CN103253312A - 模态切换水下机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模态切换水下机器人及其控制方法，所述机器人包括水面控制系统和水下控制系统，其中水下控制系统包括水下传感设备、水下控制器和水下机器人，所述水下机器人包括载体模块、切换模块、小车模块和视频采集模块。所述方法采用水下控制器将视频采集模块采集的视频信息和水下传感设备所测的传感信息由脐带缆上传至水面控制系统同时接收水面控制系统发出的控制信号，实现对水下机器人浮游运动与爬壁清污的操控。本发明最大限度的降低自身重量、体积、制造成本、加工难度、供电系统能耗等；该机器人具备浮游、吸附、爬行、清污、水下监察多种功能，实用性强，适用范围广。

Description

模态切换水下机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种新型的海洋工程技术领域水下机器人及其控制方法，特别是一种可浮游的模态切换水下机器人及其控制方法。

背景技术

水下机器人应用广泛，特别是可以代替潜水员完成对堤坝、船体等水下结构物高强度、大负荷的监察与清污作业。水下机器人的模态（航态）主要有浮游、吸附、爬行，水下爬壁机器人需具备吸附、爬行这两种模态。现有水下爬壁机器人的吸附方式主要有负压吸附、磁力吸附、推力吸附：在凹凸不平的壁面作业时，负压吸附的吸附能力会降低；磁力吸附只适用于导磁壁面；推力吸附是利用螺旋桨的推力将水下机器人压吸在壁面上，推力始终垂直指向壁面，适用于各种类型的壁面。爬行方式主要有履带式移动、足式移动、轮式移动：履带式移动速度较慢，不容易转向，常与磁吸附方式相结合；足式运动方式重心不稳定，流体阻力大；轮式移动运动稳定且运动速度较快。

现阶段取得专利的水下爬壁机器人有：1、一种复合吸附船体清刷机器人CN102424100A是一种将磁力吸附和推力吸附结合在一起的船体清刷机器人，可实现船体水下、水上部分的清洗。但是该机器人无法执行浮游作业，工作时必须沿船侧进入作业区域，活动范围有限。2、水下清洁机器人CN101139007A是一种利用高速排水螺旋桨产生负压进行壁面吸附的水下清洁机器人，可被遥控或自主控制进行水下泳池壁面的清洁作业。但是该机器人驱动电机众多，机构复杂；依靠排水螺旋桨的浮游灵活性差，不能进行浮游作业；功能单一，仅用于泳池壁的清洁。3、UNDERWATER CRAWLER VEHICLE HAVING SEARCH ANDIDENTIFICATION CAPABILITIES AND METHODS OF USE(US2007/0276552AL)是一种可进行浮游和爬壁的水下监测机器人：它在浮游机器人上加装一四轮小车，使用小车上的涡流发生器来产生负压吸附。该机器人相比浮游机器人增加了五个动力驱动装置，这就使得供电系统额定功率增加，能耗变大；控制系统控制对象增多，复杂度增加；整个系统稳定性和可靠性降低。该机器人驱动电机众多，每个电机只能执行一种任务，这就使使得电机利用率不高，浪费了资源；机器人的重量、体积、制造成本和加工难度均增加。该机器人浮游运动与小车运动控制相互独立且控制原理不同：这就使得其控制系统比浮游机器人复杂的多。另外，上述三种机器人在执行爬壁任务时，其吸附装置均无法自适应配载吸附力。

综上所述，水下爬壁机器人尚存在以下缺点：1、无法执行浮游任务，活动范围有限；2、电机多但利用率低、动力系统及控制系统复杂；3、无法自适应配载吸附力，影响灵活性同时造成资源浪费。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足和缺陷，提供一种高效节能、结构紧凑、控制简单、吸附力自适应的模态切换水下机器人及其控制方法。这种机器人根据不同的任务需要在浮游模态与爬壁（吸附、爬行）模态之间自由切换，且两者运动控制的原理相同。

本发明所采用的技术方案是：模态切换水下机器人，包括水面控制系统和水下控制系统，其中水下控制系统包括水下传感设备、水下控制器和水下机器人，所述水下机器人包括载体模块、切换模块、小车模块和视频采集模块，载体模块搭载于小车模块上，视频采集模块搭载于载体模块上，切换模块安装在小车模块与载体模块之间；水下控制器将视频采集模块采集的视频信息和水下传感设备所测的传感信息由脐带缆上传至水面控制系统同时接收水面控制系统发出的控制信号，实现对水下机器人浮游运动与爬壁清污的操控。

所述的切换模块包括切换板、吸附推进器、纵向电机、弹簧和导轨；载体模块与小车模块均装有电子锁和压力传感器，当模态切换开始时，对应模块的电子锁解锁，切换板沿导轨垂向运动，水下控制器根据压力传感器反馈的信息判定切换板与另一模块即载体模块或小车模块接触后用对应的电子锁将接触的模块锁死，模态转换结束，进入浮游模态或爬行模态，纵向电机与接触的模块的驱动装置齿合；切换板向下运动时，吸附推进器提供动力，弹簧用于减震；切换板向上运动时，弹簧提供恢复力。

