一种水下机器人-机械手系统受海流扰动强弱评估方法技术方案

本发明专利技术公开了为一种水下机器人

【技术实现步骤摘要】
一种水下机器人-机械手系统受海流扰动强弱评估方法


[0001]本专利技术涉及机器人控制领域，尤其涉及一种水下机器人-机械手系统受海流扰动强弱评估方法。

技术介绍

[0002]扰动补偿控制在控制领域尤其是水下机器人领域是必不可少的技术。在复杂的海洋环境下，如海流涌动的航道，由于海流海浪的影响，使得水下机器人的工作位姿很容易发生偏移。而且相对于陆地来说，海洋环境更加复杂多变，海流海浪是水下环境不可避免的一部分，所以水下机器人-机械手系统(Underwater Vehicle-Manipulator System,UVMS)在进行抓取工作时，会受到海浪海流影响，产生水下机器手偏移，影响机械手末端相对目标物位置，进而影响抓取的准确度。而当海浪海流影响较大时，使水下机器人本体发生较大偏移，由于水下机器人与机械手之间的耦合关系，机械手末端也将发生严重偏移，进而影响抓取的准确度。
[0003]魏延辉等人提出了一种近海面条件下的利用多传感器信息融合的海浪对水下机器人扰动评估方法，作者采用惯导系统、水下摄像头、声学测距传感器等采集本体航向姿态、水下目标物图像位置、水下机器人相对距离变化等综合信息，并将这些信息数据融合处理，从而掌握海流对水下机器人扰动的影响量级，为水下机器人控制研究提供扰动量，但未研究水下机器人抓取任务中机械手末端所受扰动强弱，无法为水下机械手在海流扰动环境下的控制研究提供扰动量。本专利技术参考魏延辉提出的扰动评估方法，对执行抓取工作的水下机器人受海流海浪扰动强弱进行分级讨论，对机械手末端相对目标物偏移量分析，将扰动情况分为强扰动与弱扰动，针对不同的扰动等级进行不同的补偿控制；弱扰动情况下对机械手关节进行补偿控制，使机械手末端再次与目标物重合，提高抓取任务成功率；若扰动为强扰动，此时由于机械手关节转角大小的限制，仅对机械手关节进行补偿控制已不能实现末端与目标物的重合，需对水下机器人本身控制，将强扰动造成的影响削弱，使扰动等级变为弱扰动后在对机械手关节进行补偿控制，最终实现不同扰动等级下控制策略。

