随着陆地上不可再生资源的日益减少,对蕴含丰富能源、资源的海洋空间的探索和开发受到越来越多的国家的重视。水下作业机械手是水下机器人作业的必不可少的装备,由于作业环境复杂以及自主性作业要求高等原因,使得水下作业机械手研究和实用化中面临许多新的困难和问题。目前,水下机械手多为电动式或油液压驱动式,由于电动式水下机械手的电机输出端等需要动密封使得关节体积较大,而油液压驱动式水下机械手则易造成泄漏污染,同时液压驱动式机械手存在控制精度较低的问题。因此,研究水液压驱动的水下作业机械手及其控制技术具有重要的研究意义和实用价值。本文主要研究以下内容:(1)总结国内外油液压驱动式及水液压驱动式水下作业机械手的研究现状,分析其各自的优缺点,为本文水液压驱动型水下作业机械手的研究奠定基础;分析和总结目前水下机械手的控制方法,分析各种控制方法的优缺点,为本文进行水下机械手的运动控制技术研究提供理论和技术支持。(2)针对本文所设计的水下作业机械手的运动控制精度指标,分析液压系统所需达到的流量控制精度指标,分析水液压传动技术的特点,研究微小流量的控制和实现技术,为本文设计水下机械手的高精度水液压系统提供理论参考和技术指导。通过分析本文研制的水下机械手的液压系统所需实现的功能,对其水液压系统进行了方案设计和改进,确定了机械手的水液压系统方案。研制了双向单柱塞泵作为机械手的水液压系统的动力源,实现了液压系统的微小流量输出。(3)针对本文研制的水下机械手的液压系统中双向单柱塞泵的驱动电机的控制方式,基于主从控制思想,设计控制系统的总体方案,重点对从控制器硬件电路进行模块化设计。对本文研制的双向单柱塞泵的驱动电机及其控制模块、关节角度传感器及位置信号采集模块进行详细分析和设计,两控制模块各采用一块ARM微处理器作为信息处理的核心,提高信息处理效率和控制性能,且避免相互之间的干扰。以机械手硬件控制体系为应用平台,设计主、从控制器的软件控制体系结构,完成软件编程。(4)针对本文所研究的水下作业机械手,研究其运动学及动力学性能,并进行轨迹规划。针对本文研制的自由度冗余的机械手,建立其连杆坐标系,利用D-H法推导机械手的正向运动学方程,利用反变换法建立其逆向运动学方程;利用拉格朗日方法建立机械手的动力学方程,并考虑水动力等因素对机械手水下作业过程的影响,完善机械手的水下动力学方程;在机械手运动学及动力学模型的基础上,分别采用五次插值函数和线性插值方法对机械手的展开和收回过程以及作业过程进行运动规划研究。(5)研究水下机械手的运动控制技术,建立其单关节控制系统各组成部分及总体的数学模型,针对本文研制的液压系统在起动及换向过程存在死区导致执行元件动作滞后的现象,研究液压系统的死区特性及水下机械手的死区补偿控制技术。本文采用对常规PID控制器进行补偿控制,通过在控制系统闭环内增加死区补偿环节,使执行元件快速地渡过死区。利用仿真实验,验证该控制方法能有效地减小液压系统起动及换向时执行元件动作滞后,提高响应速度及轨迹跟踪精度;同时还分析了幅值和换向频率对于不同控制器轨迹跟踪性能的影响。(6)为了保证本文研制的水下机械手的液压系统工作可靠,对其进行耐压密封性能实验研究,包括外压静态密封性和内压静态密封性以及动态密封性实验。为确定液压系统中的压力损失情况,对液压介质、管路长度、管路内径对液压系统压力损失的影响进行实验研究,并确定液压系统最终采用的介质和管路尺寸系列。针对常规PID控制器和带死区补偿的PID控制器,分别在陆上及水下进行阶跃信号和正弦信号的轨迹跟踪实验研究,根据实验结果,验证本文采用的死区补偿控制方法的有效性。