水下机械手柔顺控制方法研究.pdfVIP

摘要

水下机械手在水下技术领域探索中起着重要作用，本文以核电站反应堆和乏

燃料池为背景，对核电站水下作业机械手展开研究。随着核能在全球范围内作为

清洁、可靠能源的应用越来越广泛，核电站作为核能的主要应用场景之一，承受

着重要的能源供应任务。核电站的运行维护对于确保能源供应的稳定性和可靠性

至关重要，其中核能安全问题备受关注，尤其是核泄漏问题最令人担忧。然而，

由于核电站的特殊工作环境，例如反应堆核心、乏燃料水池等部分，通常位于水

下或高辐射环境中，对于核电站的运行维护提出了极高的技术要求和挑战。因此，

针对核电站水下环境的机械手柔顺控制方法和主从控制方法研究十分必要，对于

提高水下机械手的运动控制精度和稳定性具有重要意义。

针对核电站反应堆和乏燃料池这一特殊环境，对水下机械手的机械结构进行

分析，设计了一款绳驱动型水下机械手，利用经典Denavit-Hartenberg方法（D-H

法）建立了水下机械手的连杆坐标系，推导了正逆运动学公式；通过对机械手的

工作空间进行分析，确定了主从映射方式以及映射系数的选取，分析了主从映射

关系；采用拉格朗日法建立了水下机械手的动力学模型，分析了机械手在水环境

中受到的作用力，计算了基于莫里森公式的水动力，为接下来柔顺控制及主从控

制的研究做好了铺垫。

针对水池焊接过程中复杂的工作环境和高精度焊接要求，本文采用了梯度下降法

逐步更新参数估计器的参数，实现了对参数的自适应调整，在此基础上，提出了

一种基于梯度下降法的模型参考自适应变刚度阻抗控制方法，实现了自适应柔顺

控制器中的刚度参数调整。采用李雅普诺夫（Lyapunov）稳定性理论对所提出的

基于梯度下降法的模型参考自适应变刚度阻抗控制方法进行闭环稳定性分析，证

明了其闭环系统的稳定性。通过Simulink软件仿真平台进行仿真验证，结果表明，

该控制方法提高了机械手的动态响应能力和控制系统的鲁棒性，减少了稳态力误

差的产生，改善了焊接过程中的控制精度和稳定性。

针对水下各种复杂工况易出现非线性、时变性等因素，本文提出了一种基于

力反馈和模糊PID的主从控制方法。采用了基于阻抗控制的力反馈方法，将误差

信息以力反馈的形式传递给主端控制器，减小运动误差，增强主从控制的协调性，

同时引入模糊PID控制器，实时在线调节参数。通过半物理仿真平台搭建主从跟

随实验，验证了机械手主从端跟随的一致性。

针对核电站水下工作环境，设计了水下机械手控制系统。对水下机械手进行

了性能测试与基本功能测试，并将本文所设计的控制方法应用到水下机械手进行

水下测试。结果表明，本文所设计的控制方法能够有效地提高水下机械手与环境

的交互性和主动柔顺能力。

关键词：水下机械手，阻抗控制，主从控制，自适应控制，力反馈

ResearchonComplianceControlMethodofUnderwater

Manipulator

Abstract

Underwatermanipulatorplayanimportantroleintheexplorationofunderwater

technology.Thisarticlefocusesontheresearchofunderwateroperatingmanipulatorin

nuclearpowerplants,withreactorsandspentfuelpoolsasthebackground.Withthe

increasingapplicationofnuclearenergyasacleanandreliableenergysourceworldwide,

nuclearpowerplants,asoneofthemainapplicationscenariosofnuclearenergy,bear

importantenergysupplytasks.Theoperationandmaintenanceofnuclearpowerplants

arecruci