UVMS机器人系统的仿生设计与自主作业方法研究

具有机械臂的水下作业机器人系统（Underwater Vehicle-Manipulator Systems，UVMS）在海洋勘探、资源开发、水下设备维护、水下抢险等任务中具有广泛的应用前景。本课题为解决未知水动力干扰、潜器和机械臂耦合、悬停稳定控制等UVMS系统研究中的难点问题，将仿生水下动物推进模式引入具有机械臂的水下作业机器人的系统设计与作业控制研究，探讨新的设计思路、系统方案、控制方法，研制新型水下作业仿生机器人系统（UBVMS），开展水下自主作业试验，并在试验数据分析基础上对UBVMS系统进行改进和完善。通过本课题的研究工作，在仿生推进机构设计、作业臂设计、感知信息处理、智能控制与自主作业等方法上取得创新成果，并初步形成合理的UBVMS系统设计框架，为新型水下作业机器人系统在复杂水下作业中的应用奠定坚实的理论基础。

水下作业机器人UVMS，特别是小型UVMS系统，其研究和应用面临许多难题，如未知水动力因素造成系统模型的不确定性，系统模型的复杂性，系统冗余，悬停控制，潜器和机械臂的动力学耦合等。因此，本课题将水下仿生推进系统和水下作业系统相结合，基于水下动物推进机理设计新型水下仿生作业机器人系统，并深入研究其控制、优化、自主作业的理论和方法，进行实验验证。经过4年深入细致的研究，主要获得以下研究结果：.在机构方面，先后设计、开发并改进了3代水下仿生机器人本体和2代水下作业臂的本体结构。最新的水下仿生作业机器人系统由两个仿生推进器模块、本体模块和作业臂模块组成。所设计的4自由度作业臂阻力小，适合快速运动，极大降低了作业臂快速运动与本体位姿的耦合影响。.在规划和运动控制方面，建立了仿生波动鳍推进系统的运动学模型，提出了多模态三维水下运动控制方法，实现了前进、后退、侧移、浮潜、转向、旋转等等基本运动；构建了基于模糊推理的推力和力矩―行波参数映射模型，提出了基于ADRC和映射模型的深度和航向控制方法、基于视线导航的三维路径跟踪控制方法。提出了一种RDDH实时路径规划方法和基于该规划算法的移动目标趋近路径规划方法。.在水下抓取控制方面，分析并建立了水下作业臂运动学方程，设计了作业臂的逆运动学算法，分析了作业臂和本体间的耦合；建立了双目视觉测量系统，提出了基于双目视觉的水下目标自动抓取控制算法，并实验验证了对特定颜色标记的球形目标的自动抓取。.在系统集成方面，研制完成新一代水下仿生移动作业臂系统RoboCutt-I。在RoboCutt-I机器人上完成了航向、深度、路径跟踪等运动实验验证，完成了水下目标的趋近、自主抓取。.在自然基金的支持下，本项目最终研制完成水下仿生移动作业臂系统1台，在IEEE Trans.等期刊和会议上发表论文16篇，其中SCI收录6篇，EI收录8篇；申请并被受理3项国家发明专利。