CN103998186A - 具有行走及游泳的复合移动功能的多关节海底机器人及海底探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及使用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统，与现有的以螺旋桨方式获得推力的海底机器人不同，多关节海底机器人利用由多个关节形成的腿接近海底面，并以步行与游泳的方式移动。根据本发明的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统，包括：能够进行复合移动的多关节海底机器人；缓冲器；及指挥船。上述指挥船存储从上述海底机器人接收的水中状态数据，监视并控制海底机器人的移动方向。上述缓冲器利用第一电缆与指挥船相连接，上述多关节海底机器人利用第二电缆与缓冲器相连接，第一电缆的阻力施加至缓冲器，并不向海底机器人传递。

Description

具有行走及游泳的复合移动功能的多关节海底机器人及海底探测系统

技术领域

本发明涉及具有步行与游泳的复合移动功能的多关节海底机器人及利用该多关节海底机器人的海底探测系统，更详细地，涉及与现有的以螺旋桨方式获得推力的海底机器人不同，利用由多个关节形成的腿接近海底面，并以步行与游泳的方式移动的新概念的能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统。

背景技术

大海的平均水深为3800m，占在地球生命可生存的空间的99％，深海占该空间的85％，但人类甚至连深海的1％也未能观察到。并且，地球上的未被发现的生命的种类推算为1000万～3000万种，而到目前为止只发现了140万种。目前未被发现的大多数的种类生存在大海里。这反证了在过去的25年间在深海中平均每两周发现一种新的生命的事实。并且，随着陆地资源的枯竭，深海石油及煤气钻探工程从2002年总石油生产量的2％到2009年的8％，每年都在增长，且预计在2015年达到15％。2009年，韩国的国土海洋部与4家民间企业构成了“海底热液矿床开发事业团”，并计划在2012年以后正式在汤加矿区着手商业开发。像这样，海洋虽然具有巨大的探测的价值，但危险的海洋环境不允许人类轻易接近海底。无人海底机器人作为对这种问题的一种应对方案而被开发，到目前为止被全世界广泛利用，其利用范围也在逐渐扩大。根据作用，海底机器人可分为主要探测广阔区域的自律无人潜水艇以及在相对狭窄的区域执行精密作业的远程无人潜水艇(ROV)，而大部分的海底机器人使用螺旋桨作为推进装置利用。螺旋桨作为水中推进器使用了很长时间，很好地确立了对其推进原理的理论，在特定区域中的效力也高。但韩国的西海岸作为潮涨落之差较大、潮流较强且能见度并不好的特殊区域，利用通常所使用的螺旋桨推进方式的海底机器人很难进行海底精密作业。并且，在对由沉积土形成的深海进行精密现场勘查的情况下，螺旋桨的流动引起的海底的搅乱也会成为问题。

还具有借助不同于螺旋桨的形态的海底机器人而利用无限轨道的方法和利用多条腿的方法。作为仿生研究的一环，曾经开发过龙虾机器人[Joseph，A.(2004)."Underwater walking"，Arthropod Structure&DevelopmentVol33，pp347-360.]。由此，分析了龙虾的机构学结构与步态，并体现了基于人工肌肉促动器与指令神经元的中央控制器。相比于实际工作用，上述机器人将焦点放在了识别仿生及研究步行方面。并且，曾经以勘擦海岸线为目的研究过水陆两用六腿步行机器人[Tanaka，T.，Sakai，H.，Akizono，J.(2004)."Design concept of a prototype amphibious walking robot forautomated shore line survey work"，Oceans'04MTS/IEEE Techno-Ocean'04，pp834-839.]。通过上述机器人开发了防水型水中关节，并经过多次改善机器人，实现了轻量化。但由于将焦点放在向水中扩散陆地机器人，因此并没有实现流体力学观点的积极接近。另一方面，虽然开发过以利用踏板进行步行与游泳的方式设计的具有六个踏板的水陆两用机器人，但各个踏板作为一字流度的单纯的形态，并不是多关节多腿机器人的形态[Christina，G.，Meyer，N.，Martin，B.，"Simulation of an underwater hexapod robot，"Ocean Engineering，Vol36，pp39-47，2009，Theberge，M.and Dudek,G.，"Gone swimming[seagoing robots]"，IEEE spectrum，Vol43，No6，pp38-43，2006.]。

海底机器人(underwater robot)也可称为无人潜水艇(UUV，unmannedunderwater vehicle)，大致可分为自律无人潜水艇(AUV)与远程无人潜水艇(ROV)。自律无人潜水艇主要使用于几百米至几百千米区域的科学勘擦或探测。到目前为止所开发的大部分的自律无人潜水艇使用为科学勘察或军事用目的。远程无人潜水艇由于几十厘米以下的位置精密度而使用于海底勘察或精密作业。远程无人潜水艇适用于包括埋设海底电缆在内的海底管道、海底结构物的保修等多种作业。

以如下方式简要说明远程无人潜水艇的利用领域。第一，防止由沉船的探测、打捞作业及沉船引起的油类流出工作，第二，海洋科学勘察与海洋资源的探测及开发，第三，海底结构物的设置、勘察支援及维护，第四，探测水雷、清除水雷等军事目的。

海底作业用远程无人潜水艇大致通过两种形态获得移动性。第一，虽然螺旋桨方式对自律无人潜水艇之类的巡航型潜水艇有效果，但对于要求精密作业的远程无人潜水艇而言，不容易获得控制稳定性。这是因为在水中作用于远程无人潜水艇的流体力为非线性，推力也内在有非灵敏区、应答延迟、饱和等的强的非线性。尤其，在暴露于如韩国西海岸的潮流之类的强潮流的情况下，难以确保姿势稳定性与移动性，由此难以获得位置精密度、操作精密度以及鲜明的超声波影像，因而存在诸多不能进行海底作业的情况。潮流的方向在一天内改变四次，而基于潮流的韩国西海岸的最大流速可达到3节至7节。在强潮流环境下，利用螺旋桨的现有的潜水艇必然具有不稳定的操纵性与高的耗能等问题。

