面向海上光伏耦合电解制氢运维的sEMG驱动缆索驱动连续体机械臂研究

《Journal of Marine Science and Engineering》：Research on the sEMG-Driven Cable-Actuated Continuum Manipulator for Offshore Photovoltaic Coupled Electrolysis Hydrogen Production Operation and Maintenance

　　

针对海上光伏耦合电解制氢系统运行于复杂海洋环境，对运维安全性提出较高要求。为减少人工干预并支持远程运维，研究人员提出一种用于海上光伏耦合制氢运维（O&M）的表面肌电（sEMG）驱动缆索驱动连续体机械臂。采集操作者上肢sEMG信号，经滤波、分类并映射至预定义机械臂运动命令以生成期望轨迹。设计遗传算法-反向传播（BP）神经网络模式分类器用于运动分类。建立缆索驱动连续体机械臂的运动学与动力学模型以及力矩控制器。所报告的分类与仿真结果连同实验室观察支持基于sEMG的运动意图识别与预定义命令生成的可行性，并说明在受控实验室条件下机械臂轨迹跟随趋势。这为未来海上光伏耦合电解制氢系统运维任务提供概念验证基础。本研究在受控实验室条件下评估了基于sEMG的运动意图识别与机械臂轨迹跟踪。海上扰动下的性能以及物理接触中的安全性仍有待评估。

