novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.27.135-145novtexmech-1956Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSМетод синтеза позиционно-силовых систем управления электроприводами многостепенных манипуляторов, установленных на автономные необитаемые подводные аппараты. Часть 1A Method for Synthesis of Position-Force Control Systems for Electric Drives of Multi-Link Manipulators Mounted on Autonomous Underwater Vehicles. Part 1ФиларетовВ. Ф.FilaretovV. F.

В. Ф. Филаретов, д-р техн. наук, проф., зав. лаб.

г. Владивосток

V. F. Filaretov

Vladivostok

filaret@iacp.dvo.ruЗуевА. В.ZuevA. V.

А. В. Зуев, д-р техн. наук, доц., ст. науч. сотр.

г. Владивосток

A. V. Zuev

Vladivostok

zuev@dvo.ruГорностаевИ. В.GornostaevI. V.

И. В. Горностаев, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.

г. Владивосток

I. V. Gornostaev, Cand. of Tech. Sc., Senior Researcher

Vladivostok

gornostaev_iv@mail.ruТимошенкоА. А.TimoshenkoA. A.

А. А. Тимошенко, науч. сотр.

г. Владивосток

A. A. Timoshenko

Vladivostok

timoshenko.aal@mail.ruИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАН; Владивостокский государственный университетРоссияInstitute of Automation and Control Processes FEB RAS; Vladivostok State UniversityRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАН; Институт проблем морских технологий им. академика М. Д. Агеева ДВО РАНРоссияInstitute of Automation and Control Processes FEB RAS; M.D. Ageev Institute of Marine Technology Problems FEB RASRussian FederationИнститут автоматики и процессов управления ДВО РАН; Институт проблем морских технологий им. академика М. Д. Агеева ДВО РАН; Морской государственный университет им. адм. Г. И. НевельскогоРоссияInstitute of Automation and Control Processes FEB RAS; M.D. Ageev Institute of Marine Technology Problems FEB RAS; Admiral Nevelskoy Maritime State UniversityRussian Federation202613032026273135145Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20262026Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1956

Обсуждается решение задачи разработки метода синтеза комбинированных позиционно-силовых систем управления (СУ) электроприводами (ЭП) многозвенных подводных манипуляторов (МПМ), устанавливаемых на автономные необитаемые подводные аппараты (АНПА), работающие в режиме посадки на грунт или на объекты работ с последующей жесткой фиксацией этих АНПА с помощью специальных устройств.Для решения этой задачи в первой части статьи предложен комплексный метод, согласно которому для ЭП каждой степени подвижности МПМ вначале выполняется синтез самонастраивающегося корректирующего устройства (СКУ), позволяющего стабилизировать его переменные динамические параметры на заданном номинальном уровне. Эта стабилизация обеспечивает компенсацию влияния сил сухого и вязкого трения, а также части внешнего момента, обусловленного взаимовлияниями между звеньями МПМ и их взаимодействием с вязкой средой, на качество управления. Затем для обеспечения работы СКУ и СУ ЭП в целом на основе исходных нелинейных моделей ЭП выполняется синтез наблюдателей с переменной структурой, позволяющих получать информацию о текущих значениях внешних моментов, а также скоростей и ускорений вращения выходных валов всех ЭП. С использованием этой полной информации, с помощью только датчиков положения указанных выходных валов удалось синтезировать позиционносиловые регуляторы для ЭП, минимизирующие выбранный квадратичный критерий качества, и обеспечить заданные перемещения выходных валов ЭП с одновременным созданием требуемых моментов.С использованием этих позиционно-силовых регуляторов во второй части статьи выполнен синтез комбинированной позиционно-силовой СУ всеми ЭП МПМ, способной, как показали результаты компьютерного моделирования, обеспечивать точные перемещения рабочего инструмента МПМ по задаваемым пространственным траекториям в условиях переменных параметров взаимодействия всех его звеньев с вязкой средой (вязких трений и присоединенных масс жидкости) при одновременном создании требуемых силовых воздействий на объекты работ в процессе выполнения различных сложных силовых технологических операций.