第二，无限轨道形态的推进方式具有难以在不规则的海底地形或障碍物区域行驶，在行驶方式特性上搅乱海底的缺点。由于海底始终存在沉船、渔场、绳索及废弃渔网等各种障碍物与暗礁、软弱地基等海底地形的制约条件，因此在无限轨道方式的行驶方面存在困难。并且，在海底勘察的情况下，存在诸多在没有被搅乱的环境下以将搅乱最小化的方式组成的现场勘察(in-situ survey)，但存在很难使用于这种用途的问题。

重新整理现有海底作业的技术界限如下。

安全性问题

在潜水员直接参与作业的情况下，存在包括潜水瓶在内的多种危险因素引起的安全问题。

作业时间问题

在21m的水深中，在没有减压的情况下潜水员能够工作的时间限制为30分钟，而在40m的水深中为5分钟。

潮流问题

一天内潮流的方向改变四次，韩国西海岸的基于潮流的最大流速达到3节到7节。不仅对于潜水员，对于海底机器人而言，潮流也是最难克服且危险的对象。在强潮流环境下，利用螺旋桨的现有的潜水艇必然具有不稳定的操纵性与高的耗能等的问题。

低能见度问题

西海的特性之一为恶劣的能见度。虽然根据区域与时间有所差异，但能见度仅为20～30cm的地方也很多。

障碍物与不规则的海底地形问题

海底始终始终存在沉船、渔场、绳索及废弃渔网等各种障碍物与暗礁等不规则的海底地形，因此妨碍潜水员与海底机器人的工作，甚至威胁生命。

环境干扰问题

螺旋桨或链轮方式的海底机器人必然会搅乱海底面。在进行海底勘察的情况下，存在诸多需要在没有搅乱的环境下进行的勘察。

在现有的浅海区海底作业技术中，利用机器人(无人潜水艇)的技术的最大局限可归纳为强潮流和低能见度的克服。HEMIRE(L3.3m×W1.8m×H2.2m)的情况下，在2节的潮流中受到约200kg的阻力，而200m长度的直径为20mm的电缆受到约240kg的阻力。为了克服这些问题，增加推力由于会引起全体重量与大小的增加，因此不能成为根本的解决办法。

发明内容

技术问题

本发明的一目的在于，作为弥补以往螺旋桨方式或无限轨道方式的问题的方法，提供能够进行复合移动的多关节海底机器人及利用该多关节海底机器人的海底探测系统。

本发明的另一目的在于，提供在因螺旋桨的流动而容易被搅乱的海底的沉积土中，以不会搅乱环境的方式执行海底作业的具有游泳与步行功能的能够进行复合移动的多关节海底机器人及利用该多关节海底机器人的海底探测系统。

解决问题的手段

用于实现上述一目的的本发明实施例的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统，其特征在于，包括能够进行复合移动的多关节海底机器人、缓冲器及指挥船，上述指挥船存储从上述海底机器人接收的水中状态数据，监视并控制海底机器人的移动方向，上述缓冲器利用第一电缆与上述指挥船相连接，上述多关节海底机器人利用第二电缆与缓冲器相连接，第一电缆的阻力施加至缓冲器，并不向海底机器人传递。

优选地，本发明的特征在于，上述多关节海底机器人包括：第一交换集线器，用于交换多个信号；光纤转换器，将接收信号转换为光信号；计算机，与上述第一交换集线器相连接，用于处理输入信号及输出信号；与上述计算机相连接的RS232、RS485、通用串行总线及控制器局域网装置；第二交换集线器，一端与上述第一交换集线器相连接，另一端与多个网络摄像机相连接；视频编码器，一端与上述第一交换集线器相连接，另一端与多个模拟摄像机相连接；前视声呐(Forward Looking Sonar：FLS，20)或前方扫描声呐，与上述第一交换集线器相连接，以扫描前方的方式拍摄并传输影像信号；以及超声波摄像机，与上述第一交换集线器相连接，拍摄并传输前方影像。

并且更优选地，本发明的特征在于，上述缓冲器包括：交换集线器，交换多个信号；光纤转换器，与上述交换集线器相连接，将通过交换集线器传输的接收信号转换为光信号并向指挥船传输；计算机，处理输入信号及输出信号，上述计算机的一端与RS232相连接，另一端与上述交换集线器相连接；视频编码器，一端与多个模拟摄像机相连接，另一端与上述交换集线器相连接；以及多个网络摄像机，与上述交换集线器相连接。

并且优选地，本发明的特征在于，上述指挥船包括：第一光纤转换器及第二光纤转换器，上述第一光纤转换器及第二光纤转换器的一端与多个计算机相连接，另一端传输光信号；上述第一光纤转换器及第二光纤转换器分别与上述海底机器人的光纤转换器及上述缓冲器的光纤转换器相连接。

优选地，本发明的特征在于，上述多关节海底机器人包括：流线形的本体；由多个关节构成的多关节步行腿，在上述本体的左右侧分别以每一对的方式安装多个上述多关节步行腿；控制单元，安装于上述本体内；步行腿驱动单元，受到上述控制单元的控制，并驱动上述多关节步行腿；检测单元，安装于上述本体内，用于检测本体的姿势及与外部物体之间的接触；浮力检测单元；通信单元，与外部装置收发有线/无线信号；以及控制单元，通过上述步行腿控制步行状态及在水中的游泳状态。

并且，优选地，上述浮力检测单元以-10kg至+10kg范围对上述海底机器人的重量进行可变调节，上述多关节步行腿中前方侧的两条步行腿具有夹具，以选择性地拥有机器人手臂功能。

发明的效果

本发明的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统利用与螺旋桨推进完全不同的新概念的由六条腿构成的海底机器人，从而使海底机器人能够以紧贴海底的方式移动，利用姿势及运动检测传感器维持姿势并克服潮流，在海底游泳及步行，并实时经由缓冲器，借助有线/无线通信单元向地上的指挥船传输通过海底机器人的海底数据，因而具有能够在浅海及深海进行海底探测的效果。

