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毕设翻译水下机械手的理论和设计问题译文
国际控制会议，仪器仪表和机电工程（CIM'07）
JohorBahru,Johor,Malaysia，5月28-29,2007
水下机器人的理论和设计问题
IrfanAbdRahman,SurinaMatSuboh,MohdRizalArshad
马来西亚理科大学
albiruni81@，sue_keegurlz@， rizal@eng.usm.my
摘要
在本文中，我们将讨论水下机械手设计的理论和实现面临的问题。
这是由以前的研究人员工作中提取的集体的信息和方法。
本文介绍了一些建模参数，这是通常包含在水下机器人的外观设计，增加质量，增加corriolis，阻力和浮力。
模拟所有这些参数使用MATLAB通过修改一些代码运行，是由彼得·柯克通过他的机器人工具箱完成的。
对一个土地基础的设计和水下机械手的设计进行了比较,由于作为水下机械手执行其工作添加参数，指出增加转矩要求做出类似的运动关节链接。
在本文中,我们使用了彪马560配置，这作为我们的手动工具的机器人工具箱内部生成的。
本文给出了用下一个方向的项目和改进。
1．介绍
探索海洋已经成为一个新兴的研究领域，由于许多资源位于深海之下。
深海勘探给人类带来了不同的挑战，因为我们不能够承受苛刻的条件。
因此为了避免在深海中的人为干预，机器人的研究已进入深海。
当前热门的研究领域主要集中在AUV（自主水下载具）的开发和部署。
水下机器人能够操纵自己进入深海。
这将消除人类的水下勘探被暴露在危险环境中。
AUV的一些应用程序,包括检查。
水下机器人配备了照相机来执行其检查周围覆盖面积的职责。
水下AUV预计将在未来取代人类从海洋探险的危险起到至关重要的作用。
机械手的设计和应用是另一个领域的深入研究,将使机器人复制人类的手臂和手的功能。
各个实用的应用程序已被研究如配售及拧紧装配零件。
机械手的设计通常由它能够执行或“操纵”本身的度数决定,或换句话说是DOF（自由度）。
自由度是指机械手拥有的基本关节的数量。
机械手的自由度数字越高意味着移动更加灵活。
接头可以分为两种不同的类型：
棱柱和回转。
柱状关节使关节平移运动而转动关节可以使使关节旋转运动。
水下机器人机械手系统（UVMS）在机器人研究界得到普及，因为它提供了水下机器人更大的灵活性和更广泛的应用。
更多的应用程序使以前需要制导武器的人由更灵巧的机械手取代。
操纵器能够执行各种任务，如从海床，钻床拿起对象，加入零件和零件的组装都配备了水下机器人。
更好的设计与使用现存的机械手是唯一可能的事。
由于这样的事实，即它必须考虑水下存在的流体力学。
水下机器人机械手系统在感兴趣的研究者中构成了不同的挑战。
这包括增加的质量，浮力，阻力和摩擦。
由于从流体动力学添加效应，这将改变机械手的动力学。
这篇文章的目的是讨论一些包括装备水下车辆与机械手的设计考虑。
本文着重给出了对五个方面的设计标准：
自由度、工作区范围、末端执行器的最大速度和可重复性、操纵器的精度。
在本文中,我们进行了模拟以显示水下机械手和表面机械手的区别,包括水动力效应的机械手的动态功能。
在这个测试中我们使用6自由度的转动关节对配置的所有复制末端执行器进行定位。
所有的连接参数被正确地指定，如力矩的惯性张量、重力齿轮比和摩擦。
在参数模拟时改变质量变化的参数,也可联系浮力变化。
利用机器人工具箱函数对MATLAB的工作区所有的模拟进行了研究。
比较着重于转矩要求，以实现水下和表面机械手操作之间的位置的分配。
通过使用逆动态算法牛顿欧拉法的递归得到的扭矩，基于关节的位置、速度和加速度计算出扭矩。
通过公正的分析和模拟受到流体动力学影响的水下机械手的运动结论变化的多少，从而保证在水下机械手的设计中对这一因素有足够的考虑。
通过利用电源模拟，我们能够观察到由于流体力学，我们的扭矩值等某些参数的变化的效果。
这将确保机械手一个更好的设计。
2. 设计考虑