研究背景方面，海上光伏耦合电解制氢系统包含浮式光伏组件、浮体、支架、缆索连接、功率变换单元、制氢设备、辅助储氢单元及多种能量传输接口，设备组成更复杂、能量转换链更长、运维对象更多样，对安全、稳定和灵活维护提出更高要求。既有研究多集中于系统设计、能量管理、制氢性能、清洗策略、可靠性提升及远程巡检维护，但未充分解决海上光伏耦合制氢系统中的近距离物理运维任务，如光伏板表面清洁、浮体/支架/缆索近场检查、制氢接口检查以及狭窄或遮蔽设备周围操作；这些任务可能要求末端执行器接近脆弱面板、柔性缆索和不规则连接件，碰撞、刮擦和接触安全成为实际部署的重要考虑。传统刚性机械臂定位精度和负载能力高，但结构刚度大、远端惯量大，在平台运动下可能放大意外接触力，增加刮擦光伏组件、碰撞支架、拉扯柔性缆索或损坏制氢辅助部件的风险。连续体或缆索驱动连续体机械臂可通过连续体弯曲而非仅离散刚性关节产生运动，执行器可布置于基座或远离末端，通过调节缆索长度或张力控制弯曲状态，从而降低远端质量、提高紧凑性，可能适合近场检查、面板自适应清洁及围绕浮体、支架、缆索和制氢设备操作。但海上平台存在动态扰动、水面与光伏板强反射、光照变化、视觉遮挡、局部污染、缆索交织和任务不确定性，可能降低感知稳定性、增加路径规划不确定性并给接触敏感操作带来挑战；通信延迟或中断还可能降低远程操作可靠性，因此许多海上维护任务仍需操作者经验、判断和实时决策。sEMG作为非侵入式生物电信号，可反映肌肉激活和上肢运动意图，已用于机器人控制、自然人机接口、康复机器人、假肢控制和遥操作控制。研究人员提出sEMG驱动缆索驱动连续体机械臂控制框架，将操作者预定义上肢运动意图映射为缆索驱动连续体机械臂离散命令，构建GA-BP神经网络模式分类器，建立运动学、动力学模型及力矩控制方法，并通过仿真和实验室实验评估。其意义在于为未来海上光伏耦合电解制氢系统运维任务提供实验室概念验证基础，而非直接重建连续末端轨迹。技术方法概括：采集受试者肱二头肌sEMG信号，使用JE-TB0810八通道无线采集设备（12-bit ADC，前端增益×2000，采样频率10–4000 Hz）；采用Butterworth带通滤波，提取平均绝对值（MAV）、均方根（RMS）、方差（VAR）和波形长度（WL）四类时域特征；构建GA-BP分类器识别四类预定义上肢运动；建立恒定曲率运动学、动力学模型及比例-微分（PD）力矩控制器，K_p和K_d均设为10；开展仿真与实验室平台验证。样本队列来源为10名受试者参与sEMG采集实验，另选5名受试者（2男3女，23–28岁）参与机械臂控制实验，共完成400次试验。
研究结果方面，4.1 仿真验证：通过运动学与力矩控制仿真评估机械臂跟踪性能。4.1.1 运动学仿真：在设定初始与最终关节角、仿真时间8 s条件下，末端执行器轨迹与理论结果吻合良好，关节角和关节速度曲线连续变化，说明在当前仿真条件下可实现连续轨迹跟踪。4.1.2 力矩控制仿真：在K_p和K_d均为10条件下，各关节实际运动曲线与期望轨迹基本重合，响应较快且无明显振荡或放大超调，所有关节轨迹跟踪误差保持在0.2°以内；该误差来自理想化力矩控制仿真，并非实际机械臂物理测量。4.2 实验验证：通过实验室平台开展sEMG驱动控制验证。4.2.1 实验设置：平台主要由sEMG信号采集单元、控制单元、驱动单元、上位机处理单元和缆索驱动连续体机械臂单元组成。4.2.2 基于sEMG驱动的缆索驱动连续体机械臂验证：（1）离散运动意图识别与命令执行性能：5名受试者重复执行四类预定义手臂运动，每类运动重复20组，共完成400次试验，其中380次成功，总体成功率为95.0%；该结果描述集成控制链性能，而非孤立分类器精度或定量末端跟踪精度。（2）连续轨迹跟踪结果：单次实验室试验中，期望与实测末端执行器轨迹曲线在测试条件下呈现相似总体运动趋势，提供轨迹跟随的定性证据，而非经验证的定量跟踪精度；仅呈现一次试验，不能建立重复性或统计稳定性，实际应用中电机响应延迟、上肢运动变化、执行器间隙、缆索柔顺性和传感器测量误差等可能引入轨迹偏差，温度、湿度和外部电磁干扰等环境因素也可能影响电机、传感器和控制信号传输。（3）力矩控制器有效性：在末端执行器和受试者前臂放置角度传感器，记录四类预定义运动中的角度变化，曲线在当前实验条件下呈现相似总体趋势，但该比较未量化机械臂指令轨迹与实测轨迹之间的跟踪误差，也未建立外部载荷下力矩控制器性能。实验室结果说明识别预定义运动意图、生成相应命令并展示轨迹跟随趋势的可行性；本研究未开展代表性光伏或制氢设备维护任务、接触力安全测试或海上扰动下验证。
讨论部分总结：该研究定位为实验室概念验证，重点验证基于sEMG的四类预定义上肢运动识别、离散命令映射与缆索驱动连续体机械臂控制链的可行性；分类结果、仿真和实验室轨迹演示支持受试条件下该控制链可行。模型采用理想化假设，未显式考虑缆索弹性、滞回、间隙、摩擦、外部接触力和变载荷等非线性效应；连续末端跟踪仅来自单次实验室试验，不能说明重复性或稳定性；0.2°关节跟踪误差来自理想化力矩控制仿真，不应解释为物理定位误差；接触力安全、代表性海上光伏或制氢系统运维任务及海上环境扰动均未评估。研究结论翻译：本研究提出了一种实验室概念验证框架，将基于sEMG的四类预定义上肢运动识别、离散命令映射与缆索驱动连续体机械臂控制相结合。所报告的分类结果以及仿真和实验室轨迹演示支持该控制链在受试条件下的可行性。低于0.2°的关节跟踪误差是在理想化力矩控制仿真中获得的，不应解释为物理定位误差。连续末端执行器跟踪仅在单次实验室试验中展示，不能建立重复性或稳定性。接触力安全性、代表性海上光伏或制氢系统运维任务以及海上环境扰动未进行评估。未来工作将关注定量实验跟踪、任务导向验证以及在代表性海洋条件下的运行。