并且，本发明的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统将超声波影像设备搭载于海底机器人，由此在浊度高的水中也能进行探测，两条前腿能够用作机器人手臂，因而具有在浅海及深海有效地执行海底探测的效果。

附图说明

图1a及图1b为涉及本发明的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统的简要概念图。

图2为简要示出本发明实施例的能够进行复合移动的多关节海底机器人的立体图。

图3为本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人的框结构图。

图4为表示利用本发明的海底机器人的概念设计，通过计算流体力学(CFD)方法推断对放置于具有流速的流体中的海底机器人施加的压力的分布的模拟状态的附图。

图5为表示本发明的能够进行复合移动的多关节手动机器人的水中连杆的矢量图与连杆坐标系。

图6作为概念性地表示对流体流动的姿势的补偿的附图，分别为表示低流速、高流速及后侧流速状态的附图。

图7为本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人的流体力对应姿势补偿概念图。

图8为本发明优选实施例的利用多关节海底机器人的海底探测系统的具体的框结构图。

图9为表示本发明优选实施例的多关节海底机器人的机械腿的关节部分的详细图。

图10为由本发明优选实施例的多关节海底机器人的电动马达与谐波减速器形成的耐压放水关节结构的一部分侧面剖视图。

图11为表示本发明优选实施例的机器人手臂兼用腿的关节部分的详细图。

图12为示出本发明优选实施例的机械腿及机器人手臂兼用腿的机构学结构的附图。

具体实施方式

参照附图与详细后述的实施例使本发明的优点、特征以及实现这些优点和特征的方法更加明确。但是，本发明并不局限于以下所公开的实施例，而是能够以互不相同的各种实施方式实现，本实施例仅仅使本发明的公开更为完整，且为了向本发明所属技术领域的普通技术人员提供更加完整的发明范畴而提供，并根据发明要求保护范围而定义。说明书全文中相同的附图标记指称相同的结构要素。

参照以下附图对本发明优选实施例的能够进行复合移动的多关节海底机器人进行详细说明如下。

图1a及图1b为涉及本发明的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统的简要的概念图。

参照图1a，本发明的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统1000呈现能够进行复合移动的多关节海底机器人100到达200m的海底并进行步行的状态，上述多关节海底机器人100利用第二电缆240与缓冲器200相连接，缓冲器200利用第一电缆220与指挥船300相连接。第一电缆220的阻力施加至缓冲器200，并不向海底机器人100传递。

利用上述能够进行复合移动的200m探测式多关节海底机器人100的海底探测系统1000是为了将强潮流环境中对系缆产生作用的流体力对机器人产生的影响最小化而设置缓冲器(depressor)200并运用的概念。上述海底探测系统1000具有如下两种任务。

海底结构物或沉船的勘察·观察

在强潮流环境中以紧贴于海底的方式移动，从而接近海底结构物或沉船等，并利用光学及音响设备来勘察·观察存在于低能见度海底环境的结构物。

利用机器人手臂执行为了勘察·观察海底结构物或沉船而所需的切断金属线、磨削、钻孔等工作。

勘察浅海区海洋科学

在200m以内的海底环境中，以多腿步行的方式移动，从而将海底的搅乱最小化，取得海洋物理、化学、生物及地质等研究所需的科学勘察数据。

在200m以内的海底中采取科学勘察所需的生物、土壤、海水等样品。

参照图1b，呈现了作为本发明的另一实施例的能够以复合移动的方式探测6000m的深海用海底探测系统1000-1到达海底6000m，进行游泳并步行的状态，上述多关节海底机器人100-1利用电缆与缓冲器200相连接，缓冲器200利用电缆与指挥船300相连接。缓冲器200与多关节海底机器人100-1能够进行有线通信或无线通信。

利用上述能够进行复合移动的6000m探测用多关节海底机器人100的海底探测系统1000为假设几乎没有潮流的深海环境而研究，但为了将系缆的重量对机器人产生的影响最小化而设置缓冲器200并运用的概念。深海用多关节海底机器人为了最小化对沉积层的搅乱，并为了防止机器人的腿陷于海底土壤，具有浮力调节功能。上述海底探测系统1000具有如下的两种任务。

深海海洋科学勘察

在由沉积土形成的软弱地盘的深海底环境中，最小化海底搅乱，并取得海洋物理、化学、生物及地质等的研究所需的科学勘察数据。

在6000m为止的海底中采取用于科学勘察所需的生物、土壤及海水等样品。

长期精密的海底勘察

近距离精密探测海底热液矿床等不规则的海底地形。

在无线自律控制模式下，以没有缓冲器的方式单独运用，并一边最小化能量，一边长期观测指定区域。

本发明借助与现有的螺旋桨式的潜水艇不同的新概念的海底机器人克服现有的界限，为此，公开了如图2所示的能够进行复合移动的多关节海底机器人。现有技术提及的现有的界限利用如下概念克服。

关于安全性，在潜水员直接作业可存在危险的环境下，利用海底机器人代替潜水员。

关于作业时间，通过利用海底机器人来克服潜水员的潜水时间的界限。

对于潮流，机器人以紧贴于海底的方式维持抓地力变大的姿势，由此克服潮流，并在海底机器人100与指挥船300之间放置缓冲器200，由此减少施加于电缆的潮流力对海底机器人100产生的影响。

关于低能见度，使用受较小的浊度影响的多种超声波影像装置，光学摄像机使用为接近确认用。

关于障碍物与不规则海底地形，以防止与障碍物缠绕的方式利用多腿落在海底，维持静态稳定性，并在不规则的海底地形中也利用多关节腿来维持所需的本体的姿势且进行步行移动。

关于环境干扰，利用海底步行的方法移动及工作，以最小化对海底的搅乱。

定义用于开发本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人的四种核心技术，并提出技术开发的接近方法。新提出的海底机器人与以螺旋桨方式获得推力的现有的海底机器人不同，提供利用由多个关节构成的腿接近海底面，并以步行与游泳的方式移动的新概念的海底机器人。