The paper is devoted to solving the problem of developing a synthesis method for combined position-force control systems (CS) for electric drives (ED) of multi-link underwater manipulators (MUM) mounted on autonomous underwater vehicles (AUV) operating in the mode of landing on the ground or on work sites, followed by rigid fixation of these AUV using special devices. To solve this problem, a comprehensive method is proposed in the first part of the paper. First, according to this method, a self-adjusting regulators are synthesized for the ED of each degree of freedom of the MUM, which makes it possible to stabilize its variable dynamic parameters at a given nominal level. This stabilization compensates for the influence of Coulomb and viscous friction, as well as part of the external torque caused by the mutual influences between the MUM links and their interaction with the viscous medium, on the quality of control. Then, to ensure the operation of the self-adjusting regulators and the ED CS, based on the initial nonlinear models of the ED, observers with a variable structure are synthesized to obtain information about the current values of external moments, as well as the rotation speeds and accelerations of all the ED output shafts. Using this information and measurements of only angle sensors of the specified output shafts, it was possible to synthesize position-force regulators for ED, minimizing the selected quadratic cost function, ensuring the specified movements of the output shafts of the item instance while creating the required moments. In the second part of the paper a synthesis of a combined position-force control system with all MUM elements was performed using these position-force regulators. As the results of computer modeling showed, this control system is capable of providing accurate movements of the MUM work tool along specified spatial trajectories and simultaneous creation of the required force effects on the work objects in the presence of the interaction of all its links with a viscous medium with variable parameters (viscous friction and added masses) while performing various complex technological operations.

