关键词： 协作机器人   柔顺控制   阻抗控制   轴孔装配  

摘要： 随着机器人应用领域的多样化,需要机器人与人或者环境交互的场景越来越多。在这类场景下,完全基于位置控制的传统工业机器人因为刚性和惯量都非常大,难以将输出力和功率限制在安全范围内,所以不能满足周围人员与环境对安全性的需求,而机器人的柔顺控制可以极大地提高机器人的安全性和灵活性。针对这一问题,本文搭建了协作机器人平台,研究了协作机器人的柔顺控制方法,最后结合装配这一应用场景进行了协作机器人主动柔顺控制方法的应用实验,验证了该技术体系的可行性和应用价值。首先研究了协作机器人的设计方法,主要包括协作机器人结构设计和传感器设计,搭建了六自由度协作机器人实验平台,为柔顺控制研究和装配实验提供基础。其次,建立机器人的运动学模型和柔性关节动力学模型。基于机器人运动过程中的能量变化,提出针对具有柔性关节的高自由度协作机器人的改进动力学参数辨识方法。在协作机器人实验平台上完成了动力学参数辨识实验,为主动柔顺控制的动力学补偿提供了动力学参数。接着,对协作机器人的主动柔顺控制方法进行了研究,主要研究了基于力反馈的阻抗控制方法。结合实验平台的计算能力对笛卡尔空间阻抗控制方法进行了简化与改良,并且在实验平台上完成了阻抗控制方法的验证。最后,设计了高精度轴孔装配实验平台,并基于笛卡尔空间阻抗控制方法完成了机器人自动装配实验,实验结果验证了协作机器人柔顺控制技术体系的可应用性。

关键词： 柔顺放大机构   运动向刚度分析   能量效率   压电控制   微夹持器  

摘要： 随着精密设备应用的拓展,柔顺放大压电驱动系统因其结构简单、构型多样、易于控制等优点逐渐受到学者重视。提高放大倍数是增大柔顺放大压电驱动系统行程的主要方式。但是由于柔性铰链的轴漂运动,柔顺放大机构存在放大倍数极限问题;多级放大机构虽然可以提高放大倍数,但难以兼顾结构尺寸臃肿的矛盾。为了解决这一问题,本文开展了基于柔顺放大机构的大行程压电驱动系统的设计与控制技术研究。从运动向刚度出发,深入探讨柔顺放大机构运动向刚度与放大倍数和能量效率关系等问题,研究大行程高效率的行程放大压电驱动系统设计及其控制方法,将行程放大压电驱动系统有效行程提高到毫米级范围。论文首先将桥式放大机构和杠杆放大机构分别简化为串联柔性链和并联柔性链。利用柔度矩阵描述柔性铰链的弹性变形,通过D-H法推导柔性链关键点的力位计算公式,获得柔性链运动学和静力学通用模型。动力学方面,利用拉格朗日法建立放大机构动力学方程,并计算结构固有频率。利用通用模型,比较二级桥式机构和二级杠杆机构的运动性能和负载特性,分析柔性铰链切口形状和结构参数对放大倍数的影响。从柔性铰链运动方式出发,针对柔性铰链运动方向存在刚度的特点,探究运动向刚度对柔顺放大机构工作性能的影响。提出以混合铰链、混合材料及参数优化为手段,以运动向刚度分析为核心,以运动性能和动力学性能优化为目标的柔顺放大机构运动向刚度设计方法。利用该方法,分析了二级柔顺放大机构的运动向刚度,得到放大倍数和刚度比之间的内在关系。在此基础上,利用混合铰链改进了经典的二级桥式放大机构,将其相对放大倍率提高到0.9以上。考虑到平面放大机构的结构紧凑性,提出了桥式-杠杆二级放大机构,通过有限元仿真和样机实验证明了其在放大倍数和结构紧凑上的优越性。从系统刚度分析出发,分析了运动向刚度与能量效率的关系,探讨了通过刚度配置提高能量效率的可行性,提出了基于负刚度机构的高效柔顺放大机构概念,并设计出了能量效率高达80%的行程放大压电驱动器。为了进一步挖掘二级放大机构的运动性能,以运动向刚度分析为基础,对二级桥式机构进行多目标优化设计,综合协调放大倍数、固有频率、负载能力和刚度比等性能指标,实现90的放大倍数、5mm运动行程、50Hz一阶频率和50N(20N/mm)负载能力。为了保持放大机构纳米级定位分辨率,引入宏微驱动概念,用次级陶瓷补偿放大效应带来的压电陶瓷分辨率损失。考虑到宏微系统的多输入单输出特点,采用“宏开微闭”控制策略,利用高斯过程回归实现压电迟滞非线性的补偿,利用输入整形技术实现柔性铰链的残余振动抑制,采用双前馈+PID混合控制方法实现纳米级定位分辨率和长期稳定性。利用上述柔顺放大机构的设计和控制方法研制了一款新型微夹持器。为了解决微夹持器小结构、大行程的矛盾,将运动向刚度分析法引入压电驱动式微夹持器的结构设计中,通过铰链个性化设计提高了传统二级微夹持器的放大倍数;利用刚度设计实现夹爪被动柔顺功能,降低位置控制分辨率要求;采用平行四边形机构实现夹爪平行夹持;为了实现夹爪开环位置控制,使用基于高斯过程回归和输入整形技术的双前馈控制技术;为了获得精确的恒力控制,采用前馈补偿控制+PID的混合控制;为了增强夹持瞬间的柔顺效果,采用力位切换的控制策略。通过微夹持器的夹持实验,证明了所设计的微夹持器在结构尺寸、运动性能和夹持操作上具有优势。

