水下机械臂控制的发展，对水下工作者来说有什么影响吗？

温馨玫瑰

建设海洋强国，一直以来是我国实现中国梦的重要战略。我国作为海洋大国，拥有非常丰富的海洋资源，正是依靠国家对海洋资源的合理开发、有效利用以及加强保护，从而造就了如今多样化的海洋产业，在我国海洋经济中占重要地位。
水下机械臂在海洋资源的开发和利用中扮演着越来越重要的角色，但水下环境复杂多变，建立动力学模型需要考虑水流扰动、摩擦干扰等因素。现有控制方法是使用一种算法逼近动力学的方式，而这种方法也有弊端，就是控制精度不高。除此之外，水下机械臂系统设计具有开发时间长、效率低和成本高的特点。那么水下机械臂控制的发展，对水下工作者来说有什么影响吗？

一、运动学和摩擦分析
多关节水下机械臂主要通过关节旋转实现运动控制，一般将每个旋转关节与其相邻连杆定义为一个子系统，在这些子系统上建立独立的笛卡尔坐标系，对于每个子系统中与运动相关的姿态、相对位置等几何参数，采用齐次变换矩阵进行描述，这一过程是多关节水下机械臂运动学分析的基础。
在早期水下机械臂控制中，运动学理论基本可以满足水下机械臂的运动控制要求，但随着社会和企业对其更高精度的要求，仅仅依靠运动学是无法满足的，研究水下机械臂的动力学成为突破口。

而摩擦是一种复杂的自然现象，存在于日常生活中，其具有非线性和不确定性。在实际工程应用中，一些摩擦力是人们希望得到的，比如汽车的制动、摩擦生火等。但是在高精度机械臂的操作过程中，摩擦反而会成为阻碍系统性能提升的重要因素。
摩擦环节对控制系统的影响主要存在于对系统静态特性和动态特性方面，对系统静态特性造成的影响主要是较大的静态误差或稳定极限环振荡，而对系统动态特性的影响则表现为低速爬行现象与速度过零点时波形畸变现象。

摩擦是水下机械臂系统中一种常见现象，但是对具有摩擦的水下机械臂系统进行定量分析却是很困难的。过去的研究大多是基于理想约束中的假设，而简化摩擦力对控制的影响。不过，这种对水下机械臂系统的分析在大多数情况下与现实的情况有着显著差距。
在实际生产生活中，为了减轻水下机械臂控制系统中摩擦环节带来的负面影响，人们在大量的实践中总结很多有效的方法，可概括为以下三类：设计新的机械臂结构，减少传动结构；选择能够更好降低摩擦力的润滑剂；使用有效的控制方法补偿摩擦造成的误差。

库伦摩擦作为最早出现的摩擦模型，它必须依靠两个物体的滑动产生，也称为运动摩擦。它是一种速度不等于零的摩擦，但当速度为零时，库伦摩擦对摩擦力大小的定义为：最大摩擦力与最小摩擦力之间的任意数值。
在现实生活中，库伦摩擦只是一个与速度有关的函数，因此只有当物体运动时才能准确描述摩擦。原本机械臂动力学方程就是复杂的、非线性的，在动力学方程中再加入摩擦后，致使其方程变得更加复杂且非线性程度更高，对其进行求解的难度将大幅度上升。

机械控制系统主要是对位置的精准控制，从应用角度分析，机械控制系统主要分为两种：第一种是位置定位系统，第二种是位置跟踪系统。第一种控制系统以使机械系统位置的稳态误差无限接近于零为控制目标，如空间站机械臂系统和天文望远镜系统等。
水下机械臂控制系统属于第二种控制系统，与第一种控制系统有很大不同，它通过给定期望指令，与反馈信号进行比较，计算得到两者的误差，通过放大器对误差信号进行放大，进而调整输出力矩，通过驱动装置输出至水下机械臂的关节电机，跟踪机械臂的实际位置，利用反馈元件即传感器检测，将反馈信号与指令信号对比，从而实现精准位置跟踪的目的。

对于水下机械臂控制系统，关节电机的转动角度和角速度是有限的，低速时水下机械臂控制系统的摩擦现象更加突出，不仅包括关节的转动摩擦，还有水流与连杆的运动摩擦，摩擦对水下机械臂控制系统主要有两种不利影响：一种是低速爬行现象；另一种是当速度过零点时，控制系统易发生波形畸变。
有关摩擦建模及补偿方面的相关研究已经开展了一百多年，但由于受到摩擦学理论和早期控制理论的限制，这一领域的研究进展缓慢。但是在80年代以后，这方面的研究得到了飞速发展，各种新型的摩擦理论和补偿技术也相继出现，并在机械伺服控制系统中得到了成功的应用。

二、水下机械臂控制方法
由于水下机械臂控制系统的多耦合和非线性特点，采用单一的神经网络控制或模糊控制等智能控制方法具有一定局限性。比如目前对神经网络控制权值的物理意义没有明确定义，通常情况下，它的初始值都是由经验决定的。
而对于模糊控制规则的定义以及选取量化因子的标准，目前还没有科学的方式，一般采用试凑法对其进行选择。滑模变结构控制是一种新型的控制算法，它从上个世纪五十年代开始发展，如今在机器人、机械臂和自动化设备等多个领域得到应用。

滑模变结构控制方法对模型参数扰动、外界噪声干扰以及未建模参数的动态特性等方面，均有较好的鲁棒性。尤其在非线性系统中，滑模变结构控制方法凭借其算法简单、响应时间短和控制效果优异等特点，在水下机械臂的控制中被广泛使用。
然而，滑模变结构控制方法虽说有诸多优势，但其也存在不足之处。当系统状态点移动至滑模控制设计的超平面上后，沿着超平面向系统原点滑动的过程是极其困难的，系统状态将会不断穿过超平面来回移动，从而造成滑模控制方法出现固有缺陷：抖振现象。

