随着海洋开发利用进程的不断加快,自治式水下机器人技术得到迅速发展,利用自治式水下机器人进行水下作业逐渐受到了人们的重视。作业型自治式水下机器人载体与携带的机械手构成了一种新型的水下机器人-机械手系统,在继承自治式水下机器人原本优势的基础上赋予其作业能力,因而可以在大范围内自主完成水下作业任务,近年来在海洋科考、资源探测开发等方面发挥了重大作用,是目前水下机器人的重要发展方向之一。但是,在水下机器人-机械手系统水下作业的过程中,随着系统携带的作业机械手展开运动,系统整体重心发生变化进而导致水下机器人-机械手系统姿态发生变化,系统姿态变化将直接影响到水下作业的成功率和作业质量,因此,研究水下机器人-机械手系统姿态控制技术具有重要的研究意义和实际应用价值。传统水下机器人可以利用垂向推进器控制纵横倾姿态,这种方式可能影响系统定深控制性能,增加系统能耗。本文在分析国内外应用于不同场合的各类姿态控制技术和装置的基础上,结合课题具体要求,研制了一种基于重心调节的水下机器人-机械手系统的姿态控制装置,并将该装置集成于水下机器人-机械手系统中,在此基础上,研究水下机器人-机械手系统姿态控制方法,在水下机器人-机械手系统实验样机上开展相关的姿态控制研究。本文的主要研究内容如下:(1)针对利用垂向推进器进行姿态控制影响系统定深控制性能并增加系统能耗的问题,结合课题要求,研制了一种基于重心调节的水下机器人-机械手系统的姿态控制装置并集成于水下机器人-机械手系统。主要包括姿态控制装置方案论证与结构设计;根据姿态控制的性能与指标要求,对控制系统进行了功能模块划分,设计了各功能模块电路;根据姿态控制装置的控制策略与控制流程,设计了基于主、从控制方式的控制系统软件体系结构,完成了主、从控制器中相应的软件编程。(2)研究水下机器人-机械手系统的姿态控制问题,从系统整体重心变化的角度,分析了水下机器人-机械手系统运动过程中受到的各类合外力(矩)。通过分析水下机械手分系统与姿态控制装置运动引起的重心变化,得出水下机器人-机械手系统作业过程整体重心位置变化规律。建立姿态控制分系统数学模型和水下机器人-机械手系统俯仰与横滚姿态的动力学方程,为后续仿真研究提供支持。(3)针对水下机器人-机械手系统强耦合、非线性、参数时变等特点,在常规PID控制器的基础上,基于模糊控制理论设计二维模糊PID控制器,通过在MATLAB/SIMUL-INK中对水下机器人-机械手系统在机械手关节展开运动与正弦运动下系统的姿态控制进行仿真,验证模糊PID控制方法在水下机器人-机械手系统姿态控制上的控制效果。(4)为验证姿态控制装置在水下机器人-机械手系统的实际控制效果,本文利用姿态控制装置开展水下机器人-机械手系统样机水池姿态控制实验。本文对水下机器人-机械手系统机械手单关节、多关节展开运动以及典型作业运动过程进行姿态联合控制实验,对比分析了以上实验中常规PID控制方法和模糊PID控制方法的姿态控制性能。实验结果表明:本文研制的基于重心调节方式的水下机器人-机械手系统姿态控制装置工作稳定可靠,对水下机器人-机械手系统在作业过程中的系统姿态具有较好的控制效果。