绳驱动水下机械手刚-柔-液耦合动力学及鲁棒控制研究

Autonomous underwater vehicle (AUV) is an important platform to implement the national marine strategy. In order to meet the harsh requirement of high load/weight ratio and low power consumption for the underwater manipulator installed on AUV to realize high performance underwater autonomous working, a novel modular cable-driven underwater manipulator is proposed in this project. To realize high precision motion control of this new cable-driven underwater manipulator, the complex rigid-flexible-liquid coupling dynamics of the cable-driven underwater manipulator is deeply researched based on the spatial operator algebra theory and modal synthesis method, which reveals the dynamics coupling characteristics and corresponding mechanisms of action between the cable-driven manipulator and underwater environment and AUV. Meanwhile, the complex lumped uncertainties of the cable-driven underwater manipulator is deeply studied and analyzed. And the online estimation and compensation method for the lumped uncertainties is proposed based on the time delay estimation theory and sliding mode disturbance observer and adaptive theory. Then, the strong robustness of the nonsingular terminal sliding mode control method and the memorability of fractional-order calculus operator are synthesized, and corresponding high performance robust control method for the cable-driven underwater manipulator under complex lumped uncertainties is proposed. Finally, the completed method system for the complex rigid-flexible-liquid dynamics and robust control research of cable-driven underwater manipulator are expected to be established, and lay a solid foundation for the high performance underwater autonomous working of the new AUV-manipulator system.

自治水下机器人(AUV)是国家海洋战略实施的重要平台，而为满足水下高性能自主作业对AUV所搭载水下机械手高负载自重比和低作业功耗的苛刻要求，本项目创新提出一型模块化的绳驱动水下机械手。为实现该新型绳驱动水下机械手高精度的运动控制，本项目基于空间算子代数理论和模态综合法，对其复杂的刚-柔-液耦合动力学展开深入研究，揭示其与水下作业环境及AUV之间的动力学耦合特性及其作用机理；同时深入分析绳驱动水下机械手面临的复杂集总干扰，以时延估计理论为基本框架，结合滑模干扰观测器和自适应理论，实现复杂集总干扰的在线估计与实时补偿；进而综合非奇异终端滑模控制的强鲁棒性和分数阶微积分算子的记忆性，提出复杂集总干扰下绳驱动水下机械手的高精度鲁棒控制方法。最终建立完整的绳驱动水下机械手刚-柔-液耦合动力学及鲁棒控制研究方法，为实现新型AUV-机械手系统水下高性能的自主作业奠定坚实的基础。

广阔的海洋中蕴藏着丰富的资源，而海洋高新技术是维护国家海洋权益、资源安全乃至国家战略安全的基石。自治水下机器人(AUV)-机械手系统(AUVMS)不受脐带缆牵制，有望实现水下作业的完全自主化，可有效降低成本、提高效率，在海洋资源开发中具有重要作用。但目前面向AUV应用的机械手系统大多将驱动单元及其密封结构置于关节处，导致系统结构笨重、能耗高、对载体干扰大，严重限制了AUVMS的自主作业能力，同时也迫使其大型化。为此，本项目创新引入绳驱动技术，研制出一款面向AUV的新型轻量化绳驱动水下机械手，以降低能耗、延长系统续航能力、降低对载体平台的扰动。本项目首先对两种典型的串联绳驱动结构进行了运动学耦合分析，提出了三种解耦方案，其中两种基于解耦绳索，一种基于行星锥齿轮系。针对所提出的三种解耦方案设计了相应的解耦验证平台，通过实验验证了解耦方案的有效性。其次，对绳驱动水下机械手特有的耦合联动现象进行了耦合机理分析，明确了绳驱动水下机械手平行关节间的耦合联动机理。再次，设计了一款面向AUV的绳驱动水下机械手“北极星二号”。该机械手将驱动单元全部置于底座舱内，有效降低作业能耗及对载体扰动。系统除末端执行器外包含4个自由度，臂身重5.95kg, 有效负载能力4.5kg，负载自重比达到0.75；臂身长度为836mm，作业时质心变化范围仅为48×33×48mm。然后，逐一分析了影响绳驱动水下机械手动力学特性的连杆动力学、绳索动力学和水动力学，继而建立了绳驱动水下机械手完整的刚-柔-液耦合动力学模型。最后，对该绳驱动水下机械手进行了的运动控制研究。考虑到水下环境干扰较多、系统动力学复杂，本项目以时延估计为框架，融合自适应理论、终端滑模控制以及分数阶微积分算子等，提出了多种鲁棒控制算法，并通过多种工况下的综合试验验证了算法的有效性与优越性。本项目的顺利实施为实现AUVMS高品质的水下自主作业奠定了基础，有利于我国海洋强国战略的早日完成。