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水下足式机器人关节摩擦补偿方法及试验研究

摘要

随着水下机器人的多元化发展以及水下作业的特种需求，越来越多的机器人方案正

在走向水下环境。水下足式机器人由于其离散的立足点和灵活的自由度可以实现水下多

功能、多地形运动，同时具有低环境干扰的特性，因此具有广泛的应用前景。为了保证

水下足式机器人的高精度控制及灵活性，高性能的水下驱动关节已经成为其必然需求，

因此对于水下驱动关节的精确建模具有重要意义。由于水下关节密封元件的存在，其产

生的非线性摩擦是影响水下驱动关节的控制精度的重要影响因素之一。因此本文对水下

驱动关节的摩擦补偿方法展开研究，并结合试验验证了本文所提出方法的有效性。

本文针对水下驱动关节的摩擦特性进行分析，研究了非线性摩擦对于水下驱动关节

输出性能产生的影响。针对水下驱动关节摩擦的不同组成部分进行理论建模。对于密封

部分产生的摩擦，通过对不同摩擦模型的分析，采用LuGre摩擦模型对其产生的摩擦现

象进行描述，解决了目前的研究中并没有对于关节密封摩擦精确建模的问题。同时本文

参考不同方法对LuGre模型进行修正，为本文后续的模型改进工作提供了思路。

针对密封部分采用的LuGre摩擦模型，本文通过对水下关节的动力学模型进行简

化，分两步辨识摩擦模型中的参数。由于摩擦模型的辨识精度将很大程度影响到模型的

准确性，因此本文提出一种基于粒子群算法的改进参数辨识方法，提高了参数辨识过程

的收敛速度与收敛精度，解决了传统参数辨识方法的辨识速度与精度不能满足动态模型

辨识需求的问题。通过参数辨识试验，验证了参数辨识方法改进的有效性。

在得到完整的摩擦模型后，本文通过确定性模型的随机扩展方法对LuGre模型进行

评估，通过随机试验量化了模型中各参数的不确定性，为水下驱动关节摩擦模型提供可

靠的改进方向。通过对于模型改进方向分析，本文在水下驱动关节的工况范围内对模型

进行改进，解决了水下环境中未建模因素对模型估计的准确程度影响较大的问题，提高

了摩擦模型估计的准确性。通过模型参数不确定性的对比，验证了模型评估方法及模型

改进的有效性。

最后通过搭建水下试验平台，对改进的摩擦模型进行试验验证。本文在水下足式机

器人的主要作业工况下，进行了不同场景的试验测试。通过试验验证了采用改进的摩擦

模型提高了水下驱动关节的跟踪性能与响应速度，证明了模型改进的有效性。

关键词：水下足式机器人驱动关节；摩擦建模；参数辨识；改进LuGre模型

水下足式机器人关节摩擦补偿方法及试验研究

Abstract

Withthediversificationofunderwaterroboticsandthespecializedneedsofunderwater

operations,moreandmoreroboticsolutionsareheadingtotheunderwaterenvironment.

Underwaterleggedrobotshaveawiderangeofapplicationsduetotheirdiscretefootholdsand

flexibledegreesoffreedomthatallowformultifunctional,multi-terrainmotionunderwater,as

wellaslowenvironmentalinterference.High-performanceunderwaterdrivejointshave

becomeaninevitablerequirementforunderwaterleggedrobotsinordertoensurehigh-

precisioncontrolandflexibilityofunderwaterleggedrobots.Consequently,accuratemodeling

ofunderwaterdrivejointsholdssignificantimportan