水下助推机器人控制方法研究

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随着机器人技术的快速发展,用于增强人体运动能力辅助型机器人越来越得到人们的重视。而在水下环境工作时,必然受到水下环境各种因素的限制。本课题研究水下助推机器人能够帮助水下工作者摆脱人体机能的限制,增强水下运动力量,减少体能消耗,从而帮助工作者能够在水下完成复杂的任务。由于水下环境极其复杂多变,机器人各关节之间存在耦合以及机器人与人体接触具有不确定性,因此本文分析机器人水下运动及其受力情况,设计控制算法,完善运动控制体系结构,并且以传感器获取状态信息,使得水下助推机器人具有良好的运动控制能力。  本文主要研究水下助推机器人的控制方法及其实现。首先,建立机器人连杆坐标系,分析得出游泳运动学模型;运用牛顿-欧拉动力学分析方法,分析机器人内推外推过程,得出水下助推机器人动力学方程;并利用运动员游泳视频获取水下游泳关节运动的角度曲线。  然后重点研究水下助推机器人的控制方法。建立控制系统的结构以及电机控制传递函数并获取其参数。在 PID 控制方法的基础上,运用 Adams 与 MATLAB联合仿真,得出 PID 控制器抗扰动能力不强、响应速度慢等缺陷;设计滑模控制器,在滑模控制的开关切换增益部分使用了饱和函数,在一定程度上减少了抖振;将滑模控制的动力学计算部分用PD控制器代替得出了PD与滑模混合的控制器,控制效果有较好的改善;考虑系统模型的复杂性,在PD和滑模控制器都增加了参数在线调整的模糊控制,但轨迹跟踪效果无明显提高。在运动控制器期望轨迹生成部分用力控制器代替,得出力引导的控制方法,在Adams中增加人腿与机器人腿的接触模型,验证力控制器的可行性。  最后,搭建水下助推机器人控制平台并实验。基于TMS320F28335与Spartan-6设计双核控制器,制作控制硬件平台,开发控制算法代码以及控制软件。在实机上测试控制算法,得出滑模控制的有效性;并在水池中测试水下助推机器人系统,得出PD滑模混合控制算法具有较好的效果。
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