一种跨介质机器人的混合驱动控制方法及跨介质机器人技术

本发明专利技术涉及一种跨介质机器人的混合驱动控制方法及跨介质机器人。跨介质机器人的混合驱动控制方法包括：计算振动头电机功率，游动状态下鱼鳍部件展开，蠕动部件摆动；获取振动头电流环的电流值，判断机器人头部是否接触砂土；若未接触，机器人保持游动状态；若接触，控制机器人振动头的驱动力，切换机器人至蠕动状态，鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动。跨介质机器人包括振动部件、鱼鳍部件、蠕动部件，具有鱼鳍摆动与尾部螺旋、振动头振动与尾部螺旋两种混合驱动模式，形成了蠕动运动和游动运动状态，保证机器人在海底能够穿过不同介质的海水和砂土，同时增强机器人在海底作业的隐蔽性，控制方法计算量低，跨介质机器人成本低，混合驱动切换过程快速。切换过程快速。切换过程快速。

【技术实现步骤摘要】
一种跨介质机器人的混合驱动控制方法及跨介质机器人


[0001]本专利技术实施例涉及特种机器人控制领域，特别涉及一种跨介质机器人的混合驱动控制方法及跨介质机器人。

技术介绍

[0002]无人水下机器人作为特种机器人的重要门类，是为承担海底打捞、光缆铺设、探测侦察等任务需求开发的特种机器人装备，需要具备强大的功能性、足够的通过性和适当的隐蔽性。目前，水下无人潜航机器人构型以固定弹形为主，小部分支持翼面折叠，现有的水下无人潜航机器人自身形态变化空间有限，兼容水面人工投放或舰艇弹射投放方式，但是较少有机器人能够具备水中跨介质能力。
[0003]在水下通过性方面，在水下侦查作业中，由浅海转为深海、由远海转为近海的总体需求下，机器人系统作业轨迹遭遇砂石阻断的现象时有发生，而现有技术中的水下机器人只能通过上浮或者绕行的方式绕过介质，因此，在海底光缆原位检修和沉船打捞钢缆洞钻取等作业中，现有技术缺乏轻巧、便捷的水下跨介质机器人装备，以便穿越海底淤泥质或亚砂土层是水下机器人的研究热点。除通过不同介质外，在机器人隐蔽性方面，潜航过程中为增强隐蔽性或躲避恶劣海况，现有构型机器人可采取关闭动力、利用礁石遮挡等方式，而上述方式无法从各个角度躲过信号器探测，且在躲避过程中无法行进，现有技术中缺少能够利用水下丰富的环境特征掩盖轨迹和行为特征的方式。
[0004]现有技术如CN112693268A公开了一种基于空气润滑的仿生水陆两栖型机器人，其利用空气润滑技术实现两栖机器人跨介质运动。然而，该现有技术中的介质分别是冰上和水下，跨介质的方式是利用压缩气体的驱动力冲出冰面，无法实现水下砂土等区域的穿行；现有技术如CN 111422334A公开了一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，利用仿生波动鳍在水下自由行进，然后该机器人在遇到水下砂土等障碍物时主要采取转弯、上浮下潜的方式进行绕行。综上所述，现有技术中水下机器人对于砂土等跨介质障碍物，以绕行为主进行避障，无法，难以实现水下跨介质前行，同时也无法利用砂土的特点对自身行踪进行隐藏。
[0005]现有技术水下机器人姿态及路径控制方法中，均需建立复杂的机器人模型，并利用多传感器对水下环境信息进行检测，通过复杂的模型求解过程获得姿态控制方式。水下机器人姿态切换控制过程计算量大，系统成本高。
[0006]因此，亟需一种能够实现快速、低成本快速切换水下机器人驱动方式的控制方法及跨介质机器人。