关键词： 机器人打磨   柔顺控制   柔顺装置   曲面拟合   接触力控制  

摘要： 柔顺控制是指机器人根据力传感器的反馈信号作出相应调节,精确控制接触力变化的过程。一般来说,工业机器人满足传统的位置控制要求,而基于位置控制的工业机器人难以满足复杂曲面打磨接触力控制的要求。所以,针对机器人打磨柔顺控制方法的研究具有重要的应用意义。本文以机器人曲面打磨柔顺控制方法为对象,针对曲面打磨作业的现状和不足,开展对柔顺控制技术方案、曲面打磨的拟合方法、柔顺装置的数学建模,以及打磨接触力控制等问题的研究,为满足机器人打磨作业提供理论依据。本文所作工作和主要研究内容如下。(1)柔顺打磨控制方案研究。本文针对传统位置控制难以满足打磨接触力控制的不足,详细分析了力/位混合控制、阻抗控制两种典型方案的特点,提出了力-位分离打磨柔顺控制方案。在六自由度机器人的基础上,利用其扩展轴,构成七轴打磨作业控制系统,同时保持六自由度机器人的位置控制模式不变,利用第七轴控制打磨接触力,控制对象为比例阀,控制参数为比例阀的工作电流。同时在柔顺控制技术方案的基础上,分析气动驱动打磨接触力控制原理及特点,为后文柔顺装置的设计打下基础。(2)曲面打磨的拟合方法研究。本文针对机器人曲面打磨的路径问题,详细介绍几种典型曲面的拟合方法及特点,提出5次多项式函数插值算法。该方法能够较好的实现机器人曲面打磨路径的拟合,机器人打磨路径平稳光滑,满足打磨过程的稳定性和连续性。(3)曲面打磨柔顺装置的设计及理论建模。为满足打磨作业时法向接触力的控制要求,以及柔顺控制精度,本文设计合理的柔顺打磨装置。针对气动柔顺装置主要元件建模分析,得出传递函数,近似作为整个控制系统的数学模型。利用相位裕度与幅值裕度判定系统的稳定性,为下文保证接触力恒定控制打下基础。(4)曲面打磨接触力恒定控制算法研究。本文针对非线性系统难以精确控制的不足之处,提出传统PID控制、模糊PID控制以及滑模控制等三种控制算法。详细分析三种控制原理与特点,以及打磨接触力的恒定控制的方案。利用MATLAB软件,针对三种控制算法开展仿真分析研究,对比分析不同控制算法的打磨接触力控制效果。本文针对打磨作业中的关键问题,对打磨柔顺控制的技术方案做出深入研究。本文的创新之处是在工业机器人控制打磨接触力不足的基础上提出力-位分离的柔顺控制方案,保持机器人位置控制模式不变,利用机器人扩展的第七轴控制打磨接触力,满足曲面打磨接触力控制精度的要求。