该海底机器人的概念与螃蟹(Crab)与龙虾(Lobster)在海底面移动并工作的形态类似，因而将机器人的名称命名为“Crabster”。

本发明的海底机器人在韩国沿近海的水深为200m的海底中执行沉船探测与海洋科学探测(并且在水深为6000m的海底中执行海洋科学勘察)。尤其是能够在潮流(Tidal current)强、能见度(Visibility)差的西海岸的环境中工作，并且在沉积土中以无环境搅乱的方式具有游泳与步行功能的形态。

表1分别呈现对作为本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人的实例的图1a与图1b的简要的规格。

表1

如表1所示，腿数为步行腿四条，机器人手臂兼用腿两条。

并且本发明的海底机器人具备能够在海底探测低能见度的设备。基本规格(将腿折叠时)是长度为2.2m、宽度为1m、高度为1.1m、最大重量为300kg(包括承载荷重)、最大离地间隙为0.5m、腿数为步行腿为4DOF四条、机器人手臂兼用腿为6DOF两条，最大规格是最大步行速度为0.5m/sec(1.8km/h)、最大启动水深为200m、最大克服潮速为2节、最大电力消耗量为20kW以下。海上状态克服能力为最大作业条件为海况3、最大生存条件为海况4。低能见度探测能力可执行探测距离100m以上及10m以上两种形态。即，安装能够以100m以上的最大探测距离在海底中扫描前方的前方扫描声呐与以10m以上的最大探测距离实时提供声呐影像的超声波摄像机，由此确保低能见度环境下的能见度。控制方式使用了有线远程控制方式，电源供给利用系缆。

重新整理上述能够进行复合移动的海底机器人的所需功能。

功能

-落在海底，利用多关节多腿调节本体的姿势并进行步行移动。

-在海底安装两条工作用机器人手臂。

-为了克服低能见度而安装超声波影像设备。

-内置浊度、溶解氧、导电度、温度、深度、pH测量传感器。

-实时地远程监视海底机器人的所有信息。

-不规则地形、潮流等外乱引起的颠覆危险对应姿势的稳定化及补正步态功能。

耐压水密方式

-在200m的水深中结构稳定的耐压、水密性能。

-在旋转轴系等充油式水密的情况下，保证在绝缘油内的启动。

-对于海水与盐分引起的腐蚀的功能.

强韧性

-在海况3中工作，在海况4中生存。

-在2节的海流中移动及工作，在3节的海流中生存。

-在零下10度至零上40的温度环境下正常工作，在零下30度至75度的环境下生存。

可靠性

-能够在水中及海上连续使用24小时。

-科学勘察数据维持国际社会公认可信度。

运用便利性

-在海况3以下能够进水打捞

-安装用于操作者的便利的使用人员图形界面

-提供一部分自动功能，减轻操作者的负担

维护性

-海底机器人100与其支援装置易于分解、组装及更换设备

-确保模块化的制作、充分的剩余品

-能够使用多种指挥船，确保包装、移动及安装的容易性

扩张性

-确保用于追加设备的剩余频道的通信线与电源线

-交替安装水中作业工具的机器人手臂.

紧急情况应对功能

-在海底机器人100与远程系统的机械连接装置断开的情况下，海底机器人100利用3日以上的自身电源，将自身的水中位置以超声波的方式发送。

-确保海底机器人100在水中因过度的海底的大倾斜或瞬间海流或运用的失误而被颠覆的情况下，能够自行恢复姿势或接受远程支援装置的帮助恢复姿势的功能。

本发明的6000m探测用海底机器人虽然与200m探测用海底机器人类似，但其目的在于，在几乎没有潮流的影响且能见度较好的稳定的深海环境下执行科学勘察，因此还内置有浮力调节功能，并具有游泳功能，以使沉积土的搅乱最小化。并且，追加无线通信功能与自律控制功能，由此扩张探测的种类与方式。

在以下表2整理了对于本发明的海底机器人的水中关节结构开发的接近方法的内容。

表2

根据表2，作为水中关节结构的主要要求功能，首先，在机械领域要求耐压/水密，开发了马达/齿轮/轴承一体防水型关节模块，执行借助充油式O型环结构的旋转轴系的耐压方式结构开发。对于方式而言，适用了铝、不锈钢等耐蚀性材料，适用了绝缘油填充方式的充油式设计，并具有借助牺牲阳极设置的方式结构。并且，采纳了谐波传动减速器，变成了零回转间隙，执行了基于结构分析的最佳设计，使用了轻量高强度材料。

在电领域为了提供具有小型轻量高输出关节的海底机器人，采纳了低速高扭力无刷直流马达(BLDC)，设计了利用海水与填充油的防热结构，为了关节位置反馈，适用了霍尔传感器类型的接近限位传感器及电式绝对位置编码器。在控制领域适用了顺应性控制器设计。

在图2及图3更详细地说明本发明的多关节海底机器人的结构。

首先，图2为简要示出本发明实施例的多关节海底机器人的立体图。图2的多关节海底机器人的形态仅仅为实施例，外形能进行变形。

参照图2，多关节海底机器人100其特征在于，包括：流线形的本体110；由多个关节构成的多关节步行腿，在上述本体的左右侧分别以一对的方式安装多个上述多关节步行腿；控制单元，安装于上述本体内，通过上述多关节步行腿控制步行状态及在水中的游泳状态；步行腿驱动单元，受到上述控制单元的控制，用于生成使上述多关节步行腿驱动的驱动信号；检测单元，安装于上述本体内，用于检测本体的姿势及与外部物体之间的接触；浮力检测单元，安装于上述本体内，用于检测本体的浮力；以及通信单元，与外部装置收发有线/无线信号。

上述浮力检测单元具备用于提供浮力检测功能的浮力检测传感器，并提供能够根据检测传感器所检测的检测信号调节本体的浮力的功能。

本发明的特征在于，上述检测单元包括：姿势及运动测量传感器42、水中位置跟踪装置50以及设置于上述本体底面的力/力矩传感器43。

本发明的特征在于，包括安装于上述本体的前面，用于拍摄水中影像的拍摄单元，上述拍摄单元包括：超声波摄像机20、具有平移/倾斜功能的水中摄像机22及照明装置22a(未图示)。