技术实现思路

[0007]本专利技术实施方式的目的在于提供成本低、计算量小、能够实现水下同时在水中和砂土中行进的跨介质机器人混合驱动控制方法及跨介质机器人。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的实施方式提供了一种跨介质机器人的混合驱动控
制方法，其特征在于，具体包括：获取目标海区水文数据，计算区域海床砂土的安全系数，根据安全系数计算区域液化概率，以获得砂土液化所需的振动头电机功率；跨介质机器人入水运动，控制跨介质机器人进入游动状态，游动状态下控制鱼鳍部件展开，蠕动部件摆动，从而使跨介质机器人按照预设轨迹行进；获取振动头电流环的电流值，根据电流值判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部未接触砂土，控制跨介质机器人保持游动状态，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部接触砂土，根据计算得到的振动头电机功率控制跨介质机器人振动头的驱动力，切换跨介质机器人至蠕动状态，蠕动状态下鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土。
[0009]优选的，鱼鳍部件包括设于机器人壳体两侧的左、右鱼鳍，游动状态下左、右鱼鳍展开，蠕动状态下左、右鱼鳍收起；蠕动部件包括设于机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链，游动状态下，驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动，实现海底行进和转弯；蠕动状态下，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动。
[0010]优选的，分析系统电流
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力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算高频清晰的电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系进行碰撞检测。
[0011]优选的，收集环境参数，计算波压；根据波压计算上层波浪引起的浅层海床砂土震荡剪切应力，及海底土壤周期应力比；根据浅层海床砂土震荡剪切应力和海底土壤周期应力比计算出区域海床砂土的安全系数；根据不同波浪等级、海床沙土组成、海水深度和主动振动强度条件下的海床砂土安全系数，从而计算区域液化概率，获得振动头电机功率。
[0012]优选的，蠕动状态下，计算跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深区间，根据砂土埋深区间控制蠕动部件的驱动力，在砂土埋深区间内蠕动行进。
[0013]优选的，建立跨介质机器人在水下砂土环境中作业的简化力学模型；计算液化区域单位长度物体所受浮力；根据物体重量、土压、水重等参数，计算出液化区内物体实际所受浮力；以不同环境下最大推进比作为优化目标，获得跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深的合理区间。
[0014]本专利技术还提供一种跨介质机器人，跨介质机器人用于水下摆动和蠕动前行，跨介质机器人包括：振动部件、蠕动部件、鱼鳍部件、驱动部件和壳体；振动部件包括设于跨介质机器人头部的振动头、设于下壳体的振动电机和传动密封组件，跨介质机器人头部设有电流环，根据电流环检测到的电流值控制振动头在振动电机的驱动下径向周期振动，从而使跨介质机器人头部接触的砂土液化，形成振动液化区；蠕动部件包括设于跨介质机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链、螺旋连接器和蠕摆动驱动电机，驱动螺旋通过螺旋连接器固定连接于机器人尾部，蠕动链拼接成形后套设在驱动螺旋上，由驱动螺旋带动做摆动和蠕动动作。
[0015]优选的，电流环根据动态阈值检测识别前方是否存在砂土障碍，具体包括：分析系统电流
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力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系判断前方是否存在砂土障碍。
[0016]优选的，机器人在砂土中前进时，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动，向后推动海水，从而使机器人整体前进；在海底水域中行进时，蠕摆动驱动电机使驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动。
[0017]优选的，鱼鳍部件包括设于壳体两侧的左、右鱼鳍，鱼鳍部件还包括微型舵机和传动密封组件，在机器人壳体的两侧对称装有左鱼鳍和右鱼鳍，用于机器人在水中行进时方向与姿态的调整控制，当机器人头部与砂土相接触时，左鱼鳍和右鱼鳍摆动至贴紧壳体的位姿，确保机器人顺利通过前部振动头所形成的振动液化区。
[0018]本专利技术实施方式相对于现有技术而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述跨介质机器人的混合驱动控制方法具体包括：获取目标海区水文数据，计算区域海床砂土的安全系数，根据安全系数计算区域液化概率，以获得砂土液化所需的振动头电机功率；跨介质机器人入水运动，控制跨介质机器人进入游动状态，游动状态下控制鱼鳍部件展开，蠕动部件摆动，从而使跨介质机器人按照预设轨迹行进；获取振动头电流环的电流值，根据电流值判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部未接触砂土，控制跨介质机器人保持游动状态，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部接触砂土，根据计算得到的振动头电机功率控制跨介质机器人振动头的驱动力，切换跨介质机器人至蠕动状态，蠕动状态下鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土。2.根据权利要求1所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，鱼鳍部件包括设于机器人壳体两侧的左、右鱼鳍，游动状态下左、右鱼鳍展开，蠕动状态下左、右鱼鳍收起；蠕动部件包括设于机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链，游动状态下，驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动，实现海底行进和转弯；蠕动状态下，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动。3.根据权利要求1所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述根据电流值判断跨介质机器人头部是否接触砂土，具体包括：分析系统电流
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力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算高频清晰的电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系进行碰撞检测。4.根据权利要求1所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述获得砂土液化所需的振动头电机功率，具体包括：收集环境参数，计算波压；根据波压计算上层波浪引起的浅层海床砂土震荡剪切应力，及海底土壤周期应力比；根据浅层海床砂土震荡剪切应力和海底土壤周期应力比计算出区域海床砂土的安全系数；根据不同波浪等级、海床沙土组成、海水深度和主动振动强度条件下的海床砂土安全系数，从而计算区域液化概率，获得振动头电机功率。5.根据权利要1所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述跨介质机器人的混合驱动控制方法还包括：蠕动状态下，计算跨...

【专利技术属性】
技术研发人员：陶永，高赫，张宇帆，韩栋明，刘海涛，万嘉昊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：