水下机器人机械手系统在感兴趣的研究者中构成了不同的挑战是由于，事实上，它研究的流体力学存在于水下。
在本文中注重的是对五个方面的设计：
自由度、工作区范围内、承载能力、末端器最大速度和重复性、操纵器准确性。
除此之外，了解动态运动的机械手的运动学是非常重要的。
运动学是不考虑导致运动的力的研究。
机械手的运动涉及几何的研究和基于时间的运动属性，特别是如何移动各个环节，并随着时间的推移相互对应。
在机械手的路径规划中，更多的是使用逆运动学的解决方案，使关节角度达到指定的末端执行器的所需位置。
该解决方案是关于Denavit-Hartenberg表示法确定联合链接参数。
机械手动力学涉及运动方程，机械手动作响应扭矩应用的执行机构或外力。
N-轴运动的操纵器一般方程为
如果附加质量、浮力、液压阻力和摩擦水下机械手的动态参数都在增加，当机器人在水下移动时，额外的力和力矩系数也会添加，围绕机器人的流体必然会促进机器人有效质量变化。
这些系数是额外的（虚拟）的质量，由于力系数线性和角加速度增加如转动惯量和交叉耦合项等。
水下具有n关节的机械手的运动方程如下：
其中 q是关节角的位置，M是惯性矩阵，C为科氏力，离心力，G代表重力包括浮力的影响，F是摩擦条件，D是机械手相对海流和海浪的速度造成的液压阻力，τ是向量，这实际上是应用关节力矩控制输入。
2.1 DOF（自由度）
操纵器可以在3-D空间中执行的独立的运动的的数目被称为自由度的数量。
机械手臂可以提供多个自由度,下面的图1展示的是先进的卡夫遥控机器人捕食者7。
机械臂基本上有两种类型的运动：
平移和旋转。
即表示沿三个垂直轴直线运动，通过三轴指定主体的位置和角的旋转运动及绕主体的旋转方向。
自由度由该机械手的任务决定。
一个常见的设计策略是基于三自由度实现任意位置，并添加在一个3自由度球面手腕上以实现任意方向的运动。
手头的任务通常并不需要一个完整的6-DOF，例如：
任务对象表现出对称时，或在没有工作区中的障碍，或简单的任务时，涉及有限的运动方向。
很显然设计最低自由度的操纵实现任务是最佳的。
这将减少成本、简化分析。
大部分的商业水下机器人在水下航行器做安装操作。
其中一些只设计很少的自由度，因为车辆本身也有它自己的自由度。
然而，JASON有一个通用的六自由度机械手。
图2显示了机械臂的JASON。
图1：
卡夫 遥操作机器人系统 “捕食者”-7
图2：
JASON的机械臂
2.2工作范围
一个机械手的工作空间被定义为一个操纵器的工作区中的空间体积，在该空间机械手是能够找到它的末端。
因此，在这种分析中工作区是指在周围的水下。
有时需要考虑工作区的形状。
机械手的工作空间的特征是机械接头限制除了配置、链接长度和数量以外的机械手的自由度。
被指定工作区存在或不存在的解决方案属于逆运动学问题。
通过原点的端部区域，可以达到至少一个方向的效应子被称为可达工作空间（RWS）。
如果工作空间中的一个点只在一个方向可以达到，末端器的可操作性是非常差，只用一个固定的方向是不可能符合任何实际工作要求的。
因此，它必须找到可以达到在一个以上的方向的点工作区。
末端可以达到每点所有的方向的空间被称为灵巧工作区（DWS），如果一个特定的机械手可确定构成，没有解决方案，这种配置被称为“奇异”。
分为奇异性的边界和/或内部的奇点。
对应于这些奇异点代表在工作区中的奇异表面的表面补丁。
因为奇异的表面是移动操纵器的不可能的前端沿，无论选择哪个关节率，它们是操作期间应被避免。
任何位于一个奇异表面上的点都将具有零可操作性。
2.3承载能力
电动机的大小、关节和链接的结构完整性决定了机器人的负载。
对于相同的结构完整水平，作为工作区的体积增大，有效载荷能力会下降。
2.4 末端执行器的最大速度
人比单纯自动化或人工可以实现更快、更可行地完成任务。
周期时间，达到一个完整的移动花费的时间，是一个与速度有关的函数，而且还可能与加速在加速和减速阶段有关。
因此，加速能力也是重要的。
2.5可重复性和准确性
这是任何机器人的关键性能之一。
构建具有高精度和重复性的机器人是昂贵的：
更严厉的链接，更严格的公差关节，位置传感，建模等。