所述的载体模块包括载体、垂向推进器、纵向螺旋桨；浮游模态时，纵向电机与纵向螺旋桨齿合，驱动其旋转，实现水下机器人的进退、转艏运动；垂向推进器为直流无刷电机驱动导管螺旋桨，实现水下机器人的升沉、纵摇运动。

所述小车模块由车体、传动箱、车轮和清污滚轮组成；爬壁模态时，纵向电机与传动箱齿合驱使车轮和清污滚轮转动，实现水下机器人的运动和清污工作。

模态切换水下机器人的控制方法如下：采用水下控制器将视频采集模块采集的视频信息和水下传感设备所测的传感信息由脐带缆上传至水面控制系统同时接收水面控制系统发出的控制信号，实现对水下机器人浮游运动与爬壁清污的操控。

所述水下机器人爬壁清污的控制方法如下：

1）、刚下水时水下机器人处于浮游模态，水面操控人员根据操作界面的数据通过水面控制系统控制垂向推进器和纵向电机，调整机器人运动姿态，使小车模块贴近作业壁面；

2）、采用水下控制器关闭纵向电机，进行浮游到爬壁的模态切换，模态切换完成后水下机器人被压吸在目标壁面上；

3）、采用水下控制器关闭垂向推进器，采用控制纵向电机和吸附推进器进行爬壁清污同步作业，吸附力进行自适应调节，将水下传感设备所测的实时数据记录在水面控制系统的数据库中用于工程人员的后续研究；

4）、爬壁清污作业结束后采用水下控制器关闭吸附推进器和纵向电机，当水下机器人姿态稳定后，采用水下控制器控制进行爬壁到浮游的模态切换，模态切换完成后水下机器人进行浮游作业。

本发明有益效果：

1、本发明“一机多用”提高了电机利用率；采用模块化设计，便于拆卸和拓展功能，最大限度的降低自身重量、体积、制造成本、加工难度、供电系统能耗等；该机器人具备浮游、吸附、爬行、清污、水下监察多种功能，实用性强，适用范围广。

2、本发明浮游运动与爬壁运动控制原理相同：两个纵向电机23同速实现进退；差速实现转向。控制系统简单，控制对象不多，只需在一般浮游机器人的控制系统基础上略加改动即可，系统的稳定性和可靠性高。

3、本发明机器人爬壁作业时，吸附力由一个闭环控制系统实现自适应控制，自动化程度高，节约了能源，提高了操纵性。

附图说明

图1为本发明系统结构框图；

图2为本发明机器人的机械结构示意图；

图3为本发明机器人的四个模块爆炸示意图；

图4为本发明机器人浮游模态俯视示意图；

图5为本发明机器人A-A剖视图；

图6为本发明机器人B-B剖视图；

图中标注部件名称：1、载体模块；2、切换模块；3、小车模块；4、视频采集模块；11、载体；12、垂向推进器；13、纵向螺旋桨；21、切换板；22、吸附推进器；23、纵向电机；24、弹簧；25、轨道；31、车体；32、传动箱；33、车轮；34、清污滚轮；41、水下高清摄像机；42、水下LED照明灯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

本发明是一种模态切换水下机器人，如图1所示，机器人系统分水上、水下两大部分，两者通过脐带缆连接实现水面与水下信号、能源的传输。水上部分的水面控制系统向水下部分传输控制信号和能源，接收水下视频和各传感的电信号并将其实时显示到操作界面上，保证操作人员实时监控水下机器人的工作状态。

水下部分的水下控制系统包括水下控制器、水下传感设备和水下机器人。水下控制器可以将视频采集模块4采集的视频信息和水下传感设备所测的传感信息由脐带缆上传至水面控制系统同时接收其发出的控制信号，实现对水下机器人浮游运动与爬壁清污的操控。

五个直流无刷电机组成的动力推进单元能够实现水下机器人升沉、进退、转艏、纵摇四个自由度的浮游运动与爬壁清污作业，动力配置为：两个垂向推进器12实现升沉或纵摇运动、一个吸附推进器22实现壁面吸附、两个纵向电机23在不同模态下具有不同功能：浮游时，纵向电机23驱动纵向螺旋桨13实现进退、转艏运动；爬壁时，纵向电机23同时驱动车轮13和清污滚轮34实现爬壁清污同步作业。机器人模态切换的动力来自吸附推进器22，压力传感器用于判定模态切换完成，电子锁是完成后的锁定装置。

如图2所示为机器人的机械结构示意图，为方便描述机器人各部件的空间位置，现规定清污滚轮34所在位置为机器人的尾部，视频采集模块4所在位置为机器人的首部，尾部指向首部为纵向；从尾部向首部看，左手边为左侧，右手边为右侧，左侧指向右侧为横向；垂向、纵向、横向满足右手定则，且定义垂向为上端指向下端。通过结构首尾中央的纵向剖面为纵剖面，它把结构分为左右对称的两部分；通过结构重心的横向剖面为横剖面。文中把以纵剖面为对称面的布置称为左右对称，以横剖面为对称面的布置称为首尾对称。图4为本发明机器人浮游模态俯视示意图。

