答辩博士：彦飞
指导教师：陈柏 教授/博导、王尧尧 副教授/硕导
论文题日：绳驱动水下机械臂动力学与控制研究
答辩委员会：
主席：王兴松 教授/博导 东南大学
委员：谭业发 教授/博导 陆军工程大学
王禹林 教授/博导 南京理工大学
吴洪涛 教授/博导 南京航空航天大学
游有鹏 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：沈雅怡 副研究员南京航空航天大学
答辩时间：6月7日14：30
答辩地点：南航明故宫校区6号楼218会议室
学位论文简介：
海洋深处蕴含着丰富的资源，海洋高新技术的研发是探索、开发、利用海洋资源的重要保障，载人潜水不仅成本高昂，而且危险重重，为能够安全、高效地完成深海探测与海底建设任务，水下运载器-机械臂系统应运而生。无缆自治水下运载器-机械臂系统由于其灵活轻便的优点，已成为该领域的前沿研究内容，这种运载器一般尺寸较小，搭配机械臂组成作业系统时，对机械臂的小型化、轻型化提出了较高要求，传统的电机-减速器刚性传动水下机械臂由于质量较大、结构笨重，不适用于这种作业系统。本文将绳驱动技术引入水下机械臂的设计之中，将驱动单元全部置于水下运载器内部，设计出轻量化、低扰动的“北极星二号”水下机械臂，以满足无缆自治水下运载器的作业需求。
主要研究工作:
(1) 对“北极星二号”水下机械臂进行系统设计。完成“北极星二号”水下机械臂的整体结构设计，对水下机械臂的驱动方式、传动方式、绳索固定与张紧方式、密封与防腐蚀方式进行详细设计，进行水下机械臂的电气元件选型，设计水下机械臂的控制系统，进行运动学耦合的分析与建模。
(2) 研究“北极星二号”水下机械臂的动力学建模与参数辨识方法。采用D-H参数法建立绳驱动机械臂的运动学模型，利用莫里森方程计算出水作用力，采用牛顿-欧拉法建立动力学模型，采用ANSYS软件分析影响水作用力的各种因素，采用蜂群算法进行参数辨识，搭建绳驱动水下机械臂综合实验平台，进行“北极星二号”的动力学参数辨识实验。
(3) 针对定负载作业任务设计控制器。使用时延估计技术补偿动力学建模误差与未建模动力学特性，使用终端滑模技术增强控制器的抗干扰能力，分别使用分数阶算法和最优控制算法增强控制器的鲁棒性，设计出两种具有固定参数的控制器，通过实验对两种控制器的控制性能进行比较，结果两种控制器都是可行的和有效的。
(4) 针对带负载作业任务设计控制器。提出自适应时延估计技术以补偿机械臂负载引起的动力学变化，设计自适应算法实现控制器参数自整定以适应机械臂的不同负载，使用具有较强抗干扰能力的终端滑模技术，设计出适合带载作业的控制器。带负载实验验证了所设计控制器的控制能力。
(5) 研究绳驱动水下机械臂的轨迹规划方法，设计合适的目标点位并规划出机械臂的运动轨迹，实验测量机械臂的末端定位精度。基于三次样条函数设计出一种轨迹规划方法，从而将机械臂对运载器的扰动限制在合理范围之内。
主要创新点如下：
(1) 采用蜂群算法实现包含非线性因素的绳驱动水下机械臂动力学参数辨识，成功辨识出绳驱动水下机械臂的动力学模型。
(2) 针对水动力特性无法精确描述的问题，采用时延估计技术进行水下机械臂的控制器设计，在一定程度上补偿未建模动力学特性，取得较好的控制效果。
(3) 为减轻未知水下干扰对机械臂作业的影响，采用终端滑模理论设计水下机械臂的控制器；终端滑模具有收敛速度快的特点，设计出的控制器具有较强的抗干扰能力。
(4) 针对水下机械臂在未知负载与变负载情况下的作业任务，提出自适应时延估计技术，采用模糊逻辑算法，根据机械臂负载情况进行控制器参数自整定，实现绳驱动机械臂在变负载与未知负载情况下的水下作业。
