水下机器人智能手爪的控制系统研究

论文摘要

作为一种末端执行机构,机器人手爪通过模拟人手一些动作规律实现一些和人手相同或者近似的功能。为了控制机器手人爪有效完成预先设定的各种任务,在对任务需求进行具体分析基础上合理设计手爪控制系统无疑有着非常重要的意义。本项研究主要针对水下环境中提高机器人手爪作业自主性的需求设计一套智能化的控制系统。在深水下作业时机器人手爪运动所需克服阻力远远大于在空气中做相同运动的阻力,而在一般情况下手爪占用的空间大小是有严格要求的,因此机器人手爪的驱动装置需要能够在占用很小空间的条件下提供尽可能大的驱动力以便于手爪能够根据指令迅速响应。由于具有的功率质量比大、安装布局灵活、运动与换向性能优良等特点,液压驱动方式被应用于解决上述问题。本文论述的控制系统将不同类型的电液控制阀用于按照系统给出的指令完成对液压回路中流体压力、流向等量的控制。为了实现控制的自主性、提高控制的灵活性,手爪需要具备一定的对外部环境感知能力,在实时检测到必要的环境参数基础上根据这些数据做出判断,完成作业任务。在本文所述控制系统中,各种力传感器采集的数据被用作最重要的闭环控制参考信息,在机器人手爪作业的整个过程中发挥重要作用,而超声波传感器、摄像头、霍尔传感器等采集的数据也在作业过程中作为辅助的参考信息影响系统控制决策。本文在分析机器人手爪作业任务的基础上描述了控制系统的设计原理和实现方案:以利用电液阀控制的液压驱动控制模块和包括各种传感器在内的检测模块为基础搭建控制系统硬件平台;基于硬件平台和控制策略编制控制系统软件,实现实时数据采集、存储、状态监测和机器人手爪运动控制功能;通过一系列的实验验证系统的有效性、可靠性,并通过实验数据对系统性能进行一些定性的分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 机器手研究发展情况
• 1.3 本文的课题背景和研究内容
• 第二章 任务分析
• 2.1 机器手的一般功能分析
• 2.2 本课题的特殊性
• 2.2.1 自主作业分析
• 2.2.2 水下环境分析
• 2.3 驱动控制分析
• 第三章 控制系统硬件构成
• 3.1 检测模块
• 3.1.1 力信息采集模块
• 3.1.2 辅助信息采集模块
• 3.1.2.1 超声波传感器
• 3.1.2.2 摄像头
• 3.1.2.3 霍尔传感器
• 3.2 液压驱动控制模块
• 3.3 主控模块
• 第四章 控制系统软件设计
• 4.1 设计目标
• 4.2 功能需求
• 4.3 程序设计
• 4.3.1 下位机程序
• 4.3.2 上位机程序
• 4.4 软件测试
• 4.5 操作说明
• 第五章 抓取实验及结果分析
• 5.1 单个指力传感器数据
• 5.2 不同控制模式下的抓取数据对比
• 5.3 不同目标物体的抓取数据对比
• 5.4 成功抓持物体和抓取失败的数据对比
• 5.5 小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 进一步的研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间主要研究工作