摘 要

21世纪是海洋的世纪，海洋资源的丰富和陆地资源的大量消耗迫使人类向着海洋深处进发。然而海洋环境极其复杂，且充满了很多未知。水下机器人装配机械手可以很好的代替人类去完成这些极具风险的水下作业与任务。现如今，人类对水下机器人的应用越来越多，应用范围遍布着各个领域。这样也对水下机器人和机械手的控制系统提出了很高的要求。所以，对该方面的研究也是重中之重。

本文主要对带有机械手的AUV控制系统进行深入研究，包括机械臂的正运动学、逆运动学计算分析与建模，工作空间分析。在逆运动学求解上，推导出一种适用于6R机械臂的通用方法。立足于实践，在水流扰动影响下对AUV机械臂补偿运动进行了一定的探究，最后求解出有效的补偿方法。同时借助于MATLAB对机械臂正逆运动学进行求解、工作空间的分析，对理论分析进行了验算，最后验算结果与推导结果完全一致。

关键词：AUV；机械手；运动学；扰动补偿；MATLAB

Abstract

The 21st century is the century of the ocean. It forced humanity to march toward the ocean for the abundance of marine resources and the massive consumption of land resources. However, the marine environment is extremely complex and full of unknowns. Humans could be substituted well by underwater vehicle with manipulators, which can complete these dangerous tasks. Nowadays, human beings have more and more applications for underwater robots which cover a wide range of fields. Greater demands were being placed on the control systems of underwater robots and manipulators. Therefore, researching in this area is also a top priority.

This paper mainly studied the control system of AUV with manipulators, including the calculation and analysis of positive and inverse kinematics of the manipulator, and analysis of workspace. In the inverse kinematics solution, a general method for the 6R manipulator was deduced. Based on practice, the disturbance compensation on motion of manipulator was investigated under the influence of water flow disturbances, and an effective compensation method was finally put up. Meanwhile, we did calculation and analysis of positive and inverse kinematics of the manipulator, and analysis of the work space to check the theory. Finally, the verification results were completely consistent with the derivation results.

Key Words：AUV；Manipulator；Kinematics；Disturbance compensation；MATLA

目 录

第一章 绪论 2

1.1 研究背景及意义 2

1.2 UVMS综述 3

1.2.1 UVMS分类 3

1.2.2 UVMS应用范围 4

1.3 国内外研究现状 6

1.3.1 AUV国内外研究现状 6

1.3.2 UVMS国内外研究现状 7

1.4 论文的主要工作 8

第二章 AUV结构与工作原理 9

2.1 航行器的结构与参数 10

2.2 水下电驱动机械手 11

2.2.1 水下机械手结构及尺寸 11

2.2.2 水下机械关节驱动方式 13

2.2.3 水下机械手关键技术 13

第三章 AUV-机械手运动学分析与建模 15

3.1 空间描述与变换 15

3.1.1 位置、姿态与坐标系 15

3.1.2 坐标系的映射 16

3.1.3 变换算法与变换方程 18

3.2 水下机械臂正运动学 20

3.2.1 连杆描述 20

3.2.2 对连杆附加坐标系的规定 22

3.2.3 AUV-机械臂的运动学 24

3.3 水下机械臂逆运动学 30

3.3.1 机械臂逆运动学可解性分析 30

3.3.2 机械臂子空间的描述 36

3.3.3 AUV-机械臂的逆运动学求解 36

第四章 扰动下的AUV-机械手运动补偿 45

4.1 机械臂单自由度扰动问题 45

4.2 单自由度扰动下机械臂正运动学 45

4.3 单自由度扰动下机械臂逆运动学 48

第五章 AUV-机械手MATLAB仿真 50

5.1 AUV-机械手建模 50

5.2 AUV计算仿真MATLAB程序 52

5.2.1 AUV-机械臂的运动学计算 52

5.2.2 机械臂工作空间的绘制 57

第六章 总结与展望 61

6.1 总结 61

6.2 展望 61

参考文献 62

致谢 64

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

21世纪是海洋开发的世纪，随着全球人口的猛增，生态环境急剧恶化，陆地资源消耗殆尽。占地球总面积约71%的海洋将逐渐成为人类下一个开发的宝库，丰富的海洋资源中，海洋石油和矿物质数量十分巨大。如今，世界各国纷纷投入到海洋争夺的战场，进行着对海洋资源的探索和相关技术的开发，目的获取更多海洋资源。

我国拥有漫长的海岸线和广阔的海疆，其中已发现石油约200多亿吨和高达8万亿立方米天然气，但由于技术发展相对落后，开发海洋资源的能力受到一定的限制。另一方面，我国的人口和经济发展迅猛，资源大量消耗，某些资源甚至面临严重短缺的问题，这使得我国对外进口需求和依赖不断提高。所以当务之急是提升自我对海洋环境探测与资源开采的能力。这样不仅可以缓解严峻局势，还保证了我国发展战略的安全，为可持续发展奠定良好基础。早在上世纪50年代末，美国、英国、前苏联等国家就设立里相关职能机构来对海洋进行规划与开发。与此同时，其他国家开发海洋的进展也十分之快，如丹麦、挪威、加拿大等国。在当前我国中长期发展规划中，对海洋资源的勘探、开发及深海作业技术已经被国家提到战略高度，这将是保证我国经济可持续发展的关键之一^[1]。

海洋资源受到越来越多的国家关注，为了保证对其开发和利用的有效性，且逐步拓宽开发的范围和领域，满足经济发展需求，水下作业工具成为各个国家研究焦点，如自主水下航行器（Autonomous Underwater Vehicle）、遥控式水下机器人（Remotely Operated Vehicles）、载人航行器（Manned Submersible）等。水下机器人是最早运用于海洋开发工程的技术手段，它可以代替人类，在复杂多变的危险海域，去完成探测和作业。第一台水下机器人于1953年问世，经历约三十年的发展，在1981年，水下机器人发展到了四百余台，而后短短十年间，水下机器人技术发展迅速，到1991年已达近万台。目前它已成为水下观测和水下作业最有效的装备，主要运用在海洋研究、石油开发和其他矿物资源的开采、打捞和海底管道铺设与检查、水下设备安装与检修、江河水库大坝的检修等，尤其在军事上，军用水下机器人在侦查与反侦察、探测与取样、捕获敌方水下航行器等方面也取得广泛应用^[2]。