本发明的特征在于，上述通信单元包括光通信调制解调器60。

本发明的特征在于，上述通信单元通过光纤维及内置电源线的第二电缆240与缓冲器相连接。

本发明的特征在于，上述本体由轻量高强度复合纤维材料制作。

并且，本发明的特征在于，上述检测单元包括力矩传感器，上述力矩传感器设置于海底机器人的前方两条腿，执行抓地检测。

在上述海底机器人100的本体110的侧面具有共六条多个多关节步行腿121、122、123(未图示)、124、125(未图示)、126，在上述本体110的两侧面分别具有两条123、124、125、126，在前方侧具有两条121、122。其中，附着于前方侧的两条多关节步行腿121、122作为机器人手臂兼用腿，执行腿与手臂的功能。各个多关节步行腿121、122、123、124、125、126分别由多个关节部(例如，121a、121b、122a、122b等)构成。

本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人100利用六条腿或四条腿进行海底步行，两条前腿也可使用为机器人手臂。四条腿123、124、125、126具有借助电动马达以能动性的方式被控制的四条关节结构，前后腿具有六个关节与一个夹具。这种概念与将焦点放在生体功能仿真的龙虾机器人和各条腿由一个关节与踏板构成的技术[Christina，G.，Meyer，N.，Martin，B.，"Ocean Engineering"，Vol36，pp39-47，2009.]差别化。并且，是以与流体力相对应的方式能动地控制姿势的新的海底机器人。

在图9至图12详细说明多关节海底机器人的腿的结构。在海底机器人移动的情况下，利用六条腿确保姿势的稳定性，并能够进行快的步行。在利用机器人手臂兼用腿工作或移动物体的情况下，利用四条腿支撑本体或步行移动。在海底机器人利用四条腿移动的情况下，虽然与由六条腿移动的情况相比，步行稳定性及速度相对降低，但在水中所需的工作与移动功能都能实现。

本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人100具有流线形的本体110与多关节结构的腿形状，以适合在强潮流环境下工作，并且，具有控制本体与腿的姿势的功能，以检测由流体力等引起的外乱，并将上述外乱的影响最小化。

之后，图3为本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人的框结构图。

参照图3，本发明包括：控制系统10，用于控制能够复合移动的多关节海底机器人100的游泳及步行过程；

前方扫描声呐20，利用超声波拍摄前方100m；

超声波摄像机20a，利用超声波实时拍摄10m的前方影像；

具有平移/倾斜功能的水中摄像机22及照明装置22a(未图示)，用于拍摄水中状态，并能够进行旋转及角度转换；

数据存储部30，用于存储在游泳及步行过程所检测的数据及所拍摄的影像数据；

姿势及运动测量传感器42，用于测量海底机器人的姿势并测量运动状态；

力/力矩传感器43，用于检测作用于海底机器人的步行腿的力与力矩；

非接触式传感器44，用于检测关节角度的限制；

速度传感器48，用于检测机器人的速度与流速；

水中位置跟踪装置50，实时地追踪并检测执行机器人的水中位置；

光通信调制解调器60，用于处理与缓冲器之间的信号的收发；

马达驱动部70，生成电动马达的驱动信号；

第一电动马达72-1至第N电动马达72-N，根据马达驱动部的信号工作；

第一减速器74-1至第N减速器74-N，根据电动马达工作，并以与关节结构相连接的方式传递马达的动作；

控制系统10，通过光通信调制解调器与缓冲器及地上指挥船收发信号，并控制传输海底机器人的游泳及步行时所收到的数据的功能；以及

电源部80，用于供给电源。

将用于抓地检测的力传感器或检测传感器安装于其他各条腿部分端部(未图示)。

本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人设置于海底，中间与缓冲器相连接，并通过缓冲器与地上指挥船相连接。地上指挥船通过海底机器人接收所拍摄的海底地形的影像信息并进行存储，并为了特定区域的探索而发送移动指令信号。

海底机器人沿着海底地面向特定区域移动，并且，当移动时能够步行或游泳。海底机器人根据潮流，通过作为检测单元的姿势传感器改变姿势(参照图6及图7)。这时，对抗从前方涌进来的潮流，采取弯曲的姿势，从而防止翻倒等的事故。当步行时，一边通过设置于多关节步行腿的作为检测单元的力矩传感器确认腿的抓地状态，一边沿着海底底面移动或停止并等待。当游泳时，将多关节步行腿的全部关节展开为一字形，并如游泳般移动。为了克服低能见度，通过作为拍摄单元的超声波摄像机、平移/倾斜水中摄像机(光学摄像机)拍摄探测区域，并以通过多波束(multi-beam)照明装置照亮前方周围的方式移动。

本发明优选实施例的能够进行复合移动的多关节海底机器人100为在六条腿共有28个关节，并以能动性的方式执行海底步行的结构。各关节借助第一电动马达72-1至第N电动马达72-N驱动。以机械、电的方式设计并控制海底机器人的关节的技术定义为水中结构技术。适用于陆地的关节结构技术以能够适用于存在水压的海水中的方式进行了扩张或重新设计。

上述关节结构是指如图2所示的分别构成于本发明的多关节连杆海底机器人的六条腿的关节结构，各条腿通过四个关节相连接，前方两条腿利用六个关节相连接。与前方两条腿相连接的关节分别兼有机器人手臂的作用。

各关节结构由关节驱动马达、谐波减速器、关节角度传感器及关节限位传感器构成。为了获得小型轻量低速高扭矩，关节驱动马达使用无架无刷直流马达设计耐压防水外壳，并安装于关节驱动马达的内部。耐压防水外壳利用O型环进行了水密。为了使关节的反弹最小化，获得适当的减速比，采纳了谐波传动减速器。并且，可将提供绝对角度的电编码器安装于关节的减速器输出侧，从而获得关节的绝对角度。为了安全，在关节角度界限安装了磁形式的接近开关。图10呈现了这种关节结构。

