水下机器人-机械手系统(Underwater Vehicle Manipulator System,UVMS)作为一种探索和开发海洋资源的重要工具,在国内外被广泛地应用于海洋石油工程、水下打捞等行业。但是在复杂水下环境中,UVMS系统抗干扰能力一直是当前研究的热点,本课题在国家自然科学基金科研项目(项目号:51809128)的资助下,自主设计和研发一款作业型水下机器人,并以此开展对UVMS系统的运动控制和水下机械手轨迹跟踪控制等关键性问题研究,主要内容如下:第一,针对UVMS系统总体结构和方案进行设计。该系统主要包括地面控制台、脐带电缆、水下机器人和水下机械手系统四个部分,完成其各关键模块以及控制系统软件和硬件设计工作。第二,针对UVMS系统数学建模方法进行研究。UVMS系统主要由水下机器人和水下机械手两个子系统构成,通过对水下机器人运动学和动力学分析,建立6自由度水下机器人数学模型并对其进行简化,然后构建UVMS深度控制模型。其次应用拉格朗日建模方法建立水下机械手数学模型,最后通过坐标变换建立UVMS运动学模型。第三,针对水下环境干扰复杂多变的特点,研究UVMS系统的运动控制问题。应用自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)技术对UVMS系统运动进行闭环控制,通过扩张状态观测器观测系统所受总扰动并实时补偿,并对UVMS深度控制模型进行仿真分析,结果表明该方法具有较强的抗扰动能力和鲁棒性,为水下机械手系统协调控制作业研究提供了良好的平台基础。第四,针对水下机械手轨迹跟踪控制方法进行研究。由于海流等未知外界干扰会对水下机械手的运动轨迹产生影响,在控制系统中引入非线性扰动观测器对未知干扰进行精确预估和补偿,并基于反演算法设计水下机械手轨迹跟踪控制器,通过实验仿真验证该方法的有效性。最后,对所研究的UVMS系统进行水池和野外湖泊实验,实验结果表明UVMS系统运动稳定,具有良好操控性,水下机械手能够快速和准确抓取水下目标,符合预期的设计要求。