关键词： 航空制造工艺   复杂曲面构件   磨抛技术   机器人   路径规划   离线编程   柔顺控制  

摘要： 本课题针对航空制造中复杂曲面构件的机器人磨抛技术展开研究。在飞机制造过程中，存在大量复杂曲面的加工处理，而磨抛是复杂曲面构件制造过程中重要但比较薄弱的环节。目前航空制造过程中普遍是人工磨抛，技术工人靠自己的经验进行磨抛，无法保证加工产品质量的稳定性;并且磨抛的劳动强度大，环境差，对工人健康产生危害，实现磨抛自动化是非常必要的。本课题针对机器人磨抛技术开展了机器人磨抛路径规划算法、机器人磨抛离线编程技术及机器入主动柔顺控制理论三个方面研究，主要研究工作概要如下:　　(1)实现了一种基于STL（STereoLithography）文件的复杂曲面机器人磨抛路径规划算法。根据STL格式文件获得三角网格的工件模型，构建半边结构对三角网格进行拓扑重建，使用活性表算法提取磨抛面。采用等间距截面法生成了期望的均匀磨抛路径;同时，提出了等轮廓距离的路径规划算法，以解决部分曲面过磨或欠磨的问题。通过法向磨抛的特点计算磨抛路径点的位姿。　　(2)设计开发了一种复杂曲面机器人磨抛离线编程软件。在QT Creator集成开发环境下进行离线编程软件设计，使用GUI(Graphical User Interface)设计库QT实现软件界面的设计，使用OpenGL(Open Graphics Library)来进行三维模型的显示。机器人离线编程软件集成文件模块、工艺选择模块、路径规划模块、机器人离线程序生成以及机器人正逆运动学模块，通过算法生成机器人磨抛的路径点。　　(3)研究了机器人磨抛的主动柔顺控制理论方法。分析了力信息获取的方式，研究重力补偿算法对磨抛工具进行补偿。研究了阻抗控制和力/位混合控制的主动柔顺控制方法，设计了一种机器人磨抛柔顺控制系统通讯方式，提供了一种机器人磨抛柔顺控制策略。

关键词： 下肢康复外骨骼   结构设计   控制系统   运动学动力学建模   柔顺控制  

摘要： 下肢康复外骨骼机器人是一种可穿戴式机械动力装置,可帮助下肢运动功能障碍患者进行康复训练和助力行走,从而缓解紧张的医疗资源和提高患者生存质量。现有的下肢康复外骨骼大多采用跟踪预设步态的被动控制策略,这种控制策略使下肢外骨骼呈现高刚度,当人机运动不协调时会对人体下肢造成牵扯甚至伤害。为降低下肢外骨骼呈现的刚度,论文搭建了下肢康复外骨骼并对柔顺控制策略展开了研究,主要内容如下:首先对人体下肢运动机理展开了研究。通过对下肢生理结构的分析明确了各运动关节的自由度组成及各自运动范围,对直立行走过程进行了步态相位划分,设计了基于姿态传感器的步态关节轨迹采集系统并对直立行走过程的髋膝关节轨迹进行了采集与分析。搭建了下肢康复外骨骼机器人系统。结合人机工程学和拟人化设计理念,设计了下肢外骨骼本体结构,其中将髋关节和膝关节配置成以电机-谐波减速器组合作为动力单元的主动关节,将踝关节配置成弹簧-阻尼被动柔顺关节。对实现运动控制所需的电机驱动系统、主控制板、传感器及采集板进行了设计。为减少系统布线,提高控制系统的稳定性和下肢外骨骼的美观度,设计了基于CAN总线的分布式控制系统。建立了下肢康复外骨骼运动学及动力学模型。基于DH规则建立了外骨骼各连杆附加坐标系,推导了前向运动学模型,得到了足底末端位姿和关节角度之间的转换关系。在前向运动学的基础上推导了下肢外骨骼雅可比矩阵,实现将外骨骼连杆处受到的人机交互力转换为关节扭矩。使用拉格朗日法分别建立了外骨骼单腿支撑相和双腿支撑相的动力学模型,为柔顺控制策略的实现奠定了理论基础。在上述工作的基础上展开下肢康复外骨骼柔顺控制策略的研究。论文在大小腿人机连接处安装了交互力传感器,引入了弹簧-质量-阻尼模型,设计了导纳柔顺控制器根据交互力的值修正预设步态轨迹,针对底层控制设计了基于动态力补偿的关节角度控制器实现关节对修正轨迹的跟踪。经实验表明,载人条件下髋关节平均绝对跟踪误差为0.69°,膝关节平均绝对跟踪误差为0.67°,引入的导纳柔顺控制器使大腿连接处的人机交互力平滑度增加48.6%,小腿处的人机交互力平滑度增加27.7%,提高了人机连接处的柔顺性。

