[发明专利]一种主从式水下机械臂的延时控制方法

摘要

本发明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。

主权项

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；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q_i、速度变量加速度变量作为已知条件，解算各关节的力矩变量Q_i，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M_end、F_end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：ⁱv_ci＝ⁱv_i+ⁱω_i×ⁱρ_i其中，ⁱ⁺¹ω_i+1为第i+1个关节的角速度；为第i+1个关节的角加速度；R_i+1，i为第i个关节到第i+1个关机的旋转矩阵；为第i+1个关节的线加速度；ⁱv_ci为第i个关节的质心处的线加速度；为第i+1个关节自身的角速度；ⁱe_i为第i个关节的旋转轴线；ⁱ⁺¹l_i+1为第i+1个连杆的长度矢量；ⁱρ_i为i坐标系到i连杆质心处的位置矢量；^cI_i+1为第i+1个关节到质心坐标原点处的惯性张量；m_i+1为第i+1个关节的质量；ⁱ⁺¹F_i+1为第i+1个关节的惯性力；ⁱ⁺¹M_i+1为第i+1个关节的惯性力矩；(2.2)向后迭代解算机械臂关节的力F_i和力矩Q_i，i＝n,n‑1,...,1：Q^M_i＝R_i‑1,iⁱM_Ji·^i‑1e_i‑1其中，ⁱh_i为i坐标系到i连杆受力点的位置矢量；ⁱF_Ji为第i个关节的关节力；ⁱM_Ji为第i个关节相对于i坐标系的关节力矩；Q^M_i为第i个关节相对于i‑1坐标系的关节力矩；当机械臂连杆关节的重量作为考虑因素时，设固定的机器人基座受到的支撑作用相当向上的重力加速度g，考虑水动力因素时，选择瑞雷耗散函数描述粘性阻尼和流体阻力下物体的运动情况：在拉格朗日动力学算法中引入瑞雷耗散函数：可得带有瑞雷耗散函数的拉格朗日方程：其中q_s为广义位置向量，q_s为相应的速度向量，T为拉格朗日函数；由于牛顿—欧拉方法求出不含水动力变量的力矩则对六自由度水下机械臂推导分析，各关节相对于前一关节的速度表示为^i‑1v_i，i＝1,2,3.....6，根据刚体定轴转动定理，得出各关节平动速度，进而得到各关节的质心点的运动绝对速度⁰v_i，i＝1,2,3.....6；求解机械臂各个关节的耗散函数φ_i，i＝1，2…..6，得到水下机械臂系统的耗散函数为φ＝φ₁+φ₂+φ₃+φ₄+φ₅+φ₆，将瑞雷耗散函数带入拉格朗日方程进行推导，求导瑞雷耗散函数φ的广义速率参数代入方程即可求得水动力阻尼系数。