一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人及控制方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，包括水中巡游模块和海底爬行模块；水中巡游模块包括左侧翼板、右侧翼板、前水平密封舱、后水平密封舱、电子舱、垂向推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱和水平差速推进器；海底爬行模块包括支撑结构和多条机械腿；水中巡游模块设置于支撑结构上；各条机械腿围绕支撑结构设置，一端与支撑结构可转动地连接。该机器人既可在海洋中快速巡航，也可在海底稳定爬行，兼具巡游式水下机器人高效、大范围活动的机动能力，以及爬行式水下机器人的精确移动作业能力和抗洋流稳定能力。

A Robot and Control Method Suitable for Waterwalking and Seabed Crawling

【技术实现步骤摘要】
一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人及控制方法
本专利技术涉及水下机器人
，尤其涉及一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人及控制方法。
技术介绍
进入二十一世纪以来，世界各国都在大力开展探索深海、开发深海和利用深海的科研、经济和军事活动，而海洋考察、探测与作业最重要的装备就是水下机器人。水下机器人按运动方式可分为巡游式水下机器人(ROV和AUV等)和爬行式水下机器人两大类，目前这两大类水下机器人的优势及劣势如下：(1)现有的巡游式水下机器人机动能力强，功能多样，移动速度快，作业范围广，但是不能满足在大深度、复杂环境下稳定工作的需要。特别是在研究、开发价值极大的深海热液区，海底地形复杂、洋流扰动强烈，环境苛刻，传统巡游式水下机器人的不足日益凸显。(2)现有的海底爬行式水下机器人主要为履带式和轮式，其稳定性高，作业和移动精度高，但存在移动速度慢，运动范围小，且转向不灵活，越障能力弱，不易回收等弊端。因此，针对以上不足，需要提供一种兼具巡游式和爬行式优势的水下机器人。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对上述现有技术中的至少一部分缺陷，提供一种既可通过水中巡游部分在海洋中快速巡航，也可通过海底爬行部分在海底稳定爬行的水下机器人。为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，包括：水中巡游模块和海底爬行模块；所述水中巡游模块包括左侧翼板、右侧翼板、前水平密封舱、后水平密封舱、电子舱、垂向推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱和水平差速推进器；所述左侧翼板和所述右侧翼板平行相对设置；所述前水平密封舱、所述后水平密封舱间隔设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间；所述前水平密封舱为透明结构，其内部设有前水平密封舱电池组、水平方向摄像头和水平方向照明灯，所述后水平密封舱为透明结构，其内部设有后水平密封舱电池组、垂直方向摄像头和垂直方向照明灯；所述电子舱、所述垂向推进器设于所述前水平密封舱和所述后水平密封舱之间；所述电子舱内设有控制单元，所述控制单元与所述垂向推进器、所述前水平密封舱和所述后水平密封舱均电连接，用于生成相应的控制指令并发送；所述垂向推进器用于接收并执行所述控制单元发送的垂向移动控制指令，以实现驱动所述机器人上浮或下潜；所述左纵向吸排水舱、所述右纵向吸排水舱均通过纵向吸排水舱卡扣分别卡设于所述左侧翼板、所述右侧翼板的外侧；所述左纵向吸排水舱和所述右纵向吸排水舱均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的吸排水控制指令，以实现向舱内吸水或向舱外排水；所述水平差速推进器包括左纵向推进器和右纵向推进器，所述左纵向推进器和所述右纵向推进器对称设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间，位于所述后水平密封舱后方；所述水平差速推进器与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的水平移动控制指令，以实现驱动所述机器人前进、后退和转向；所述海底爬行模块包括支撑结构和多条机械腿；所述水中巡游模块设置于所述支撑结构上，所述支撑结构对应所述垂向推进器的位置开设有第一垂向通孔；各条所述机械腿围绕所述支撑结构设置，一端与所述支撑结构可转动地连接；每条所述机械腿均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械腿移动控制指令，以实现移动所述机械腿行走。优选地，所述垂向推进器设于所述机器人中心位置处；所述电子舱设于所述垂向推进器前侧。优选地，所述水中巡游模块还包括水下传感设备，设于所述电子舱内，并与所述控制单元电连接，用于探测水下环境信息并向所述控制单元反馈；所述控制单元根据所述水下传感设备反馈的水下环境信息，生成相应的控制指令。