《水下仿生机器人 作业臂系统 控制与规划》王硕，谭民，王宇作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《水下仿生机器人 作业臂系统 控制与规划》

【作　者】王硕，谭民，王宇作

【页 数】 170

【出版社】 北京：国防工业出版社 , 2021.01

【ISBN号】978-7-118-12247-3

【价 格】98.00

【参考文献】 王硕，谭民，王宇作. 水下仿生机器人 作业臂系统 控制与规划. 北京：国防工业出版社, 2021.01.

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图书目录：

《水下仿生机器人 作业臂系统 控制与规划》内容提要：

本书作者及其科研团队已在水下仿生机器人-作业臂系统领域坚持开展了十余年的科研工作。本书是作者长期探索水下仿生机器人-作业臂系统发展的理论与技术问题，并在多年科研实践经历积累的基础上撰写的。针对水下仿生机器人-作业臂系统的系统设计、动力学建模、运动控制、轨迹规划、路径跟踪、自主抓取作业6个方面，本书进行了详细的阐述。首先简要介绍了水下机器人-作业臂系统的基本概念，并概括了水下机器人-作业臂系统的研究现状；然后介绍了水下仿生机器人-作业臂系统的机构设计方案和控制系统设计方案；详细论述了水下波动鳍的运动学和动力学建模；重点介绍了水下仿生机器人的三维运动控制，并给出了基于自抗扰控制技术的水下仿生机器人深度控制和航向控制；接着论述了水下仿生机器人的轨迹规划方法，研究了实时动态Dubins-Helix轨迹规划与平滑方法和自主趋近移动目标的实时轨迹规划方法；聚焦水下仿生机器人的路径跟踪控制，介绍实现水下仿生机器人的路径点、直线、圆弧跟踪控制方法；最后针对水下仿生机器人-作业臂系统的自主作业问题，介绍了水下作业臂的手眼协调控制、水下仿生机器人-作业臂系统的协调规划与控制方法。

《水下仿生机器人 作业臂系统 控制与规划》内容试读

第1章绪论

海洋是资源的宝库和生命的源头。随着陆地各种资源的减少，海洋已成为未来人类获取资源的重要源头之一。早在1986年，美国率先制定了“全球海洋科学规划”，强调最早和最好开发利用海洋的国家将获得最大的利益。进入21世纪后，美国、英国、日本等均制定中长期海洋科技发展计划，推进海洋科技与开发技术的发展。美国先后发布了“21世纪海洋蓝图”“美国海洋行动计划”和“绘制美国未来十年海洋科学发展路线—海洋科学研究优先领域和实施战略”等，制定了中长期海洋科技行动计划，促进了海洋开发与利用：英国发布“2025海洋研究计划”，全面推动海洋科技：日本发布“海洋与日本21世纪海洋政策建议”，以海洋立国为目标，强调海洋的可持续发展，推进海洋资源的开发与利用。在我国中长期发展规划中，国家也从战略层次上高度重视海洋资源的开发与利用

水下机器人-作业臂系统(Underwater Vehicle-Manipulator System,UVMS)作为一种可以在复杂水环境中执行海洋勘探、资源开发、水下设备维护、水下抢险等各种军用和民用任务的作业平台，涉及自动控制、机器人技术、仿生技术、机械、材料、传感、控制、人工智能等多个学科领域，其发展一直为世界

各海洋强国所关注与重视。UVMS一般都是通过人手动遥控的方式实现水

下操作，已在深水设备安装检修、抢险救援、深水勘测等方面显示出良好的

应用价值，未来自主性和智能性是UVMS的必然趋势之一。但由于系统本

身的自由度冗余、非线性、强耦合、时变、高维数、传感器数据采集的低带宽

以及受到水动力的干扰，使得UVMS的系统设计、自主控制和作业规划成为

目前国内外水下机器人领域中一项极具挑战性的课题。在本章中，将依次

针对UVMS研制、波动鳍推进水下仿生机器人、UVMS自主作业与轨迹规划

4个方面进行综述

1.1水下机器人-作业臂系统

一般来说，UVMS由机器人本体和作业臂两部分组成，机器人和作业臂按需

求分别设计、制造后再组装集成在一起，通过高度整合的感知、规划与控制系统

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水下仿生机器人一作业臂系统控制与规划

实现机器人-作业臂系统的水下作业

在水下机器人方面，传统的UVMS多采用成熟的基于螺旋桨推进的框架结

构，通过控制前向、垂向、侧向的多个螺旋桨，并与舵面相配合，水下机器人可以实现全方位的水下运动。另外，受鱼类等水下生物高效、高机动运动方式的启发，基于仿生推进技术的水下机器人也得到大量研究。美国麻省理工学院的

