本發(fā)明涉及水下機(jī)械臂，具體為從水下機(jī)械臂拖動(dòng)控制方法和機(jī)械臂系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著海洋資源的開(kāi)發(fā)和深?？茖W(xué)探測(cè)的快速發(fā)展，水下機(jī)器人特別是水下機(jī)械臂在海洋工程、石油天然氣開(kāi)采、海洋生物研究、考古探測(cè)以及海底電纜和管道的維護(hù)等領(lǐng)域中，扮演著越來(lái)越重要的角色。水下機(jī)械臂作為水下作業(yè)機(jī)器人中關(guān)鍵的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠替代人類(lèi)在惡劣環(huán)境下進(jìn)行精細(xì)操作，如抓取物體、安裝設(shè)備、切割或焊接等任務(wù)。

2、傳統(tǒng)水下機(jī)械臂的控制方式主要分為兩類(lèi)：

3、手動(dòng)操控：操作員通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)手動(dòng)操控機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)。這種方式需要操作員對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行逐一控制，操作過(guò)程復(fù)雜，要求操作員具備高度的專(zhuān)業(yè)技能。此外，水下環(huán)境的復(fù)雜性使得手動(dòng)操控響應(yīng)滯后、誤差較大，特別是在水流等外界擾動(dòng)下，機(jī)械臂的操作精度難以保證。

4、預(yù)編程控制：在一些相對(duì)固定的作業(yè)場(chǎng)景中，機(jī)械臂通過(guò)預(yù)先編程執(zhí)行固定軌跡任務(wù)。這種方式依賴(lài)于任務(wù)前的精確規(guī)劃，無(wú)法動(dòng)態(tài)適應(yīng)水下環(huán)境的變化，尤其在面對(duì)復(fù)雜、多變的水流或不規(guī)則的作業(yè)對(duì)象時(shí)，靈活性不足，且缺乏實(shí)時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況的能力。

5、此外，水下環(huán)境的物理?xiàng)l件，如水壓、浮力、流速等，對(duì)機(jī)械臂的精確控制提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。水下操作的實(shí)時(shí)反饋受限于傳感器的精度和控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，操作人員很難獲得與水上操作相同的實(shí)時(shí)信息，導(dǎo)致作業(yè)的效率和安全性大大降低。

6、針對(duì)上述問(wèn)題，近年來(lái)出現(xiàn)了一些基于力反饋和人機(jī)交互的控制技術(shù)。例如，力反饋技術(shù)允許操作員通過(guò)觸覺(jué)感知機(jī)械臂的受力情況，及時(shí)調(diào)整操作動(dòng)作。然而，傳統(tǒng)的力反饋系統(tǒng)多應(yīng)用于空氣中，在水下復(fù)雜環(huán)境中，傳感器的準(zhǔn)確性和響應(yīng)速度仍面臨巨大挑戰(zhàn)。此外，水下通信環(huán)境較為惡劣，信號(hào)傳輸速度和穩(wěn)定性較低，進(jìn)一步限制了遠(yuǎn)程操作的靈活性和實(shí)時(shí)性。

7、目前存在的問(wèn)題包括：

8、操作精度和靈活性不足：傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控方式對(duì)操作員的要求較高，且由于水下環(huán)境的復(fù)雜性，機(jī)械臂的操作精度難以保證。同時(shí)，預(yù)編程的方式則難以適應(yīng)動(dòng)態(tài)的水下環(huán)境。

9、實(shí)時(shí)反饋機(jī)制不完善：現(xiàn)有的水下機(jī)械臂缺乏有效的實(shí)時(shí)反饋機(jī)制，操作員在遠(yuǎn)程控制過(guò)程中無(wú)法快速感知水下環(huán)境的變化，尤其是力反饋的缺失，使得操作難度增加，影響了任務(wù)的完成效率。

10、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力差：水下環(huán)境變化多端，包括海流、涌浪等，傳統(tǒng)控制方法難以實(shí)時(shí)適應(yīng)這些復(fù)雜的物理環(huán)境，導(dǎo)致機(jī)械臂執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中常常出現(xiàn)動(dòng)作不協(xié)調(diào)、效率低下的問(wèn)題。

11、為此，我們?cè)O(shè)計(jì)水下機(jī)械臂拖動(dòng)控制方法和機(jī)械臂系統(tǒng)解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供水下機(jī)械臂拖動(dòng)控制方法和機(jī)械臂系統(tǒng)，以解決背景技術(shù)中所提出的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種水下機(jī)械臂的拖動(dòng)控制方法，包括以下步驟：

3、步驟1：獲取拖動(dòng)控制輸入信號(hào)，操作員通過(guò)操作終端向控制系統(tǒng)輸入拖動(dòng)控制信號(hào)，控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收該信號(hào)；

4、步驟2：將拖動(dòng)控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂的動(dòng)作指令，利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程計(jì)算機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)角度，計(jì)算公式如下：

5、θi＝f-1(x，y，z)