优选地，还包括至少一个机械臂，所述机械臂设于所述海底爬行模块的支撑结构，并与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械臂控制指令，以实现水下作业。优选地，所述左侧翼板和所述右侧翼板上部开设有用于减少阻力的横向通孔。优选地，所述海底爬行模块的支撑结构包括上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板水平相对设置，二者之间设有多个支架；所述左侧翼板、右侧翼板垂直固定设于所述上支撑板上侧面；所述海底爬行模块包括六条机械腿，对称设于所述上支撑板和所述下支撑板的两侧，每条所述机械腿均包括依次可转动连接的腰部、大腿部和小腿部，所述腰部的一端通过一个所述支架可转动的设于所述上支撑板和所述下支撑板之间。优选地，每条所述机械腿中，所述腰部包括第一舵机，并能够在所述第一舵机的驱动下，相对于所述支撑结构在水平方向内转动；所述大腿部包括第二舵机，并能够在所述第二舵机的驱动下，相对于所述腰部在垂直方向内转动；所述小腿部包括第三舵机，并能够在所述第三舵机的驱动下，相对于所述大腿部在垂直方向内转动。优选地，所述机械腿中的小腿部前端呈楔形。本专利技术还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，包括上位机和至少一个如上述任一项所述的适用于水中巡游和海底爬行的机器人；所述上位机包括输入设备和输出设备，通过脐带缆与所述机器人的控制单元连接，用于根据使用者输入的操纵者命令，生成机器人操作指令并向所述机器人的控制单元发送；所述控制单元用于根据接收的机器人操作指令，生成相应的控制指令；所述控制单元还用于将水平方向摄像头、垂直方向摄像头拍摄的水下视频信息进行处理，并反馈至所述上位机；所述上位机用于接收所述控制单元反馈的水下视频信息，并实时显示。本专利技术还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的控制方法，采用上述的适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，包括水下巡游模式和海底爬行模式，其中，水下巡游模式包括：所述机器人获取外部环境信息并向所述上位机反馈，所述上位机接收并实时显示外部环境信息；根据外部环境信息，通过所述上位机对机器人的浮游运动进行操控，所述上位机生成机器人操作指令并向机器人的控制单元发送；机器人的控制单元根据接收的机器人操作指令，生成相应的控制指令并发送至对应的垂向推进器、水平差速推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱，控制机器人实现浮游运动；海底爬行模式包括：所述机器人将外部环境变化或机器人操作指令引起的本体内部的响应翻译成对机器人本体的高级命令；接收高级命令，将其转化为一系列的本体内部的描述量及认知图，提出机器人自身躯体的运动路径；针对躯体的运动路径给出具体的各个机械腿运动的指导控制量以及协调各个机械腿的运动；根据给出的指导控制量来规划合理的运动路径，最终通过机械腿来实现该运动，并对由于系统的动力学不确定性和干扰造成的误差进行校正。本专利技术的上述技术方案具有如下优点：本专利技术提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，该机器人包括水中巡游模块和海底爬行模块，既可在海洋中快速巡航，也可在海底稳定爬行，兼具巡游式水下机器人高效、大范围活动的机动能力以及海底爬行机器人的精确移动作业能力和抗洋流稳定能力，具有稳定性高、能耗低、环境适应性强的特点，能够满足在复杂海底环境下近距离精确、稳定观测、取样、打捞搜救等应用需求。本专利技术还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，该系统包括通过脐带缆连接的上位机和上述机器人，通过上位机可根据机器人反馈的信息，操作机器人在水中巡游或在海底爬行，执行各种水下作业等任务。本专利技术还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人控制方法，该方法可用于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，其特征在于：包括水中巡游模块和海底爬行模块；所述水中巡游模块包括左侧翼板、右侧翼板、前水平密封舱、后水平密封舱、电子舱、垂向推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱和水平差速推进器；所述左侧翼板和所述右侧翼板平行相对设置；所述前水平密封舱、所述后水平密封舱间隔设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间；所述前水平密封舱为透明结构，其内部设有前水平密封舱电池组、水平方向摄像头和水平方向照明灯，所述后水平密封舱为透明结构，其内部设有后水平密封舱电池组、垂直方向摄像头和垂直方向照明灯；所述电子舱、所述垂向推进器设于所述前水平密封舱和所述后水平密封舱之间；所述电子舱内设有控制单元，所述控制单元与所述垂向推进器、所述