多自由度水下仿生软体机械臂的动力学机理与液压控制方法研究

Targeting the underwater operation situation with limited space, this project proposes a multi-DOF underwater bioinspired soft robotic arm composed of modular hydraulic soft actuators in series to overcome the shortcomings of traditional rigid robotic arms on motion flexibility and load compliance. The deformation characteristics of the three-chamber hydraulic soft actuators under both of environmental pressure and driving pressure are explored. The dynamics of the soft robotic arm as well as the influences of buoyancy and current are revealed by using concentrated-mass analysis and Lagrange equations. A hydraulic circuit with high-speed on-off valves is designed by simulating a three-phase bridge electrical circuit. According to the coupling mechanism among the three chambers, a vector modulation method is proposed to realize independent adjustments of direction and amplitude. Nonlinear position and pose control algorithm with disturbance compensation is developed by combining the arm dynamics and the backstepping method. Based on theoretic analysis and design, a prototype for operation in 1000m underwater environment is fabricated, and then high-pressure simulation experiment, flume experiment, and offshore experiment are implemented. Through project research, it is aiming at understanding the dynamic principle and hydraulic control method of the underwater bioinspired soft robotic arm, enriching the design, analysis and control theory of bioinspired soft robotics, and also providing theoretic and experimental references for the development and application of high-performance underwater operation tools.

面向空间受限的水下作业场合，针对常规刚体机械臂在运动灵活性和载荷顺应性等方面的不足，项目拟提出基于液压软体执行器模块化设计及串联组合的多自由度仿生软体机械臂结构方案，探索三容腔液压软体执行器在水深压力和驱动压力复合作用下的形变特性，运用集中质量分析与拉格朗日方程揭示水下仿生软体机械臂的动力学机理及受浮力、水流等因素的影响规律，提出仿三相桥式电路的高速开关阀阵列液压控制回路，根据三容腔耦合机制提出实现方向与幅值独立调节的矢量调制方法，结合软体机械臂动力学与反步法设计带扰动补偿的非线性位姿控制算法。基于理论分析与设计，研制可在深度1000米左右水下环境作业的软体机械臂原理样机并进行高压模拟实验、水槽实验与近海实验研究。希冀通过项目研究，掌握水下仿生软体机械臂的动力学机理与液压控制方法，丰富仿生软体机器人的设计、分析与控制理论，也为高性能水下作业工具的开发及工程应用提供理论和实验支撑。

仿生软体机械臂是采用低模量软材料制成的新型智能作业装置，项目提出了基于液压软体执行器模块化设计及串联组合的多自由度水下仿生软体机械臂结构方案，并对其本体设计、动力学机理、液压驱动装置、运动控制、能耗机理、轨迹规划等内容进行了研究，主要工作包括：(1) 提出了水下液压软体机械臂的模块化设计方法，每节软体驱动模块采用三容腔对称分布和纤维加强，在多次实验基础上提出了完整可靠的软体机械臂制作流程；研制了数款不同规格的软体机械臂原理样机，完成了1500米水深对应的环境压力试验。(2) 根据水下液压软体机械臂的物理机理，运用拉格朗日方程建立了多自由度动力学模型，同时运用长短期记忆神经网络建立基于数据驱动的动力学模型，分别对两种模型的动力学预测精度进行了大量实验验证，并根据实验结果做出了综合对比。(3) 针对水下液压软体机械臂的流量压力需求，设计了驱动容腔独立控制的液压装置，主要由阵列化的直流无刷电机、滚珠丝杠和活塞缸组成，并设计了基于串级控制的软体机械臂位姿控制算法；设计了驱动容腔联动控制的液压装置，利用斜盘联动多活塞缸位移实现对软体机械臂中心线长度、弯曲角和方位角的解耦控制；设计了面向多节软体机械臂遥操作的机械式主从控制器，通过操作手柄联动多活塞缸位移实现人在回路控制，以上液压控制装置均研制了原理样机并进行了大量实验验证。(4) 根据软材料本构方程，建立了液压软体执行器的频域能耗模型，完成了参数辨识和实验验证；结合液压软体执行器的具体运动形式，建立了具有更广泛意义的时域能耗模型，同样完成了参数辨识和实验验证；结合水下液压软体机械臂能耗模型和正运动学，提出了能耗最优运动轨迹规划问题并运用内点法进行了求解，开展了轨迹规划验证实验。通过项目实施，在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics 、Smart Materials and Structures等SCI期刊发表论文10篇； 在流体领域主流国际学术会议发表论文2篇，其中1篇获得最佳墙报论文奖；申请国家发明专利6项，其中3项已授权。