关键词： 柔顺机构   欠驱动机构   夹持器   阻抗控制   自适应  

摘要： 抓取是一种典型的机器人末端操作形式,在分拣装配、农业采摘、灾难救援、微纳操作等领域具有广泛应用,如何对多规格、不确定的操作对象实现稳定、安全的抓取操作是机器人技术中的关键难题之一。夹持器主要用于目标物体的夹持、搬运、放置,是机器人抓取操作执行机构的主要实现形式。从机构学的角度,驱动单元数少于自由度数量的欠驱动机构具有良好的形状自适应性;而柔顺机构具有免装配、无摩擦磨损、高精度等优点,已成为精密工程、仿生机器人等领域末端执行机构的主要实现形式。从控制的角度,通过合理设计主动控制算法,可以进一步提高机器人抓取机构在非结构环境中的交互安全性与操作可靠性。本文正是在该背景下,对自适应柔顺欠驱动夹持器的设计与控制进行研究:(1)通过将刚性欠驱动夹持器与柔顺机构、柔性材料相结合,设计了一种新型的多模式柔顺欠驱动夹持器,提升机器人抓取操作末端执行机构的自适应性与通用性。该夹持器具有两种夹持模式,分别为两点夹持与包络夹持。基于伪刚体模型法,对不同的工作模式进行了静力学分析,以建立了输出夹持力与输入载荷之间的解析关系,对于包络夹持模式,通过设计了一种算法以确定静平衡位置。进而,基于梯度下降法,构造结构参数的多目标优化模型,以最大化多模式夹持力。通过动态仿真软件与有限元分析分别对两夹持模式、夹持力的建模、以及优化算法的有效性进行仿真验证。(2)设计了一种具有自动切换跟踪模式能力的自适应阻抗控制算法,用于控制所设计的新型柔顺欠驱动夹持器,以实现针对不确定的抓取对象自适应调节多模式操作下的力位参数。通过利用所设计的力传感系统,同时实现夹持力检测与感知夹持力模式,为控制策略提供反馈信号。通过推导柔顺夹持器的运动学模型,以建立夹持进给量与目标电机转子位置的关系。基于递归最小二乘法与线性二次调节器,设计出了一种基于最优控制的阻抗控制算法,该算法能够根据评估获得的物体刚度,自适应分配轨迹跟踪与夹持力跟踪的权重。然后,设计出了相应的夹持控制策略及对其进行鲁棒设计,并进行了仿真验证。(3)对所设计的新型柔顺欠驱动夹持器及优化自适应阻抗控制算法进行实验验证。对于机构设计方面,通过设计相应的夹持器样机与搭建了力测量平台,验证夹持力建模与优化算法的有效性,并通过执行各种抓取实验进一步的验证了夹持器各种工作模式的有效性、夹持的稳定性与具有保护易损物体的能力。对于夹持器控制方面,通过搭建了夹持控制实验系统,并开展多种的夹持控制实验,以验证了控制算法的优点与在两夹持模式下进行自适应夹持的有效性。

关键词： 激光针灸   机器人   位姿估计   运动规划   柔顺控制  

摘要： 激光针灸机器人是以机械臂为载体,以激光针灸治疗仪为执行机构的医疗机器人,是机器人技术与医学技术交叉结合的产物。激光针灸机器人将有效推动远程医疗的进程,解决医疗服务中医疗水平及资源分布不均的社会问题,缓解针灸医生的治疗压力。由于针灸处方中会包含多个腧穴的治疗,机器人的运动贯穿治疗过程的始终,而且激光针灸治疗仪在治疗时需以一定的力与人体的腧穴部位垂直接触,机器人的柔顺控制是治疗有效性与安全性的保障。因此,开展激光针灸机器人的治疗规划与柔顺控制策略研究,对激光针灸机器人技术的理论发展与切实应用意义重大。本文面向激光针灸机器人治疗过程的实际需求,具体开展激光针灸治疗腧穴的治疗位姿估计、多腧穴治疗过程中的机器人运动规划以及激光针灸机器人的柔顺控制方法研究,并通过数值仿真与实验验证相关理论的有效性与先进性。主要研究工作如下:首先,面向治疗中激光针灸治疗仪与人体腧穴处垂直接触的需求,本文研究了激光针灸治疗腧穴的治疗位姿估计方法。采用RGBD相机采集人体腧穴处的视觉信息并融合为点云信息进行处理,同时通过降采样及直通滤波等预处理方法,缩减点云的信息量,提高点云的准确性。为了进一步提高三维信息的完整性与准确性,将多方位采集到的点云信息进行拼接并进行滤波处理。针对治疗位姿估计的问题,将其转化为腧穴处点云法线的估计问题,通过邻域分析的方法估计点云的法线,进而估计出机器人治疗腧穴的姿态。其次,针对针灸处方中多腧穴治疗的特点,开展基于快速搜索随机树算法(RRT)的激光针灸机器人治疗规划方法研究。为有效缩减RRT算法的搜索空间,通过蒙特卡洛方法分析并划分激光针灸机器人的工作空间,在此基础上将关节空间规划与RRT算法相结合。此外,通过改进RRT算法,实现多点之间路径的同时搜索,满足多腧穴治疗需求的同时提高规划效率。针对RRT算法结果非最优的问题,基于改进的RRT算法,提出了相应的路径提取及优化方法。然后,面向治疗过程中激光针灸治疗仪以一定的接触力与人体腧穴处垂直接触的需求,开展激光针灸机器人柔顺控制方法研究。通过对激光针灸机器人雅克比矩阵的分析,将其动力学在操作空间与零空间解耦,同时对机器人的在治疗过程中各个阶段的运动约束进行分析,为机器人的力控制奠定基础。为了保障各个阶段机器人控制的连续性与稳定性,本文基于阻抗控制方法,设计自适应阻抗控制器。最后,开展激光针灸机器人治疗规划与柔顺控制方法的实验验证。基于实验室设备搭建实验平台,依次分别设计多腧穴遍历治疗的机器人路径规划实验和激光针灸机器人自适应阻抗控制实验。对比分析实验数据,验证所提算法的有效性与实用性。