目标应该是任务所需要的最小精度和可重复性。
外部传感，特别是力感应，在很多减少所需的水平或准确性的任务中是一种手段。
这一直是也仍然是一个活跃的研究领域。
3.机器人运动学和动力学
在本节中，我们将回顾机械手的设计的2个重要方面。
机器人机械手在给定的工作空间必须遵循一个轨迹，操纵一个特定对象并执行任务。
第一个方面是机械手的运动学分析，第二个参数是动态。
3.1运动
运动学模型描述端部执行器的关节和链接的位置和方向的空间位置 [1]。
它是基本建立一个关节变量和链接之间的关系位置和方向的一种方法。
正向运动学涉及位置建立的过程和基于联合变量的端部执行器的取向。
另一方面，当结束效应器的位置和方向确定后，逆运动学涉及联合变量。
在这项工作我们使用了Denavit-Hartenberg公约来命名链接和框架。
这符合的方法也一直适用于力矩的计算，也被彼得•柯克[2]应用。
图3:
Denavit-Hartenberg公约[1]
我们可以看到这个框架的命名约定，末端的链接命名为i。
以下是定义的链接参数。
i）链接长度，ai
ii）链接扭曲，从xi读出的z i和zi-1之间的角度α。
iii）链路偏移，di，框架{i-1}框架{i}的距离。
iv）联合角，θ，是由zi观察的xi-1和xi之间的角度，
另一个正在使用的惯例，是修改后的Denavit-Hartenberg公约。
利用和{i}结构相同的关节{i}[3]。
i的线性结构由以下方程决定
i是结构
D，是相对于结构i的位置矩阵
相对于所述的链接的角速度基础结构描述如下
w，是角速度
3.2动力学
机器人机械手的动态行为被定义为一个时变的运动机械手。
这种随时间变化的运动通过被施加转矩的链接关节控制。
内部转矩是由链接本身的运动产生的，而作用于链接处的外力包括负载和引力。
有一些动态建模方法是适用的。
最常见的有拉格朗日-欧拉（LE）和Newton-欧拉（NE）。
塔恩，杨，肖尔茨[4]，采用了凯恩法，而不是水下机械手的动态建模法。
凯恩法是一种两个EL和LE的组合。
在该方法中它实际上消除了非工作环节互动压力。
在本文中，我们使用NE模拟动态。
牛顿欧拉方法依赖于牛顿的运动定律和基本原则和达朗贝尔原理。
中心的链路的质量运动的力由下式给出
F，力m，质量，
，链接的线性加速度
作旋转运动的欧拉方程由下面的等式定义和表征。
角速度wi和时间的惯性张量Ii涉及到的总力矩Ni由下式确定
在递归牛顿欧拉方法中，包括两部分的计算。
第一部分是向前迭代，这涉及到从基点开始向末端器移动的速度和加速度的计算。
第二部分是反向迭代，我们使用速度反向迭代，从端部执行器开始向后移动结构，计算力、速度以及加速度。
下面的公式概括了向后的迭代计算
其中，
是结构{i+1}关于结构{i}的旋转矩阵，D是位置矩阵。
f和n是作用在关节本身的力。
τ是关节所需的转矩，取决于关节是棱形或回转型。
4.流体动力学
为了准确地模拟水下机械手，我们需要考虑到不可压缩的流体本身的运动所造成的附加效果是。
这些作用是由不可压缩流体产生的，由Navier-Stokes方程式[5]确定。
在本文中，我们将考虑4个主要的流体动力学效应：
附加质量，科氏力和向心力，阻力和浮力。
4.1附加质量
刚性体在流体中移动时产生的附加质量。
流体也将加速主体的运动，这就需要有一个额外的力量。
由于空气密度低，典型工业机器人可以忽略这种效应的。
相比之下，水下航行器[6]和水具有几乎相同的密度。
运动的流体将施加一个反作用力，作用于增加的质量。
通过机械手近似的缓慢移动，其中关于3个平面对称的水下机器人增加的质量将采取一个6×6的对角线形式的矩阵表示。
得到附加质量为以下形式Fossen [7]
机械手的附加质量将得到逼近圆柱体链接。
对于一个圆柱体导向,这样长度的缸是沿着x轴的附加质量惯性矩阵可以近似如下
4.2阻力
机械手建模将仿照带理论的基础在链接上施加阻力。
带理论是用一个线性长度的链接来代替曲面链接。
这个长柱体上的作用力是被分成小部分的圆柱体和个别网段计算出来的。