除此之外，当系统状态处于超平面附近时，系统速度、惯性和加速度等影响其动态性能的因素也是必须考虑的一部分。
由于机械臂工作环境、工作对象的性质和特点会随着时间的推移而改变，其性能也会随之改变。这些因素和不确定性会导致控制系统的性能下降，无法达到高精度控制的目的。传统的反馈和开环的补偿都无法很好地解决这个问题。
为了解决以上问题，需要控制器能够在运行时持续地检测被控物体的特性，并依据所测得的系统特性，以闭环控制模式实现最优控制，这种控制要求可以通过滑模控制与自适应控制结合。

在实际工程中，机械系统通常由经验丰富的操作者操控，这样的模式可以获得较好的控制效果。这表明，若用人类大脑的思维模式来设计控制器，可以对复杂的系统进行控制，模糊控制就是基于这个思路产生。
自适应模糊控制方法是模糊非线性控制领域的一大改进，其主要分为两种形式：直接自适应模糊控制方法和间接自适应模糊控制方法。前者基于系统的期望性能和实际性能的误差直接设计模糊规则，后者基于被控对象模型来设计模糊控制规则。

基于分块RBF神经网络与模糊摩擦补偿相结合的水下机械臂自适应滑模控制方法。改善了传统滑模控制抖振的问题。同时，该方法还降低了水下机械臂控制系统的跟踪误差和响应时间。
三、机械臂系统的组成结构
水下机械臂系统整体框架一般分为三层，上层控制为水下机械臂系统的计算核心部件，主要以高性能计算机为主，实现设定控制目标、发布指令、接收反馈信息等功能；中层控制为嵌入式控制，主要是水下机械臂关节电机的控制与驱动器架构；底层控制由关节驱动电机，传感器等组成，构成了整个水下机械臂的主体。

计算机控制系统是水下机械臂的关键部分，使得控制性能和操作变得十分简便。目前学术界对水下机械臂的控制理论、方法和系统等已经进行了深入研究。在现阶段的控制领域中，控制系统架构包括集中控制、主从控制和分布控制。
集中控制诞生于上世纪70年代，它是通过一个性能优异的计算机来完成控制所需的所有运算。由于当时的计算机成本较低，功能较为单一，所以实施部署较为容易。集中控制的方式是将机械臂系统当做由大量单个的独立系统组成，这些系统由机械臂的关节数量决定。

主从控制的发展得益于IC芯片与科技的进步，使用以ARM、DSP或FPGA为核心的架构已经成为当前控制领域的共识。与集中控制相比，增加一个CPU控制板专门完成水下机械臂关节的伺服控制算法。主CPU用于计算坐标变换、轨迹规划等，而从CPU驱动水下机械臂所有关节完成各自的运动。
在如今的水下机械臂控制系统中，基本都是采用分布控制方式，采用上、下两层控制器实现系统的全部功能，即：上层的主控电脑主要承担整个系统的管理、坐标变换和轨迹插值等工作，而下一层则是由多个微处理器组成，每个微处理器分别控制一个关节的动作，使其能够同时进行控制，从而大大提高了工作的速度和处理能力。

分布控制打破了传统的控制架构，微处理器与主控级联是由一条总线构成的紧密连接，实现对各个控制器件的独立控制，可即插即用，故障容易判断，使用维修方便。
电机控制是水下机械臂系统非常重要的一部分，它体现了控制系统中多个性能指标，如：反应时间、负载重量和调速区间等性能指标，而在这些性能指标中，最为至关重要的是轨迹跟踪误差、电机定位精度和电机可转动速度的范围。
所以，研发高性能驱动装置和电机控制系统，已经成为水下机械臂研究领域中的一个重要课题。电机控制系统目前主要分为闭环运动控制方式与开环运动控制方式。前者需要获取电机的反馈信息，如位置、速度等，而后者则无需这些信息，要求较低。

目前开环控制系统使用的电机类型主要为步进电动机，而且开环控制的成本一般比较低廉。精度与速度要求较高的使用场合，通常使用闭环控制系统。开环控制系统无定位反馈，一般使用步进电动机作为其执行器。其结构较为简单、无需换向器和电刷，但有着极强的抗干扰能力，是开环控制中最常见的一种电机类型。
在开环控制系统中，步进电机的质量、传动部分的结构质量和控制线路的设计是否合理，都会对控制系统的精度产生很大的影响。由于控制系统只有一个单一的指令流，所以没有稳定性方面的担忧，但是由于没有反馈修正，所以定位精度通常不高。
开环控制是运动控制系统的最基本构成，无反馈环节，响应时间较长，成本较低，输入量不受输出量影响。

结语：
随着现代计算机技术和工业研发技术的快速进步，研发精度高、适应性强、稳定性好、灵活性高和工作时间长的水下机械臂，将成为未来水下机械臂发展的必然趋势。
此外，水下机械臂可以满足深海作业的各种严格要求，适应恶劣的深海环境，其控制系统还存在一些让水下机械臂控制变得更加困难的因素，如环境因素、动态误差、摩擦力和不可知的扰动等。

如今的企业和社会对机械臂的要求是稳定、精度高、性能强，因此针对当前水下机械臂运动控制过程存在的建模误差、外界未知扰动等问题，开展水下机械臂控制方法的深入研究有重要的现实意义。为后续真实水下机械臂运动控制实验打下基础。

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