果基座固定，则基坐标角速度0ω0＝0，角加速度根据牛顿—欧拉法向后迭代计算机械臂的各关节的力及力矩；初始条件是力矩力水下机械臂末端点可在机械臂工作空间内自由活动，则Mend、Fend为零；(2.1)向前迭代解算机械臂各连杆的关节角度变量、速度变量： ω i + 1 i + 1 = R i + 1 , i ( ω i i + q · i + 1 e i i ) ]]> ω · i + 1 i + 1 = R i + 1 , i ( ω · i i + q ·· i + 1 e i i + q · i + 1 ω i i × e i i ) ]]> v · i + 1 i + 1 = R i + 1 , i v · i i + ω · i + 1 i + 1 × l i + 1 i + 1 + ω i + 1 i + 1 × ( ω i + 1 i + 1 × l i + 1 i + 1 ) ]]>ivci＝ivi+iωi×iρi v · i c i = v · i i + ω · i i × ρ i i + ω i i × ( ω i i × ρ i i ) ]]> F i + 1 i + 1 = m i + 1 v · i c i ]]> i + 1 M i + 1 = I c i + 1 ω · i + 1 i + 1 + ω i + 1 i + 1 × ( I c i + 1 ω i + 1 i + 1 ) ]]>其中，i+1ωi...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏延辉，罗姗姗，姚贵鹏，乔金鹤，张皓渊，李宁波，郭锐，洪国庆，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23