подводный манипуляторсилы вязкого тренияприсоединенные массы жидкостиавтономный необитаемый подводный аппаратсистема управленияпозиционно-силовое управлениеunderwater manipulatorviscous frictionadded massesautonomous underwater vehiclecontrol systemposition-force controlИсследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 24-19-00218 — https://rscf.ru/project/24-19-00218).The research was carried out at the expense of a grant from the Russian Science Foundation (grant № 24-19-00218 — https://rscf.ru/project/24-19-00218).ReferencesSimetti E., Casalino G., Torelli S., Sperinde A., Turetta A. Floating Underwater Manipulation: Developed Control Methodology and Experimental Validation within the TRIDENT Project // Journal of Field Robotics. 2014. Vol. 31, N. 3. P. 364—385. DOI: 10.1002/rob.21497.Simetti E., Casalino G., Torelli S., Sperinde A., Turetta A. Floating Underwater Manipulation: Developed Control Methodology and Experimental Validation within the TRIDENT Project, Journal of Field Robotics, 2014, vol. 31, no. 3, pp. 364—385.Fossen T. I. Handbook of marine craft hydrodyna mics and motion control. John Wiley & Sons, 2011. 596 p. DOI: 10.1002/9781119994138.Fossen T. I. Handbook of marine craft hydrodynamics and motion control, John Wiley & Sons, 2011, 596 p.Инзарцев А. В., Киселев Л. В., Костенко В. В., Матвиенко Ю. В., Павин А. М., Щербатюк А. Ф. Подводные робототехнические комплексы: системы, технологии, применение. Владивосток: ИПМТ ДВО РАН, 2018. 368 с.Inzartsev A. V., Kiselev L. V., Kostenko V. V., Matvienko Yu. V., Pavin A. M., Scherbatyuk A. F. Underwater robotic complexes: systems, technologies, applications, Vladivostok, IPMT DVO RAN, 2018, 368 p. (in Russian).Griffiths G. Technology and Applications of Autonomous Underwater Vehicles. London: CRC Press, 2003. 369 p. DOI: 10.1201/9780203522301.Griffiths G. Technology and Applications of Autonomous Underwater Vehicles, London: CRC Press, 2003, 369 p.Kumar S., Rastogi V., Gupta P. A hybrid impedance control scheme for underwater welding robots with a passive foundation in the controller domain // Simulation. 2017. Vol. 93, N. 7. P. 1—12. DOI: 10.1177/0037549717693687.Kumar S., Rastogi V., Gupta P. A hybrid impedance control scheme for underwater welding robots with a passive foundation in the controller domain, Simulation, 2017, vol. 93, no. 7, pp. 1—12.Seki Yu., Sagara Sh., Ambar R. Impedance Control of Dual-Arm 3-link Underwater Robot: In the Case of Grasping a Fixed Object Lightly with One Hand // Proc. of the 2018 International Conference on Information and Communication Technology Robotics (ICT-ROBOT). 2018. P. 1—4. DOI: 10.1109/ICT-ROBOT.2018.8549882.Seki Yu., Sagara Sh., Ambar R. Impedance Control of Dual-Arm 3-link Underwater Robot: In the Case of Grasping a Fixed Object Lightly with One Hand, Proc. of the 2018 International Conference on Information and Communication Technology Robotics (ICT-ROBOT), 2018, pp. 1—4.Barbalata C., Dunnigan M. W., Petillot Y. Coupled and Decoupled Force/Motion Controllers for an Underwater VehicleManipulator System // Journal of marine science and engineering. 2018. Vol. 96, N. 6. P. 1—23. DOI: 10.3390/jmse6030096.Barbalata C., Dunnigan M. W., Petillot Y. Coupled and Decoupled Force/Motion Controllers for an Underwater VehicleManipulator System, Journal of marine science and engineering, 2018, vol. 96, no. 6, pp. 1—23.Barbalata C., Dunnigan M. W., Petillot Y. Position/force operational space control for underwater manipulation // Robotics and Autonomous Systems. 2018. Vol. 100. P. 150—159. DOI: 10.1016/j.robot.2017.11.004.Barbalata C., Dunnigan M. W., Petillot Y. Position/force operational space control for underwater manipulation, Robotics and Autonomous Systems, 2018, vol. 100, pp. 150—159.Коноплин А. Ю., Красавин Н. А., Юрманов А. П., Пятавин П. А., Кацурин А. А. Система позиционносилового управления подводными аппаратами с многозвенными манипуляторами для выполнения контактных манипуляционных операций // Подводные исследования и робототехника. 2022. Т. 42, № 4. С. 40—52. DOI: 10.37102/1992-4429_2022_42_04_04.Konoplin A. Ju., Krasavin N. A., Yurmanov A. P., Piatavin P. A., Katsurin A. A. System of position/force control of underwater vehicles with multi-link manipulators for performing contact manipulation operations, Underwater investigations and robotics, 2022, vol. 42, no. 4, pp. 40—52 (in Russian).Зуев А. В., Филаретов В. Ф. Особенности создания комбинированных позиционно-силовых систем управления манипуляторами // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2009. № 1. С. 154—162.Zuev A. V., Filaretov V. F. Features of designing combined force/position manipulator control systems, Journal of computer and systems sciences international, 2009, vol. 48, no. 1, pp. 146—154 (in Russian).Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Тимошенко А. А. Идентификация параметров взаимодействия звеньев подводных манипуляторов с вязкой средой для точного автоматического выполнения манипуляционных операций. Часть 1 // Мехатроника, автоматизация, управление. 