作用于海底机器人的流体力的分析及造型

对作用于本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人的流体力进行观察。由于水为具有空气密度的1000倍密度的流体，因此工作在水中环境的海底机器人具有不可忽视流体力的动力学特性。在本发明中，适用分析系统(ANSYS)等数值计算工具的计算流体力学(CFD，computational fluid dynamics)方法作为流体力的分析方法。

图4为表示利用本发明的海底机器人的概念设计，通过计算流体力学方法推断对放置于具有流速的流体中的海底机器人施加的压力的分布的模拟状态的附图。通过这种过程，可根据姿势与流体方向计算并分析作用于海底机器人的流体力。

在图4，由步行腿中的机器人手臂兼用腿121a、121b、122a、122b、其余右侧步行腿124a、124b、126a、126b及左侧步行腿123a、123b、125a、125b构成。

图5为表示本发明的能够进行复合移动的多关节手动机器人的水中连杆的矢量图与连杆坐标系。

参照图5，在具有流速的水中利用多关节多腿进行步行或游泳的情况下，需要考虑流体力的关节的路径规划与控制，而为此必须先行的就是作用于腿连杆的流体力的造型。水中机器人手臂的动力学式能够以将流体力添加于陆地的机器人手臂动力学式的方式，以如数学式1的方式表示。

数学式1

$M\left(q\right)\stackrel{\·\·}{q}+C(q,\stackrel{\·}{q})+D(q,\stackrel{\·}{q})+G\left(q\right)=\mathrm{\τ}$

在此，M为包括附加质量的惯性矩阵，C为科里奥利力与离心力，D为流体阻力及扬力，G为浮力与重力，τ为关节扭矩。流体阻力与扬力成为根据关节的角度、关节角速度、流体的速度及连杆的形象的流体力系数的函数。为了对此进行定义，首先将连杆切开为薄的圆板，并以近似的方式表现作用于各圆板的流体力，从而借助这些积分使作用于连杆的流体力近似化。若将海底机器人的连杆的坐标、速度及力矢量图以如图5的方式进行定义，则作用于第j个连杆的流体阻力可相对于第i个坐标以如数学式2的方式近似地进行表示。

数学式2

$f_{\mathrm{Dj}}^i=-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{\∫}_0^l{C}_{\mathrm{Dj}}\left({\mathrm{\σ}}_j\right)d_{\mathrm{pj}}\left|\right|v_j^n{}_i\left|\right|v_j^n{}_i\mathrm{dl}$

在此，C_Dj为第j个连杆的二次元流体阻力系数，σ_j为第j个连杆的圆板的速度矢量与流体速度矢量之间的角度。d_pj为将圆板射影于ⁱVⁿ _i作为直角的矢量的长度。ⁱVⁿ _i为对第j个连杆的长度方向成直角的圆板的并进速度成分。由此，作用于第i个关节的流体力扭矩能够考虑圆板的位置矢量ⁱr_j，以如下数学式3的方式表示。

数学式3

$n_{\mathrm{Dij}}^i=-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{C}_{\mathrm{Dj}}\left({\mathrm{\σ}}_j\right)d_{\mathrm{pj}}{\∫}_0^{l}r_j^i\×\left|\right|v_j^n{}_i\left|\right|v_j^n{}_i\mathrm{dl}$

若以关节角速度矢量表示决定这些流体力与流体力扭矩的速度矢量ⁱVⁿ _i，则能够获得一般化扭矩，并能以近似的方式求得数学式1的流体阻力项D。

流体力最佳步行路径规划

若以将在水中作用于连杆的流体力最优化的方式规划路径，则能够提高步行或游泳所消耗的能量的效率。与在空气中相比，由于在水中承受达1000倍的流体力，因此将使流体力最优化，使系统的效率提高作为另一个的核心技术进行定义。对于步行而言，以在步态的规划中考虑流体力的方式利用剩余自由度，而对于游泳而言，规划关节的角度与速度，以使借助施加至关节的流体力而发挥作用的本体的推进力最大化。能够以如下方式定型这种流体力最优步行路径规划的问题。即，满足由以下数学式4给出的以下的不等式条件，满足根据步态给出的关节制约条件，并求得将作用于在水中移动的腿的如数学式5的流体力目的函数g为最小化的关节路径参数。

数学式4

θ_i，min≤θ_i≤θ_i，max(i＝1.….n)

${\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{i,\min }\≤{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_i\≤{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}_{i,\max }(i=1.\·\·\·.n)$

${\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{i,\min }\≤{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_i\≤{\stackrel{\·\·}{\mathrm{\θ}}}_{i,\max }(i=1.\·\·\·.n)$

τ_i，min≤τ_i≤τ_i，max(i＝1.….n)

数学式5

$g={\∫}_0^T\left|\right|D\left(C_{D,q.\stackrel{\·}{q}}\right)\left|\right|$

控制应对外力的姿势补偿

不同于螺旋桨方式，由于在潮流中维持稳定的姿势为CRABSTER的主要概念，因此将用于应对潮流之类的外力的姿势补偿控制技术定义为核心技术。

图6作为概念性地表示对流体流动的姿势的补偿的附图，分别为表示低流速、高流速及后侧流速状态的附图。

图7为本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人的流体力对应姿势补偿概念图。

作为在存在海流的大海中用于维持因海流而颠覆或不被吹走并维持稳定的姿势的接近方法，导入如图6所示的龙虾的姿势补偿方法。龙虾根据流速的大小与方向变化姿势并调节抓地力。若可以通过在上述所述的计算流体力学分析方法获得按本体的不同姿势获得的扬力与阻力，则能够由此导出可在海底工作的条件。机器人不被海流吹走的条件在于，借助机器人的自重与扬力而产生的抓地足尖的摩擦力大于流体阻力。即，可从图7获得与以下数学式6的关系。