关键词： 镜像铣削   模糊自适应   阻抗控制   大型薄壁构件   柔顺控制  

摘要： 随着我国航天技术的发展,火箭的运载能力不断地提升,火箭燃料贮箱的尺寸不断增大。在火箭燃料贮箱壁这类大型薄壁构件的加工中,相比于传统的化学铣削、靠模加工、多点支撑加工等方式,镜像铣削方法具有效率高、装备简单、精度高等一系列优点,将逐步取代传统加工方法。由于大型薄壁构件具有刚度低、易颤振、易产生形变等特点,其镜像加工的过程中需要支撑侧机构提供足够且适当的支撑力以提高薄壁构件局部刚度,保证加工精度和稳定性。同时,由于支撑过程中涉及到支撑头与薄壁构件的相互作用,单纯的运动控制不足以保证系统的安全和精度。本文从镜像铣削系统支撑侧控制需求出发,重点研究镜像铣削系统在大型薄壁构件加工中的支撑侧柔顺控制问题。首先,介绍了本课题组开发的镜像铣削系统的机械结构及控制系统,对其进行运动学分析,建立其伺服轴数学模型,并在MATLAB/Simulink中建立了仿真模型。对支撑侧系统进行动力学模型的简化,以便于后续对阻抗控制系统进行稳定性分析。由于后续提出的支撑侧控制策略均以混合阻抗控制为核心,因此对混合阻抗控制进行系统分析,探究阻抗控制器参数对控制性能的影响,并通过一系列仿真进行验证,为后续的控制策略提供了理论基础。其次,为了获取大型薄壁构件铣削过程中支撑的基准位置,提出一种基于力跟踪的支撑位置确定策略。该策略通过模糊算法改进一种自适应阻抗控制器,并与混合阻抗控制相结合,使支撑头沿薄壁构件表面滑动的过程中保持恒定的支撑力,进而得到支撑头在铣削时的基准位置。改进后的控制器保持了自适应阻抗控制较小的支撑力稳态误差,同时显著减小了支撑力超调。利用仿真和十字滑台实验证明了所提出策略的有效性与可实现性。实验证明,改进算法的滑动阶段力跟踪误差相比于混合阻抗控制和自适应混合阻抗控制分别减少了58.2%和5.7%,调节时间分别减少了34.2%和28.4%;超调量相比于自适应混合控制减小了92.4%。最后,针对大型薄壁构件镜像铣削过程中支撑侧的控制需求,提出一种模糊自适应混合变阻抗控制策略。该策略可以根据加工时的具体情况,通过参数设定来调节支撑力与支撑位置之间的关系。同时,该策略还具有超调小、调节时间短、易于在镜像铣削系统上实现等优点。同样地,在仿真和镜像铣削系统中验证了提出策略的有效性。实验证明,提出的控制策略相比于混合阻抗控制超调量最高降低87.5%、调节时间最高降低67.7%,并可以实现力与位置在不同范围内的调节。