阻力与阻力系数是一个函数的雷诺数 。
由安东内利提出了不同的风阻系数[6]。
风阻系数可使用下面的方程[8]模拟
在这里，Cd是阻力系数，D为圆柱体直径，θ是关节位移，l是从关节到分段长度的距离
4.2浮力
浮力由被淹没的主体体积排开的流体产生。
它被施加于主体的中心，这是发生移位的体积的中心[5]。
浮力作用的方向和重力相反。
被淹没的主体的重量被定义为
在这里，g是重力加速度矢量，这是作用于中心的质量。
另一方面向上的浮力由以下方程确定
其中，V是被主体排开的液体体积。
5. 仿真与探讨
使用MATLAB平台进行仿真。
通过使用PUMA560里面机器人工具箱的Corke编写的默认参数，对内置的递归牛顿—欧拉函数进行修改，使之包括流体力学参数。
这样做是为了比较观察到的的变化，这个对总扭矩的参数需要由电动机供给。
操纵器的使用路径被机器人工具箱的jtraj功能初始化。
此功能将生成的关节的位置，速度和在指定的时间间隔的加速度。
它们基于第五阶多项式。
关节位置，速度和加速度是在图4，5，6中分别显示
图4：
关节位置图解
图5：
关节速度图像
图6：
关节加速度图像
基本的速度和加速度采取差异化位置值获得。
如果在陆地上工作，操纵器需要的转矩绘制在图7中。
由于是由美洲狮机器人预计其低质量和转动惯量，关节4，5和6，需要非常低的扭矩。
图8示出了添加流体力学效应时的转矩要求。
据观察所得关节4，5，6没有表现出对扭矩要求的显着增加。
这可以涉及一个事实，即拖动力为零的这些关节的长度都等于零，所以增加的质量也为零。
由于小连杆机械手的尺寸，整体上没有显著地增加转矩要求。
这是可以理解的，因为大多数的流体动力学主要依赖于操纵器的链接本身的尺寸。
图7：
不包含流体力学的转矩
图8：
流体力学下的转矩
6.总结和未来工作
流体力学方程与正常机械臂动力学已经成功整合。
通过包括水下机械手模拟的开发工作，这将避免在真正操纵时需要集中模拟的问题。
在本文中，我们提出模拟转矩要求的方法是PUMA560的配置作为仿真平台，在水下使用MATLAB。
一旦我们在MATLAB里创建了模型，我们就能够改变各种参数，以看到这些参数对关节转矩要求的变化。
这将有助于我们理解对于每个关节的转矩要求会有助于产生的实际的机械手设计标准。
需要注意的是，通常水下机械手将被连接到一个AUV，这意味着，该建模必须考虑到的事实：
操纵器被连接到移动通信基站。
麦克米兰认为，移动基站可以建模为另一个链路（链路0）。
本文只讨论研究人员在设计水下机械手的工作的要求和所面临的挑战。
研究工作还处于起步阶段，真实的物理建模并没有启动。
利用MATLAB提供的能力进行仿真，这项计划将帮助研究人员了解和开发一个脱机工作模式，可以用来测试之前设计的“真实”的东西。
7. 参考文献
[1]RK米塔尔，Nagrath IJ，机器人控制，TataMcGraw-Hill出版，新德里，2003年，
[2]彼得一柯克，机器人MATLAB工具箱，IEEE机器人与自动化杂志1996年3月，PP24-32
[3]机器人工具箱教程，彼得•柯克，2001年4月
[4]T.J.Tarn,G.A.ShoultsandS.P.Yang，A动态一个机器人的水下机器人模型的Kane方法，自主机器人3，1996年，页269-283
[5]ScottMcMillan,DavidE.Orin，水下机器人仿真机械手高效的动态，IEEE交易系统，控制论，1995年8月，第25卷，第8
[6]GianlucaAntonelli，水下机器人运动与汽车操纵系统的力量控制，施普林格出版社柏林海德堡2003年，
[7]ThorI.Fossen，船舶控制系统制导—船舶的导航和控制，钻井平台和水下机器人，海洋控制论AS，挪威，2002年
[8]TimothyW.McLain,StephenM.Rock，水下机器人的流体动力学模型的开发和实验验证，
国际机器人研究杂志，1998年，17:
748-759
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