Управление манипулятором подводного робота

Abstract

This paper deals with the problem of bringing the end effector (grip center) of an underwater vehicle anthropomorphic manipulator to a predetermined position in a given time using the terminal state method. A dynamic model with the account of joint drives dynamics is formulated on the basis of obtained kinematic model constructed by using the Denavit-Hartenberg method (DH model). The DH model is used in a terminal nonlinear criterion that displays estimate of the proximity of the effector's orientation and position to the specified values. The dynamic model is adapted for effective application of the author's terminal state method (TSM) so that it forms a system of differential equations for the rotation angles of manipulator links around the longitudinal and transverse axes, having only desired TSM-controls in the right parts. The converted model provides simplifications of controls calculation by eliminating the numerical solution of special differential equations, that is needed in the case of using in TSM nonlinear dynamic models in general form. The found TSM-controls are further used in expressions for control actions on joints electric drives obtained on the basis of electric drives dynamic models. Unknown drives parameters as functions of links rotation angles or other unknown factors, are proposed to be determined experimentally. Such two-step procedure allowed to get drive control in the form of algebraic and transcendental expressions. Finally, by applying the developed software, simulation results of the manipulator end effector moving to the specified positions on the edge of the working area are presented. The resulting error (without accounting measurement error) does not exceed 2 centimeters at the 1.2 meters distance by arm reaching maximum of length ability. The work was performed under the Federal program of developing a robotic device for underwater research in shallow depths (up to 10 meters).Рассматривается задача приведения конечного эффектора (центра схвата) антропоморфного манипулятора подводного аппарата в заданное положение за заданное время с помощью метода конечного состояния. На основе полученной кинематической модели антропоморфного манипулятора, построенной на основе подхода Денавита – Хартенберга (DH-модель), сформулирована динамическая модель, учитывающая динамику приводов сочленений. DH-модель использована в терминальном нелинейном критерии, отображающем близость ориентации и положения эффектора к заданным значениям. Динамическая модель приспособлена для эффективного применения авторского метода конечного состояния (МКС) и представляет собой систему дифференциальных уравнений для углов поворота звеньев манипулятора вокруг продольных и поперечных осей, правые части которой содержат только искомые МКС-управления. Такая модель позволила существенно упростить расчет управлений за счет упразднения численного решения дифференциальных уравнений специального вида, необходимых в случае использования в МКС нелинейных динамических моделей общего вида. Найденные МКС-управления далее использованы в выражениях для управляющих воздействий на электроприводы сочленений, полученных на основе динамических моделей электроприводов. Предполагается, что неизвестные параметры приводов, как функции углов поворота звеньев и других неизвестных факторов, могут быть определены экспериментально. Такая двухэтапная процедура позволила получить управление приводами в форме алгебраических и трансцендентных выражений. Наконец, представлены результаты моделирования процессов приведения конечного эффектора манипулятора в заданные положения на границах рабочей области с помощью разработанного программного обеспечения. Полученная при этом погрешность без учета погрешности измерений составила величины, не превышающие двух сантиметров на максимальном вылете руки длиной 1,2 метра. Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы по разработке роботизированного аппарата, предназначенного для подводных исследовательских работ на малых глубинах (до 10 метров)

    Similar works