障碍物环境中水下操作型机器人运动-力控制研究

Underwater Vehicle-Manipulator System is the indispensible tool in construction and maintenance of marine structures and pipeline facilities. It is key to the whole underwater task that simultaneously accurate control of motion and force can be achieved and the redundant manipulator arms can be operated dexterously in limited underwater circumstance. The conventional robot robust control frame will be broken through in the subject, which adopt a novel control scheme based on the passive control theory for UVMS. With deeply analysis of system energy transfer and conversion and the different priority levels of structure constrain and circumstance constrain and other constrain tasks, the passive second-order sliding mode motion and force control scheme is constructed and can make sure the motion and force control of UVMS' end effector and optimal redundancy resolution of manipulator arms. Then the UVMS can complete the underwater operating task dexterously and rapidly and accurately even in the tremendous ocean current disturbance and obstacle surroundings. The research results can be used not only in deep ocean engineering directly, but also can be the reference to the design and control of micro operating robot in blood vessel.

水下操作型机器人是海洋建筑、管路设施建设和维护的必备工具。在有障碍物限制、洋流干扰的深海环境中，同时实现操作型机器人运动和力两方面精确控制，使得机器人操作手在水下局限环境中灵巧准确地完成预定操作是整个水下作业成败的关键。本课题突破传统机器人鲁棒控制设计框架，以无源控制理论为基础，系统研究机器人在水流环境中操作时的能量传递和转换特征，分析不同优先等级的结构约束、环境约束和其他任务约束条件，以此为基础构建水下操作型机器人无源二阶滑模运动-力控制器，同时实现机器人手臂末端作用器运动控制和接触力控制以及冗余操作手臂位置优化逆解，保证机器人在障碍物环境中灵巧、快速、准确地完成预定水下作业任务。其研究成果不仅可以直接服务于深海水下工程，提高水下机器人自主作业能力，对未来血管内微操作机器人的控制和设计也有很好的借鉴作用

水下操作型机器人是海洋建筑、管路设施建设和维护的必备工具。在有障碍物限制、洋.流干扰的深海环境中，同时实现操作型机器人运动和力两方面精确控制，使机器人在水下局限环境中灵巧准确地完成预定操作是整个水下作业成败的关键。本课题针对水下操作型机器人在海洋开发中的迫切需求，结合研究团队在机器人操作和控制方面的知识储备和工程经验，深入开展基础研究工作。.课题研究的主要成果和创新性包括以下三个方面。首先是复杂机器人系统建模方法创新。UVMS由惯性体水下载器和非惯性体冗余操作手臂组成，两者在运动学和动力学层面互相耦合影响。针对UVMS复杂的结构特征以及动力学参数不确定性，从流体扰动力和流体粘滞阵的有界性分析出发，建立了广义坐标下UVMS标准的拉格朗日方程。并从系统能量转换角度分析证明了UVMS在手臂末端操作器与目标操作物光滑表面保持一定接触力移动时的无源性保持，为UVMS系统无源控制器设计提供必要的理论依据。其次是操作型机器人控制理论和方法创新。为在复杂水流环境中操作的冗余非惯性UVMS系统提出了基于无源性的运动和力二阶滑模控制策略，这种控制策略能够有效应对UVMS所处水生环境中液体流和波浪对系统的作用，并使UVMS在手臂末端操作器有约束接触力时仍然保持闭环系统的稳定性和无源性，实现UVMS稳定的轨迹跟踪、力跟踪，同时实现冗余手臂姿态优化逆解。第三是操作型水下机器人冗余手臂姿态优化控制理论创新。不同于已往在规划水平解决操作手臂的冗余性问题，通过PIK-QP方法寻找满足不同优先级约束任务的冗余手臂位置最优解后，进一步通过接触约束投射算子将冗余手臂位置最优解投射到接触约束子空间得到期望的冗余手臂姿态，从而在控制器层面保证冗余手臂操作的灵巧性和准确性。项目成果不仅可以直接服务于深海水下工程，对未来血管内微操作机器人的控制和设计也有很好的借鉴作用。