数学式6

(mg+B+f_F)≤f_D+f_E，  f_F＝μf_L

在这里，m为机器人的质量，g为重力加速度，B为机器人的浮力，f_F为机器人的海底面抓地摩擦力，f_D为流体阻力，f_E为除此之外的其他外力成分，并且，μ为抓地摩擦系数，f_L为作用于机器人的扬力。在数学式6中，由于f_D与f_E为对流速与机器人姿势的函数，因此能够以满足数学式6的不等式的方式补偿姿势，从而克服潮流。为了在海底机器人实现姿势补偿功能而安装流速传感器(或速度传感器)、力/扭矩传感器,、姿势传感器(或姿势及运动测量传感器)及抓地力检测传感器(或力矩传感器)等。参照图7可以看出多关节海底机器人100利用多关节步行腿来改变姿势，从而克服潮流的模样。多关节海底机器人以将本体向前弯曲的方式应对前方的潮流。

本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人为具有六条腿，两条前腿兼机器人手臂功能。并且，本发明的能够进行复合移动的多关节海底机器人为紧贴于海底来步行移动，利用本体的形状与姿势克服潮流引起的外乱，并以稳定的姿势执行海底作业的概念的海底机器人。本发明的海底机器人的核心技术为水中关节结构、流体力的分析及造型、流体力最佳步行路径规划以及控制应对外力的姿势补偿等四种。

图8为本发明优选实施例的利用多关节海底机器人的海底探测系统的具体的框结构图。

参照图8，海底机器人100除了图3所示的结构之外，包括用于交换多个信号的交换集线器150及用于传输光信号的光纤转换器152，上述交换集线器150与计算机162、交换集线器164、视频编码器166、前视声呐(Forward Looking Sonar；FLS)20或前方扫描声呐及超声波摄像机20a，上述计算机162与RS232装置、RS485装置、通用串行总线及控制器局域网装置相连接，处理输入信号及输出信号，上述交换集线器164与多个模拟摄像机相连接。

在缓冲器200与交换集线器210、光纤转换器222、计算机230及多个网络视频编码器240及多个网络摄像机252、254相连接，上述交换集线器210用于交换多个信号，上述光纤转换器222用于传输光信号，上述计算机230用于处理输入信号及输出信号，并与RS232相连接，上述视频编码器240与多个模拟摄像机242、243、244、245相连接。

指挥船300与多个计算机331～339相连接，并包括连接上述光纤转换器322、324的交换集线器310。上述光纤转换器322与上述缓冲器200的光纤转换器222相连接，上述光纤转换器324与上述海底机器人100-1的光纤转换器152相连接。上述多个计算机表示海底机器人用计算机331、缓冲器用计算机332、视频计算机333、声呐用计算机334、Hypack用计算机335、超短基线计算机336、多波束计算机337、UC用计算机338及备用计算机339。

能够通过包括以如上方式相连接的海底机器人100、缓冲器200及指挥船300的海底探测系统建立用于观察海底地形的系统，并能以控制海底机器人100-1的方式确保海底地形的数据。

图9为表示本发明优选实施例的多关节海底机器人的机械腿的关节部分的详细图，图10为由本发明优选实施例的多关节海底机器人的电动马达与谐波减速器形成的耐压防水关节结构的一部分侧面剖视图，图11为表示本发明优选实施例的机器人手臂兼用腿的关节部分的详细图，图12为示出本发明优选实施例的机械腿及机器人手臂兼用腿的机构学结构的附图。

参照图9，本发明优选实施例的多关节海底机器人的机械腿的关节部分由第一关节125a、第二关节125b、第三关节125c及第四关节125d构成。机械腿124a与上述第四关节125d的端部相连接，并在第三关节125c及第四关节125d之间连接机械腿124b。

上述第一关节125a、第二关节125b及第三关节125c借助耐压防水关节结构进行防水组装(参照图10)。

参照图10，上述第一关节125a、第二关节125b及第三关节125c借助耐压防水关节结构进行防水组装，具体地，由第一防水本体410、第二防水本体420及第三防水本体430构成，在第一防水本体410中，无架无刷直流马达72-1以被防水式O型环414包围的方式与耐压防水外壳418内接，并经由轴承412进行安装。用于降低上述无架无刷直流马达72-1的驱动力的减速器74-1经由轴承412在上述耐压防水外壳418内以能够旋转的方式相连接。

参照图11，本发明优选实施例的机器人手臂兼用腿的关节部分由第一关节125a、第二关节125b、第三关节125c、第四关节124d、第五关节125e及第六关节125f构成。夹具122a-1与上述第六关节125f的端部相连接，在第三关节125c及第四关节125d之间连接机械腿121c，在第四关节125d及第五关节125e之间连接机器人121b，在第五关节125e及第六关节125f之间连接机械腿121a。

上述第一关节125a、第二关节125b及第三关节125c借助耐压防水关节结构进行防水组装(参照图10)。其他关节也组装为耐压防水结构。各个关节的反馈(feedback)可通过设置于关节的限位传感器检测，限位传感器可使用霍尔传感器(未图示)。

参照图12，若详细查看本发明优选实施例的机械腿及机器人手臂兼用腿的机构学结构，则四条机械腿与海底机器人的本体110相连接，海底机器人的本体110的前方与两条机器人手臂兼用腿相连接。分别以X、Y、Z轴为中心进行滚动(ROLL)、倾斜(PITCH)及偏航(YAW)旋转运动。

若进行再次整理，则本发明优选实施例的多关节海底机器人100-1的共六条腿有28个关节，并以能动的方式执行海底步行的结构。各关节借助第一电动马达72-1至第N电动马达72-N驱动。以机械、电的方式设计并控制海底机器人100-1的关节的技术定义为水中结构技术。适用于陆地的关节结构技术以能够适用于存在水压的海水中的方式进行了扩张或重新设计。

如图2所示，上述关节结构是指分别构成于本发明的多关节连杆海底机器人的六条腿的关节结构，各条腿通过四个的关节相连接，前方两条腿通过六个关节相连接。与前方两条腿相连接的关节分别兼起机器人手臂的作用。

各关节结构由关节驱动马达72-1、....、72-N、谐波减速器74-1、.....74-N、关节角度传感器76-、.....76-N、关节限位传感器78-1、...、78-N构成。关节驱动马达为了获得小型轻量低速高扭矩而以使用无架无刷直流马达的方式设计耐压防水外壳，并安装于上述关节驱动马达的内部。耐压防水外壳利用O型环进行了水密。为了使关节的反弹最小化，获得适当的减速比，采纳了谐波传动减速器。并且，可将提供绝对角度的电编码器，即，关节角度传感器安装于关节的减速器输出侧，从而获得关节的绝对角度。为了安全，关节角度限位传感器由磁形式的接近开关构成。