Triantafyllou教授最早研制了仿生金枪鱼RoboTuna,并开展了高效尾鳍推进理论和方法的研究：而后，英国埃塞克斯大学24、美国华盛顿大学)、美国密歇根州立大学78等在尾鳍推进型水下机器人方面开展了大量工作：日本大阪大学0、荷兰代尔夫特理工大学、美国西北大学2、新加坡南洋理工大学5等在胸鳍、波动鳍推进型机器人方面开发了原理样机。北京航空航天大学80、中国科学院自动化研究所21-5)在胸鳍、波动鳍、尾鳍推进水下机器人方面开发了多种原型系统。国防科技大学6、哈尔滨工程大学，9、哈尔滨工业大学0.)、中国科学技术大学2,3)、北京大学34,5]等也在仿生推进系统方面开展了大量工作

在水下作业臂方面，目前大部分水下作业臂都是针对远程遥控水下潜器(Remote Operated Vehicle,ROV)、载人深潜器及深海作业型水下工作站的需求而设计开发的，一般采用成熟的多关节工业作业臂结构和技术，可搭载在水下机器人载体上，如美国Schilling公司的ORION4R、CONAN7P、TTAN4、RigMasterATALAS7R,Kraft TeleRobotics公司的Gips,Ansaldo公司的MARIS7080,Hydro

Iek公司的HLK-MB-4、HLK-RHD5W、HLK-CRA60等产品。欧盟多国参与的第七框架计划“Octopus Integrating Project”中，意大利比萨圣安娜先进机器人技术与系统实验室研制的仿生章鱼腕足也完成了水下抓取实验6。国内在水下作业臂等方面也取得了很多研究成果。华中科技大学研制的“鱼鹰号”及“蓝鲸

号”上的作业臂和“8A4”ROV上的液压作业臂已投入实际使用。中国科学院

沈阳自动化研究所研制了RECON-IV-300-SIA系列水下机器人，搭载的主从式

作业臂能进行洗、磨、割、爆破等工作。此外，哈尔滨工程大学9、浙江大学42也在水下作业臂设计与控制方面展开了深入研究。

下面给出几个经典的UVMS

在欧盟第七框架支持的水下机器人工程中，多国参与研制了专门为自主作业而设计的GIRONA500UVMS,如图1-1所示。该UVMS总重约169kg,可携带ARM5E作业臂或GraalTeck作业臂。系统的绝对位置通过水上GPS系统和水

下短基线网测量和确定，自主导航通过DVL传感器和AHRS传感器的数据融合

来实现，自主避障通过自身携带的声纳传感器实现。目前，该系统可成功实现在河流中黑厘子的自主搜寻与自主打捞，

第1章绪论

3

☒图1-1 GIRONA500UVMS

日本东海大学研制的UVMS,如图1-2所示。水下机器人本体重为

40.93kg,作业臂重为11.2kg,该UVMS可改变浮力模块位置和姿态用于实现机器人俯仰、横滚等姿态的控制，从而完成不同作业任务，这种姿态控制的方法通过实验开展验证，取得了较好的控制效果45

可移动浮动模块

机械臂

图1-2日本东海大学研制的UVMS

韩国浦项工科大学研制的UVMS,如图1-3所示，水下机器人带有6个螺旋

桨推进器，可实现全方向运动，作业臂为5自由度。研究人员针对该系统提出一种最小化恢复运动的系统控制方法，利用仿真验证了所提方法的有效性6。

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水下仿生机器人一作业臂系统控制与规划

图1-3韩国浦项工科大学研制的UVMS

1.2波动鳍推进水下仿生机器人

由于仿生鱼类运动模式的推进系统在水下具有扰动小、不易被水草等植物

缠绕而丧失动力等特点，因此，将仿鱼波动推进的模式引入到UVMS的设计中，

以提升其水下作业性能。下面就波动鳍推进水下仿生机器人的研究现状进行简要介绍。

与身体/尾鳍(Body and/or Caudal Fin,BCF)推进模式的仿生水下推进器研究相比，由于受到生物实验技术和非定常流体动力学理论的制约，对中央鳍/对鳍(Median and/or Paired Fin,MPF)推进模式的推进机理研究起步较晚

近年来，随着流体可视化技术和生物实验测量技术的迅速发展，MP℉推进模

式的推进机理研究和基于MPF推进模式的水下仿生机器人研制取得了明显

进展

为了更好地研究刀鱼的波动鳍推进原理，探讨将波动鳍推进器作为水下机器人推进系统的可行性，美国西北大学在2004年通过模仿“尼罗河黑魔鬼”刀鱼的长鳍波动推进方式，研制了一款带状鳍推进器样机，如图1-4(a)所示。该推进器样机由13套驱动单元构成，采用刚性结构，其总长度为53cm。每套驱动单元均由电磁铁驱动，通过控制电磁线圈的电流实现鳍条摆动控制，进而控制推进器产生正向或逆向行波，行波的幅值为30°，频率为1~3Hz7

2005年，美国西北大学又在第一代波动鳍推进器的基础上设计了一款改进型的波动鳍推进实验装置，如图1-4(b)所示。该波动鳍推进实验装置由16套完全相同的驱动单元以及乳胶薄膜组成，每套驱动单元包括一个数字伺服电机传动比为1：1的齿轮组、一根鳍条以及承载框架。由于采用了扭矩更大、更易控制的伺服电机，该实验装置的推进性能较第一代有了长足的进步。此外，由于该

