水下液压机械臂是用于水下特种作业的重要装备。目前控制液压机械臂进行水下作业时主要基于视觉反馈来确定作业位置,由于摄像头畸变、水流干扰等存在多种作业误差,容易在抓取、定位等作业时产生卡滞、楔紧等问题,严重影响作业效率和安全性。对此,提出了一种面向水下液压机械臂的主被动柔顺控制方法。通过末端夹具设计,补偿定位误差和偏转误差,实现被动柔顺;基于虚拟解耦控制方法建立精确位置控制器,结合接触力观测器和变阻抗控制,实现主动柔顺。实验验证了主被动柔顺控制的有效性,为水下液压机械臂的安全柔顺控制作业提供了参考。

电动静液作动器(EHA)作为水下液压机械臂的作动系统具有诸多优势。为提高EHA的控制性能,采用基于卡尔曼滤波的模型预测控制(MPC)方法,为提高预测效率,MPC的预测模型采用线性化的EHA模型。在Simulink环境中实现水下机械臂EHA的MPC控制,并与PID和滑模控制(SMC)进行对比。仿真结果表明MPC的位置跟踪稳态误差约为SMC的10%~24%,为PID的3%~37%;出现负载扰动之后,MPC的平均受扰偏差仅为SMC的31%~66%,为PID的3%~48%;随着油液弹性模量的降低,3种控制方法下的受扰偏差均呈上升趋势,但MPC的上升趋势更加平缓,平均偏差值也较低。这表明MPC控制方法具有更高的位置跟踪精度和更强的鲁棒性。

为了代替人类在水下进行作业,设计了一种具有三自由度的可以在水下200m工作的机械臂。该机械臂采用硬铝合金作为本体制作材料,壳体设计为圆筒型,充分利用了内部空间又减小运动阻力,同时提高了整体结构的耐高压性。对肩部、肘关节和手爪进行静力分析及计算,并对其驱动模块进行选型;利用SolidWorks创建三维实体模型,并对手爪进行有限元仿真分析;机械臂的密封方式分为两种静密封采用O型圈密封,动密封采用磁密封。仿真结果表明,设计满足指标要求,结构可靠。