技术实现思路

[0004]根据现有技术存在的问题，本专利技术公开了一种水下机器人-机械手系统受海流扰动强弱评估方法，包括以下步骤：
[0005]S1:当水下机器人-机械手系统到达海底任务位置，将受扰动后机器人的机械手实际位姿与理想状态下位姿进行对比，得到机械手在物理空间上的受扰动位置的变化；
[0006]S2:将机械手在物理空间上的位置的变化划分为水下机器人本体在X-Y平面受侧向横移扰动Y
d
、艏向扰动ψ
d
的时位置变化及X-Z平面受升降扰动位置变化，
[0007]当水下机器人本体在X-Y平面受侧向横移扰动Y
d
、艏向扰动ψ
d
发生位置变化时，对机械手第一关节进行补偿，使第一关节绕Z轴转动，使机械手末端回到期望情况下末端位置，得到为X-Y平面上补偿后机械手末端与期望情况下机械手末端夹角r
Z
；
[0008]当水下机器人本体在X-Z平面受升降扰动发生位置变化，对机械手第二、三关节进行补偿，使机械手第二、三关节绕Y轴转动，使进而机械手末端回到期望情况下末端位置，得到X-Z平面上补偿后机械手末端与期望情况下机械手末端夹角r
Y
；
[0009]S3:当补偿后机械手末端与期望情况下末端Z轴方向夹角r
Z
＞阈值Ⅰ，则水下机器人-机械手系统X-Y平面受到的扰动为强扰动；
[0010]当补偿后机械手末端与期望情况下末端Z轴方向夹角r
Z
≤阈值Ⅰ，则水下机器人-机械手系统X-Y平面受到的扰动为弱扰动；
[0011]当补偿后机械手末端与期望情况下末端Y轴方向夹角r
Y
＞阈值Ⅱ，则水下机器人-机械手系统X-Z平面受到的扰动为强扰动；
[0012]当补偿后机械手末端与期望情况下末端Y轴方向夹角r
Y
≤阈值Ⅱ，则水下机器人-机械手系统X-Z平面受到的扰动为弱扰动；
[0013]当水下机器人-机械手系统X-Y平面受到的扰动为弱扰动和X-Z平面受到的扰动为弱扰动时，则水下机器人-机械手系统受到的海流扰动等级为弱扰动；其余情况下则水下机器人-机械手系统受到的海流扰动等级为强扰动。
[0014]进一步地：所述r
Z
的表达式如下：
[0015][0016]其中：l1、l2、l3为机械手第一关节、第二关节和第三关节的长度，Y
d
为X-Y平面侧向横移扰动，L为X方向水下机器人重心与机械手第一关节间距离，θ
2r
为补偿后机械手第二节与第一节延长线夹角，ψ
d
为X-Y平面横向扰动。
[0017]进一步地：
[0018][0019]其中：Z
d
为X-Z平面升降扰动。
[0020]进一步地，该方法适用于三关节的机器人-机械手，机器人-机械手的第一关节坐标系固定在水下机器人上，第一关节的转动轴与水下机器人-机械手系统载体坐标系中的Z轴平行，第二关节、第三关节转动轴与水下机器人-机械手系统载体坐标系中的Y轴平行。
[0021]进一步地，所述阈值Ⅰ和阈值Ⅱ为
[0022]由于采用了上述技术方案，本专利技术提供的一种水下机器人-机械手系统受海流扰动强弱评估方法，对水下机械手尤其是机械手末端受海流扰动情况做了重点讨论，将扰动模型简化，对水平面(X-Y)与竖直面(X-Z)分别讨论，可为控制策略中的扰动提供参考，进而提高抓取的准确性,该评估方法与水下机器人运动特征相符合，水下机器人的六自由度运动模型可简化为X-Y平面与X-Z平面的二维运动模型，同样的任务背景下，所需控制系统复杂度更低。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本方法的总体流程图；
[0025]图2为机械手标准D-H坐标系示意图；
[0026]图3为机械手MATLAB可视化模型图；
[0027]图4为水下机器人-机械手系统三维模型示意图；
[0028]图5为水下机器人-机械手系统运动学模型示意图；
[0029]图6为期望状态下的坐标系简化图；
[0030]图7为X-Y平面扰动示意图；
[0031]图8为X-Z平面扰动示意图；
[0032]图9为X-Y平面扰动补偿示意图；
[0033]图10为X-Z平面扰动补偿示意图。
具体实施方式
[0034]为使本专利技术的技术方案和优点更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
[0035]水下机器人-本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水下机器人-机械手系统受海流扰动强弱评估方法，其特征在于：包括以下步骤：S1:当水下机器人-机械手系统到达海底任务位置，将受扰动后机器人的机械手实际位姿与理想状态下位姿进行对比，得到机械手在物理空间上的受扰动位置的变化；S2:将机械手在物理空间上的位置的变化划分为水下机器人本体在X-Y平面受侧向横移扰动Y
d
、艏向扰动ψ
d
的时位置变化及X-Z平面受升降扰动位置变化，当水下机器人本体在X-Y平面受侧向横移扰动Y
d
、艏向扰动ψ
d
发生位置变化时，对机械手第一关节进行补偿，使第一关节绕Z轴转动，使机械手末端回到期望情况下末端位置，得到为X-Y平面上补偿后机械手末端与期望情况下机械手末端夹角r
Z
；当水下机器人本体在X-Z平面受升降扰动发生位置变化，对机械手第二、三关节进行补偿，使机械手第二、三关节绕Y轴转动，使进而机械手末端回到期望情况下末端位置，得到X-Z平面上补偿后机械手末端与期望情况下机械手末端夹角r
Y
；S3:当补偿后机械手末端与期望情况下末端Z轴方向夹角r
Z
＞阈值Ⅰ，则水下机器人-机械手系统X-Y平面受到的扰动为强扰动；当补偿后机械手末端与期望情况下末端Z轴方向夹角r
Z
≤阈值Ⅰ，则水下机器人-机械手系统X-Y平面受到的扰动为弱扰动；当补偿后机械手末端与期望情况下末端Y轴方向夹角r
Y
＞阈值Ⅱ，则水下机器人-机械手系统X-Z平...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宁，王宁，陈浩华，陈廷凯，李春艳，田嘉禾，王荣峰，陈帅，薛皓原，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：