第1章绪论

(a)2004年研制的实验装置

(b)2005年研制的实验装置

06.35

3.3

鳍案

0089

(C)2009年研制的实验装置

(d)2009年研制的鳍条驱动单元

图1-4美国西北大学研制的波动鳍推进实验装置

实验装置还采用了模块化设计思想，更有利于研究不同鳍膜材料、鳍条材料以及鳍条尺寸对推进性能的影响

2009年，为了进一步研究波动鳍推进机理以及推进性能与波动参数之间的关系，美国西北大学又研制了一款由直流电机驱动的波动鳍推进实验装置，如图1-4(c)所示。该新型实验装置的柔性长鳍的长度为32.6cm,宽度为

3.37m,长宽比与典型的成年活体黑魔鬼刀鱼大致相同。实验装置共由32根鳍条构成，每根鳍条均由一个具有64：1减速比且带编码器的10mm直流电机驱动。为了减小整个实验装置的长度，驱动电机采用螺旋重叠方式安装于实验装置体内，如图1-4(d)所示。相较于第一代和第二代实验装置，由于采用了扭矩更大的直流电机，而且对鳍条驱动单元作了优化设计，新实验装置的推进特性更接近于真实刀鱼的游动特性，极大地促进了波动鳍推进机理研究9]

日本大阪大学自2002年起开始研究具有两套柔性波动鳍的仿乌贼水下航行器，先后研制了5款实验样机，不断提高样机的推进性能0。图1-5()显示的是其2002年研制的第一代样机Model-1。Model-.1的长鳍安装在机体两侧，而机体需要安装在支架上，导致其质量达43.4kg。Model-1的每侧长鳍均由15根

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水下仿生机器人一作业臂系统控制与规划

鳍条以及覆于鳍条上的橡胶薄膜构成，每侧长鳍由一个电机驱动，采用苏格兰轭机构协调控制每根鳍条，以在长鳍上产生推进行波。该样机能在水中灵活自如地实现前进、转向等运动，验证了将仿生波动鳍推进器应用于水下航行器的可行性s可

2004年，日本大阪大学又研制了第二代仿乌城波动鳍推进水下机器人

Model-2,如图1-5(b)所示。Model-2的每侧长鳍均由16个舵机驱动，且每个舵机均可以由远程计算机单独控制，使得Modl-2可以产生多种长鳍运动模式。相较于Model-.1,尽管少了支架，但Model.-2仍需要众多线缆与外界连接，降低了游动灵活性11

2006年，日本大阪大学在Model-.1和Model-2的基础上，又研制出Model-.3.如图1-5（℃）所示，取消了支架以及连接线缆，舵机驱动器以及控制器均安装于

Model-.3内部。Model-3的每侧长鳍均由17根鳍条构成，每根鳍条由一个独立的舵机驱动。除了两侧长鳍外，Modl-3还配备有背鳍和尾鳍，分别用于控制偏航角和深度，使得Model-3具有三维运动能力。此外，Model-3还具有垂直方向的重心调节装置，进一步增加了可控性。但是由于重心调节装置安装在机体上，使得阻力增大，且还会产生非对称水动力，影响推进性能50]

2009年，日本大阪大学又在前三代样机的基础上研制出了性能更优的改进型样机Model--4.如图1-5(d)所示。与Model-3一样，Model-4的两侧长鳍也由17根鳍条组成，每根鳍条由一个舵机独立驱动，使得Modl-4的长鳍能产生任意类型的波动运动。游动实验表明，Modl-4可沿水下三维空间任意方向运动，并可调节其姿态角。Model--4具有比Model-.3更长的尾鳍.用于调整纵倾角，进而改变深度。Modl-4同样具有重心调整装置，安装在样机内部，可用于调节重心的水平位置和垂直位置。与真实鱼类同游的实验表明，Modl-4具有良好的环境友好性0.521

2012年，日本大阪大学研制了较之前所有样机都更简易的新型仿乌贼波动鳍推进水下航行器样机Model--5,如图1-5(e)所示。该样机左右长鳍各具有7根鳍条，左右长鳍各由一个直流电机驱动，采用苏格兰轭机构将电机的转动运动转换为各鳍条的摆动运动。Modl-5同样具有两片尾鳍，分别由一个电机驱动，用于调整深度。通过合理控制左右长鳍的运动，Mod-5可以在水中沿任意方向直游或转向甚至旋转0

新加坡南洋理工大学设计了“尼罗河黑魔鬼”刀鱼游动方式的单鳍波动推进器NKF-I,如图1-6(a)所示。该单鳍推进器具有波动鳍驱动方式。NKF-I的身体还具有吸水、排水功能，用于调节重力，从而实现浮潜控制。实验结果显

示，NKF-I可以在水中灵活自如地运动4,5)

···试读结束···