2025. Т. 26, № 2. С. 98—108. DOI: 10.17587/mau.26.98-108.Filaretov V. F., Zuev A. V., Timoshenko A. A. Identification of interaction parameters of underwater manipulator links with a viscous medium for precise automatic execution of manipulation operations. Part 1, Mekhatronika, Avtomatizatsia, Upravlenie, 2025, vol. 26, no. 2, pp. 98—108 (in Russian).Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Тимошенко А. А. Идентификация параметров взаимодействия звеньев подводных манипуляторов с вязкой средой для точного автоматического выполнения манипуляционных операций. Часть 2 // Мехатроника, автоматизация, управление. 2025. Т. 26, № 3. С. 128—138. DOI: 10.17587/mau.26.128-138.Filaretov V. F., Zuev A. V., Timoshenko A. A. Identification of interaction parameters of underwater manipulator links with a viscous medium for precise automatic execution of manipulation operations. Part 2, Mekhatronika, Avtomatizatsia, Upravlenie, 2025, vol. 26, no. 3, pp. 128—138 (in Russian).Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Губанков А. С. Управление манипуляторами при выполнении различных технологических операций. М.: Наука, 2018. 232 с.Filaretov V. F., Zuev A. V., Gubankov A. S. Manipulator control during various technological operations, Moscow, Nauka, 2018, 232 p. (in Russian).Филаретов В. Ф. Самонастраивающиеся системы управления приводами манипуляторов. Владивосток: Издво ДВГТУ, 2000. 304 с.Filaretov V. F. Self-adjusting control systems for manipulator drives (Samonastraivayushchiesya sistemy upravleniya privodami manipulyatorov) Vladivostok, FESTU, 2000, 304 p. (in Russian).Zuev A. V., Protsenko A. A., Timoshenko A. A., Kopylov D. V. Method for constructing self-adjusting correcting devices for electric drives of underwater manipulators using brushless DC motors // Extreme robotics. 2022. Vol. 1, N. 1. P. 277—285.Zuev A. V., Protsenko A. A., Timoshenko A. A., Kopylov D. V. Method for constructing self-adjusting correcting devices for electric drives of underwater manipulators using brushless DC motors, Extreme robotics, 2022, vol. 1, no. 1, pp. 277—285.Филаретов В. Ф., Зуев А. В., Тимошенко А. А. Адаптивное управление электроприводами подводных манипуляторов // Морские интеллектуальные технологии. 2024, № 4. Часть 4. С. 83—90. DOI: 10.37220/mit.2024.66.4.083.Filaretov V. F., Zuev A. V., Timoshenko A. A. Adaptive control of electric drives of underwater manipulators (Adaptivnoe upravlenie elektroprivodami podvodnyh manipulyatorov), Morskie intellektual’nye tekhnologii, 2024, no. 4, part. 4, pp. 83—90. (in Russian).Филаретов В. Ф., Юхимец Д. А., Мурсалимов Э. Ш. Метод комплексирования данных с навигационных датчиков подводного аппарата с использованием нелинейного фильтра Калмана // Мехатроника, автоматизация, управление. 2012. № 8. С. 64—70.Filaretov V. F., Yukhimets D. A., Mursalimov E. Sh. Method of data fusion from navigation sensors of under-water vehicle with using nonlinear Kalman filter, Mekhatronika, Avtomatizatsia, Upravlenie, 2012, no. 8, pp. 64—70 (in Russian).B rhaug E., Pivano L., Pettersen K. Y., Johansen T. A. A Model-based ocean current observer for 6DoF underwater vehicles // IFAC Proc. 2007. Vol. 40, N. 17. P. 169—174. DOI: 10.3182/20070919-3-HR-3904.00031.B rhaug E., Pivano L., Pettersen K. Y., Johansen T. A. A Model-based ocean current observer for 6DoF underwater vehicles, IFAC Proc., 2007, vol. 40, no. 17, pp. 169—174.Жирабок А. Н., Зуев А. В., Шумский А. Е. Метод идентификации дефектов в нелинейных системах на основе скользящих наблюдателей // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2021. № 1. С. 11—23. DOI: 10.31857/S0002338821010145.Zhirabok A. N., Shumskii A. E., Zuev A. V. Method for fault identification in nonlinear systems based on sliding-mode observers, Journal of computer and systems sciences international, 2021, vol. 60, no. 1, pp. 11—23 (in Russian).Жирабок А. Н., Зуев А. В., Сергиенко О., Шумский А. Е. Идентификация дефектов в нелинейных динамических системах и их датчиках на основе скользящих наблюдателей // Автоматика и телемеханика. 2022. № 2. С. 63—89. DOI: 10.31857/S0005231022020052.Zhirabok A. N., Shumsky A. E., Zuev A. V., Sergiyenko O. Identification of faults in nonlinear dynamical systems and their sensors based on sliding mode observers, Automation and remote control, 2022, vol. 83, no. 2, pp. 214—236.Уткин В. И. Скользящие режимы и их применение в системах с переменной структурой. М.: Наука, 1974. 272 с.Utkin V. I. Sliding modes and their application in systems with variable structure, Moscow, Nauka, 1974, 272 p. (in Russian).Кухаренко Н. В. Выбор коэффициентов квадратичных функционалов при аналитическом конструировании регуляторов // Известия ВУЗов. Электромеханика. 1978. № 4. С. 411—417.Kuharenko N. V. Selection of coefficients of quadratic functionals in the analytical design of regulators, Russian Electromechanics, 1978, no. 4, pp. 411—417 (in Russian).Крейг Д. Дж. Введение в робототехнику: механика и управление. М.: Ижевск.: Институт компьютерных исследований, 2013. 564 с.Craig J. J. Introduction to robotics: mechanics and control, Pearson Education International, 2005, 400 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.