关键词： 下肢康复机器人   阻抗控制   CAN通讯   轨迹规划  

摘要： 随着社会的发展需要,机器人技术越来越成熟,特别是康复机器人领域,它符合当今人口老龄化等原因造成人体运动功能障碍患者的需求。康复机器人可以很好地解决康复训练医疗资源不足的问题,而且能达到更好地康复效果。所以,本文设计了一种可以帮助下肢运动功能障碍患者恢复训练的绳索牵引下肢康复并联机器人。由于这种机器人的作用对象是患者,所以对它的性能提出了很高的要求,不仅要达到驱动人体下肢运动实现康复效果,更要考虑人机的安全性。针对此问题,本文提出了在康复机器人控制系统中建立柔顺性控制策略,使下肢康复机器人具有一定的主动柔顺性,更好地为患者提供服务。本文从理论推导,建模仿真和样机实验等方面研究,主要内容如下:考虑到人体下肢的运动特性和康复机构性能指标等因素,以步态康复训练为任务目标,进行康复机器人总体结构方案和控制方案的设计,其中对于控制系统上下位机的通讯方案进行了比较分析,决定采用CANopen通讯方式对康复系统的多电机进行同时控制,它能很好地解决分布式控制问题。针对康复机构需要康复轨迹规划的需求,通过对人体下肢运动学分析,并使用FAB系统测量相关数据,对人的踝关节点进行了轨迹规划。建立康复系统的动力学方程,通过数学推导求解出步态轨迹过程中各绳索力的输出规律。进行运动学理论推导,通过仿真分析得到每根绳索长度、及速度变化规律。针对康复机器人首要考虑的安全性问题,设计了一种柔顺性控制策略。通过对阻抗控制理论的分析,采用基于位置的阻抗控制策略,并对各阻抗参数对系统的影响做了分析。通过MATLAB/simulink搭建绳索牵引康复机器人引入阻抗模型的控制系统,对它的力控制性能、柔顺性和阻抗参数的影响进行仿真分析,验证了该控制系统的有效性。最后根据上述理论基础,构建了下肢康复机器人的实验样机和控制系统。进行了CAN通讯控制伺服电机的验证实验,康复机器人单绳索驱动系统的力跟踪实验和阻抗控制实验。

关键词： 水下机械臂   运动学分析   动力学分析   阻抗控制  

摘要： 在陆地资源日渐减少的今天,扩大海洋资源的开发十分必要且紧迫。由于水下环境复杂多变,人们通常借助水下机器人搭载水下机械臂系统来完成深海探索和开发。水下机械臂是机电一体化设备,被广泛应用于勘探海洋资源、水下工程施工、海洋国防等领域,水下机械臂技术充分地反映了水下机器人的先进程度。不同于工作在空气中的机械臂,作业在水下的机械臂会受到水的粘滞阻力,有时还会受到海流的冲击力,仅对水下机械臂进行位置控制是不够的,还需要对水下机械臂进行柔顺控制。因此,研究水下机械臂的柔顺控制方法十分必要,是保障机械臂稳定作业的基础。本文针对一款水下机械臂,建立了水下机械臂的运动学模型和动力学模型,融合运动学分析及动力学分析设计了基于位置的关节阻抗控制策略,并通过仿真实验验证和分析了水下机械臂控制策略的正确性和稳定性。具体研究内容如下:首先,分析了水下机械臂的构型,利用D-H标准法建立了该机械臂的关节坐标系。详细推导了机械臂正逆运动学和雅克比公式,并在MATLAB机器人工具箱中搭建了机械臂的运动学仿真平台,得到了机械臂的工作空间,并验证了正逆解的正确性。其次,对水下机械臂进行了动力学分析,重点研究了水下机械臂的水动力学。根据拉格朗日法建立了水下机械臂动力学方程,基于莫里森公式计算了方程中的水动力项,并利用流体仿真软件FLUENT求取水动力系数。将水下机械臂受到的水阻力分为静水环境搅水受力和静止状态受到海流冲击两部分,在ADAMS中建立了水下机械臂的动力学模型,根据关节力矩定量地分析了浮力、水阻力、不同方向和大小的流干扰对水下机械臂的影响。最后,基于水下机械臂的运动学分析和动力学分析,设计了一种基于关节位置的阻抗控制策略。利用ADAMS-MATLAB/Simulink联合仿真搭建了水下机械臂控制系统的仿真平台,研究了阻抗参数对控制系统的影响,并进行了多组对比仿真实验,分析了水环境及水阻力大小对水下机械臂控制系统的影响。