设置于上述机器人手臂兼用腿部分的第六关节125f的电动马达的减速器用于启动夹具。

以上，以本发明的实施例为中心进行了说明，但在本发明所属技术领域的普通技术人员的水准，能够进行多种变更或变形。这种变更与变形在不脱离本发明提供的技术思想的范围的情况下，可视为属于本发明。因此，本发明的权利范围应借助下述的发明要求包含范围而判断。

附图标记的说明

10：控制系统(控制单元)

20：超声波摄像机

30：数据存储部

42：姿势及运动测量传感器

50：水中位置跟踪装置

60：光通信调制解调器

70：马达驱动部

80：电源部

100：海底机器人

110：本体

200：缓冲器

300：指挥船

产业上的可利用性

本发明的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统利用了与螺旋桨推进完全不同的新概念的由六条腿构成的海底机器人，从而使海底机器人以紧贴于海底的方式移动，利用姿势及运动检测传感器维持姿势并克服潮流，能够在海底游泳及步行，并实时经由缓冲器，借助有线/无线通信单元向地上的指挥船传输通过海底机器人的海底数据，因而具有能够在浅海及深海进行海底探测的效果。

并且，本发明的利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统将超声波影像设备搭载于海底机器人，由此在浊度高的水中也能进行探测，两条前腿能够用作机器人手臂，因而具有能够有效地在浅海及深海中执行海底探测的效果。

Claims (16)

1.一种能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，包括：

流线形的本体；

由多个关节构成的多关节步行腿，在所述本体的左右侧及前方安装多个所述多关节步行腿；

控制单元，安装于所述本体内，通过所述多关节步行腿控制步行状态及游泳状态；

步行腿驱动单元，受到所述控制单元的控制，用于生成使所述多关节步行腿驱动的驱动信号；

检测单元，安装于所述本体内，用于检测本体的姿势及与外部物体之间的接触；

浮力检测单元，安装于所述本体内，用于检测本体的浮力；以及

通信单元，与外部装置收发有线/无线信号。

2.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，在所述本体的前面安装超声波摄像机。

3.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，所述检测单元包括姿势传感器及运动测量传感器。

4.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，所述检测单元包括水中位置跟踪装置。

5.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，包括拍摄单元，所述拍摄单元安装于所述本体的前面，用于拍摄水中影像，所述拍摄单元包括具有平移/倾斜功能的水中摄像机及照明装置。

6.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，所述通信单元为光通信调制解调器。

7.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，所述通信单元通过光纤维及电源线内置第二电缆与缓冲器相连接。

8.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，所述本体由轻量高强度复合纤维材料制作。

9.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，所述检测单元包括：

力/力矩传感器，设置于海底机器人的本体与海底机器人的腿之间；以及

抓地力传感器，设置于海底机器人的足尖。

10.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，所述检测单元包括力矩传感器，所述力矩传感器设置于海底机器人的前方两条腿，用于执行抓地检测。

11.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，所述步行腿驱动单元包括：

马达驱动部，生成马达驱动信号；

第一电动马达至第N电动马达，根据马达驱动部的信号来工作；以及

第一减速器至第N减速器，根据所述电动马达来工作，借助连杆与所述多关节步行腿及机器人手臂兼用步行腿相连接，并传递各个马达的动作。

12.根据权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人，其特征在于，

所述浮力检测单元以-10kg至+10kg范围对所述海底机器人的重量进行可变调节，

所述多关节步行腿中前方侧的两条步行腿具有夹具，以选择性地拥有机器人手臂功能。

13.一种利用能够进行复合移动的多关节海底机器人的海底探测系统，其特征在于，

包括权利要求1所述的能够进行复合移动的多关节海底机器人、缓冲器及指挥船，

所述指挥船存储从所述海底机器人接收的水中状态数据，监视并控制海底机器人的移动方向，

所述缓冲器利用第一电缆与指挥船相连接，所述多关节海底机器人利用第二电缆与缓冲器相连接，第一电缆的阻力施加至缓冲器，并不向海底机器人传递。

14.根据权利要求13所述的利用能够进行复合移动的多关节机器人的海底探测系统，其特征在于，

所述多关节海底机器人包括：

第一交换集线器，用于交换多个信号；

光纤转换器，将接收信号转换为光信号；

计算机，与所述第一交换集线器相连接，用于处理输入信号及输出信号；

与所述计算机相连接的RS232、RS485、通用串行总线及控制器局域网装置；

第二交换集线器，一端与所述第一交换集线器相连接，另一端与多个网络摄像机相连接；

视频编码器，一端与所述第一交换集线器相连接，另一端与多个模拟摄像机相连接；

前视声呐或前方扫描声呐，与所述第一交换集线器相连接，以扫描前方的方式拍摄并传输影像；以及

超声波摄像机，与所述第一交换集线器相连接，拍摄并传输前方影像。

15.根据权利要求13所述的利用多关节海底机器人的海底探测系统，其特征在于，所述缓冲器包括：

交换集线器，交换多个信号；

光纤转换器，与所述交换集线器相连接，将通过交换集线器传输的接收信号转换为光信号并向指挥船传输；

计算机，处理输入信号及输出信号，所述计算机的一端与RS232相连接，另一端与所述交换集线器相连接；

视频编码器，一端与多个模拟摄像机相连接，另一端与所述交换集线器相连接；以及

多个网络摄像机，与所述交换集线器相连接。

16.根据权利要求13所述的利用多关节海底机器人的海底探测系统，其特征在于，

所述指挥船包括第一光纤转换器及第二光纤转换器，所述第一光纤转换器及第二光纤转换器的一端与多个计算机相连接，另一端传输光信号；

所述第一光纤转换器及第二光纤转换器分别与所述海底机器人的光纤转换器及所述缓冲器的光纤转换器相连接。