6、其中，θi為機(jī)械臂第i個(gè)關(guān)節(jié)的角度，x，y，z為機(jī)械臂末端執(zhí)行器的目標(biāo)位置；

7、步驟3：監(jiān)測(cè)水下環(huán)境反饋，通過(guò)安裝在機(jī)械臂上的傳感器模塊采集力反饋和環(huán)境數(shù)據(jù)，包括阻力、水流速度等信息；

8、步驟4：根據(jù)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，利用控制算法對(duì)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行處理，調(diào)整公式為：

9、θi(t+1)＝θi(t)+kf·(ffeedback-fset)

10、其中，θi(t+1)為調(diào)整后的關(guān)節(jié)角度，kf為反饋增益系數(shù)，ffeedback為力反饋信號(hào)，fset為預(yù)設(shè)力值；

11、步驟5：機(jī)械臂執(zhí)行動(dòng)作，操作員可根據(jù)反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，完成任務(wù)。

12、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的控制輸入信號(hào)通過(guò)力反饋手柄、虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備或其他操控設(shè)備輸入，力反饋手柄能夠向操作員提供實(shí)時(shí)的阻力反饋信息。

13、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程根據(jù)機(jī)械臂的多自由度模型進(jìn)行計(jì)算，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算公式為：

14、j(q)·δq＝δx

15、其中，j(q)為機(jī)械臂的雅可比矩陣，δq為關(guān)節(jié)角度變化量，δx為末端執(zhí)行器的位置變化量。

16、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的傳感器模塊包括力傳感器、姿態(tài)傳感器和壓力傳感器，所述傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集機(jī)械臂在水下環(huán)境中的反饋數(shù)據(jù)，包括阻力、水流壓力、姿態(tài)變化等信息。

17、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的反饋優(yōu)化調(diào)整基于增量式pid控制算法進(jìn)行，pid控制公式為：

18、

19、其中，u(t)為控制輸出，e(t)為誤差信號(hào)，kp,ki,kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。

20、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的機(jī)械臂系統(tǒng)采用多自由度結(jié)構(gòu)，至少具有6個(gè)關(guān)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)多方向的靈活運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)水下復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境。

21、本發(fā)明還提出了一種水下機(jī)械臂系統(tǒng)，其特征在于，包括：

22、控制器，用于接收拖動(dòng)控制信號(hào)并生成機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)指令；

23、機(jī)械臂本體，包括多個(gè)自由度的關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，關(guān)節(jié)處配備防水傳感器；

24、傳感器模塊，安裝于機(jī)械臂末端，用于采集水下環(huán)境的反饋數(shù)據(jù)；

25、操作終端，操作員通過(guò)該終端與控制系統(tǒng)進(jìn)行交互，終端包括力反饋手柄或虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備。

26、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述的操作終端通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊與控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，所述無(wú)線(xiàn)通信模塊具備抗干擾能力，能夠確保水下信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

27、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述機(jī)械臂本體的每個(gè)關(guān)節(jié)處均配備有力反饋傳感器，能夠?qū)崟r(shí)感知關(guān)節(jié)受到的阻力或負(fù)載，傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)通信模塊傳輸至控制器。

28、作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述控制器具有高性能計(jì)算芯片，用于執(zhí)行復(fù)雜的控制算法和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，以確保機(jī)械臂在復(fù)雜水下環(huán)境中的高精度運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的水下機(jī)械臂拖動(dòng)控制方法和系統(tǒng)，通過(guò)采用拖動(dòng)控制方式，使操作更加直觀(guān)簡(jiǎn)便，降低了操作員的技術(shù)門(mén)檻。通過(guò)力反饋手柄和虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，操作員可以實(shí)時(shí)操控機(jī)械臂，系統(tǒng)將控制信號(hào)精確轉(zhuǎn)換為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)指令，結(jié)合多自由度設(shè)計(jì)，確保在復(fù)雜環(huán)境中的高精度操作，提升了操作的靈活性與準(zhǔn)確性。

30、該系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)反饋和動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，傳感器模塊能夠采集水下環(huán)境的力反饋和姿態(tài)數(shù)據(jù)，控制系統(tǒng)根據(jù)這些反饋信息，采用pid控制算法動(dòng)態(tài)優(yōu)化機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而適應(yīng)水流、阻力等外界環(huán)境的變化，確保任務(wù)順利完成。此外，力反饋傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控機(jī)械臂受力情況，增強(qiáng)了操作的安全性和穩(wěn)定性。

31、本發(fā)明還支持遠(yuǎn)程操作和虛擬現(xiàn)實(shí)交互，并配備抗干擾的無(wú)線(xiàn)通信模塊，確保水下信號(hào)的穩(wěn)定傳輸，顯著提升操作的實(shí)時(shí)性和流暢性。綜合來(lái)看，該系統(tǒng)具有高精度、強(qiáng)適應(yīng)性和安全性，適用于海洋探測(cè)、深海作業(yè)、海底設(shè)施維護(hù)等多種場(chǎng)景，具有廣泛的應(yīng)用前景。