前水平密封舱和所述后水平密封舱均电连接，用于生成相应的控制指令并发送；所述垂向推进器用于接收并执行所述控制单元发送的垂向移动控制指令，以实现驱动所述机器人上浮或下潜；所述左纵向吸排水舱、所述右纵向吸排水舱均通过纵向吸排水舱卡扣分别卡设于所述左侧翼板、所述右侧翼板的外侧；所述左纵向吸排水舱和所述右纵向吸排水舱均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的吸排水控制指令，以实现向舱内吸水或向舱外排水；所述水平差速推进器包括左纵向推进器和右纵向推进器，所述左纵向推进器和所述右纵向推进器对称设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间，位于所述后水平密封舱后方；所述水平差速推进器与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的水平移动控制指令，以实现驱动所述机器人前进、后退和转向；所述海底爬行模块包括支撑结构和多条机械腿；所述水中巡游模块设置于所述支撑结构上，所述支撑结构对应所述垂向推进器的位置开设有第一引流孔第一垂向通孔；各条所述机械腿围绕所述支撑结构设置，一端与所述支撑结构可转动地连接；每条所述机械腿均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械腿移动控制指令，以实现移动所述机械腿行走。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，其特征在于：包括水中巡游模块和海底爬行模块；所述水中巡游模块包括左侧翼板、右侧翼板、前水平密封舱、后水平密封舱、电子舱、垂向推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱和水平差速推进器；所述左侧翼板和所述右侧翼板平行相对设置；所述前水平密封舱、所述后水平密封舱间隔设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间；所述前水平密封舱为透明结构，其内部设有前水平密封舱电池组、水平方向摄像头和水平方向照明灯，所述后水平密封舱为透明结构，其内部设有后水平密封舱电池组、垂直方向摄像头和垂直方向照明灯；所述电子舱、所述垂向推进器设于所述前水平密封舱和所述后水平密封舱之间；所述电子舱内设有控制单元，所述控制单元与所述垂向推进器、所述前水平密封舱和所述后水平密封舱均电连接，用于生成相应的控制指令并发送；所述垂向推进器用于接收并执行所述控制单元发送的垂向移动控制指令，以实现驱动所述机器人上浮或下潜；所述左纵向吸排水舱、所述右纵向吸排水舱均通过纵向吸排水舱卡扣分别卡设于所述左侧翼板、所述右侧翼板的外侧；所述左纵向吸排水舱和所述右纵向吸排水舱均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的吸排水控制指令，以实现向舱内吸水或向舱外排水；所述水平差速推进器包括左纵向推进器和右纵向推进器，所述左纵向推进器和所述右纵向推进器对称设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间，位于所述后水平密封舱后方；所述水平差速推进器与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的水平移动控制指令，以实现驱动所述机器人前进、后退和转向；所述海底爬行模块包括支撑结构和多条机械腿；所述水中巡游模块设置于所述支撑结构上，所述支撑结构对应所述垂向推进器的位置开设有第一引流孔第一垂向通孔；各条所述机械腿围绕所述支撑结构设置，一端与所述支撑结构可转动地连接；每条所述机械腿均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械腿移动控制指令，以实现移动所述机械腿行走。2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述垂向推进器设于所述机器人中心位置处；所述电子舱设于所述垂向推进器前侧。3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述水中巡游模块还包括水下传感设备，设于所述电子舱内，并与所述控制单元电连接，用于探测水下环境信息并向所述控制单元反馈；所述控制单元根据所述水下传感设备反馈的水下环境信息，生成相应的控制指令。4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：还包括至少一个机械臂，所述机械臂设于所述海底爬行模块的支撑结构，并与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械臂控制指令，以实现水下作业。5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述左侧翼板和所述右侧翼板上部开...

【专利技术属性】
技术研发人员：果立成，郝留磊，孙锐坚，孙新杨，李宇琨，万育麟，贾鹏飞，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23