导语

在海上补给与海洋工程作业中，绳驱波浪运动补偿装置需要在强扰动、低阻尼环境下实现高精度位姿控制与轨迹跟踪。针对这一挑战，山东大学教研究团队提出了一种新的控制方法，并通过室内与海上实验验证其有效性。在实验过程中，NOKOV 度量动作捕捉为系统提供了高精度三维位姿获取能力，成为实验验证的重要技术支撑。

一、研究背景：绳驱波浪运动补偿装置的究

绳驱并联机器人在海上补给、海洋工程等场景中具有负载大、工作空间灵活等优势，但同时也面临强扰动、执行器饱和以及结构低阻尼带来的控制难题。

山东大学（威海）陈原教授团队在 Information Sciences 期刊发表论文 Passivity-based variable damped sliding mode control for cable-driven wave motion compensation device under hybrid disturbances，针对上述问题提出系统性的控制解决方案。

二、研究方法概述：基于无源性的变阻尼滑模控制方法

本文提出了一种基于无源性的变阻尼滑模控制方法，实现了有限时间收敛、振动抑制与轨迹跟踪的统一设计。主要创新点包括：

构建基于端口-哈密顿理论的控制框架，同时考虑加速度约束与执行器饱和问题；

设计协同控制结构，将滑模控制输入与阻尼调制相结合；

提出双模阻尼饱和策略，在收敛速度与摆动抑制之间取得平衡；

设计有限时间级联观测器，用于抑制传感器噪声并快速重构扰动。

在控制算法验证过程中，动作捕捉位姿获取成为评估控制性能的重要基础数据来源。

三、实验验证

1、室内实验系统

在室内实验中，研究团队搭建了 1:10 缩比的五自由度八绳波浪补偿样机，并由六自由度并联平台模拟船舶运动。

实验系统集成了 UMAC 运动控制器，并通过 MATLAB/Simulink 与 IMU 传感器和 NOKOV 度量动作捕捉系统建立通信。

NOKOV 度量动作捕捉在实验中提供了高精度三维负载位姿数据，作为控制器闭环反馈及性能评估的基准，为绳驱波浪运动补偿装置的轨迹跟踪控制提供可靠的数据支持。

2、海上实验验证

在室内实验条件下，基于 NOKOV 度量动作捕捉获取的位姿数据，研究团队对不同控制方法进行了对比分析。结果表明，在相近控制能耗条件下，本文方法的 ITAE 指标降低约 58%–68%。

进一步地，研究团队在真实海上补给场景中开展试验，在 5–10 m/s 风速扰动条件下，系统位置与姿态跟踪误差平均降低 55% 以上，验证了控制方法在实际工程环境中的稳定性与可部署性。

四、应用场景分析：面向海洋工程

该研究成果适用于海上补给、海洋工程装备、悬挂式绳驱并联机器人等多种应用场景。通过引入 NOKOV 度量动作捕捉进行高精度位姿获取，可有效提升控制算法的实验验证效率和结果可信度，为工程化部署提供可靠依据。

五、结论：NOKOV 度量动作捕捉的关键作用

综上所述，山东大学陈原教授团队提出的绳驱波浪运动补偿控制方法在室内与海上试验中均取得良好效果。

在整个实验验证过程中，NOKOV 度量动作捕捉持续为系统提供高精度、实时的三维位姿数据，成为连接理论控制方法与工程验证的重要桥梁，也充分体现了动作捕捉技术在机器人与海洋工程控制研究中的核心价值。

六、关于绳驱波浪运动补偿装置研究的FQA

Q1：这项研究主要解决了什么问题？

A1： 该研究针对绳驱波浪运动补偿装置在强扰动、低阻尼环境下的控制难题，提出了具备高鲁棒性的控制方法，并通过实验进行了验证。

Q2：这项研究属于哪个典型应用领域？

A2： 该成果主要面向海上补给与海洋工程场景，适用于绳驱并联机器人和悬挂式补偿装置的运动控制研究。

Q3：实验中如何获取高精度位姿数据？

A3： 研究团队在室内实验中引入了 NOKOV 度量动作捕捉系统，获取高精度三维负载位姿数据，用于控制闭环反馈与性能评估。

Q4：度量动作捕捉在该领域中起到什么作用？

A4： 在绳驱波浪补偿研究中，度量动作捕捉为控制算法提供真实、精确的位姿基准数据，是连接理论方法与工程验证的重要技术手段。

七、论文信息

山东大学（威海）陈原教授团队在Information Sciences期刊发表题为Passivity-based variable damped sliding mode control for cable-driven wave motion compensation device under hybrid disturbances的论文，论文被SCI和EI收录。

引用格式

Hou Z, Sui R, Chen Y. Passivity-based variable damped sliding mode control for cable-driven wave motion compensation device under hybrid disturbances[J]. Information Sciences, 2025: 122742.

作者简介

侯宗宾，山东大学低空科学与工程学院硕士生。主要研究方向：绳驱动并联机器人的设计与控制

隋瑞浩，山东大学低空科学与工程学院硕士生。主要研究方向：绳驱动并联机器人的设计与控制

陈原（通讯作者），山东大学机电与信息工程学院副院长、教授。主要研究方向：机器人机构学与运动控制