如图3所示，机器人结构由上至下分三层四个模块：上层为载体模块1和视频采集模块4，中层为切换模块2，下层为小车模块3。

如图3、图4所示，左右对称固接在载体模块1首部的视频采集模4包括一个水下高清摄像机41和两个水下LED照明灯42。

如图3所示，载体模块1包括载体11、垂向推进器12、纵向螺旋桨13。载体11正中大圆孔为导流通道，大圆孔四周左右、首尾对称的四个小圆孔为导轨25的安装通道；载体11装有浮体、耐压水密电子舱，浮体为机器人提供主要浮力使总浮力略大于重力，耐压水密电子舱壳体上装有深度传感器，内部装有惯性导航装置和水下控制器，水下电缆通过壳体上的水密接插件将水下控制器与外部设备连接。如图4所示，两个垂向推进器12首尾对称安装在载体11上，可为机器人升沉或纵摇运动提供动力。如图4、图5所示，两个纵向螺旋桨13左右对称安装在载体11上，浮游模态时，纵向电机23与纵向螺旋桨13齿合，驱使其旋转，实现机器人的进退、转艏运动。

如图3所示，切换模块2包括切换板21、吸附推进器22、纵向电机23、弹簧24、导轨25。切换板21正中圆筒为导流管，吸附推进器22安装在导流管内，可为机器人提供升沉力、模态切换的驱动力以及爬壁时的吸附力。切换板21可沿着导流管周围左右、首尾对称的四个导轨25垂向运动。左右对称安装在切换板21上的两个纵向电机23通过齿轮给其他动力部件传动。固接在切换板21下方的弹簧24套在导轨25上。

如图3所示，小车模块3包括车体31、传动箱32、车轮33、清污滚轮34。车体31正中大圆孔为导流通道，其四周对称的四个小圆孔为导轨25的预留通道。两个传动箱32左右对称固接在小车模块3的尾部，每个传动箱32通过输出轴驱动一个车轮33和一个清污滚轮34。如图4、图5所示，爬壁模态时，纵向电机23与传动箱32齿合驱使车轮33和清污滚轮34转动，实现机器人的爬行和清污工作。

如图6所示，本发明四个模块具体连接方式如下：载体模块1的载体11与小车模块3的车体31用螺栓连接；切换模块2的弹簧24与小车模块3的车体31固接；导轨25用螺栓连接在载体11上，由上至下依次穿过载体11、切换板21、弹簧24、车体31；切换板21可沿运动导轨14在载体11和车体31之间上下运动。

如图3、图5所示，本发明的模态切换原理如下：载体模块1与小车模块3均装有电子锁和压力传感器，浮游模态时，切换板21与载体11接触并被对应电子锁锁死，纵向电机23与纵向螺旋桨13齿合。爬壁模态时，切换板21与车体31接触并被对应电子锁锁死，纵向电机23与传动箱32齿合，机器人根据小车模块3上的压力传感器所测数据自适应调节吸附推进器22的推力。当模态切换开始时，对应模块的电子锁解锁，切换板21沿导轨25垂向运动，根据压力传感器反馈的信息判定切换板21与另一模块接触后用对应的电子锁将其锁死，模态转换结束，进入浮游模态或爬行模态，纵向电机23与对应模块的驱动装置齿合。弹簧24在切换板21运动时一直处于压缩状态。切换板21向下运动时，吸附推进器22提供动力，弹簧24起到减震效果；切换板21向上运动时，弹簧24提供恢复力。

基于模态切换装置的水下机器人爬壁清污作业过程如下：

1、刚下水时机器人处于浮游模态，水面操控人员根据操作界面的数据控制垂向推进器12和纵向电机23，调整机器人运动姿态，使小车模块3贴近作业壁面。

2、关闭纵向电机23，进行浮游到爬壁的模态切换，模态切换完成后机器人被压吸在目标壁面上。

3、关闭垂向推进器12，控制纵向电机23和吸附推进器22进行爬壁清污同步作业，吸附力进行自适应调节，各种传感器所测的实时数据被记录在水面控制系统的数据库中用于工程人员的后续研究。

4、爬壁清污作业结束后关闭吸附推进器22和纵向电机23，惯性导航装置所测数据表明机器人姿态稳定后，进行爬壁到浮游的模态切换，模态切换完成后水下机器人可进行浮游作业。

Claims (6)

1.一种模态切换水下机器人，其特征在于包括水面控制系统和水下控制系统，其中水下控制系统包括水下传感设备、水下控制器和水下机器人，所述水下机器人包括载体模块（1）、切换模块（2）、小车模块（3）和视频采集模块（4），载体模块（1）搭载于小车模块（3）上，视频采集模块（4）搭载于载体模块（1）上，切换模块（2）安装在小车模块（3）与载体模块（1）之间；水下控制器将视频采集模块（4）采集的视频信息和水下传感设备所测的传感信息由脐带缆上传至水面控制系统同时接收水面控制系统发出的控制信号，实现对水下机器人浮游运动与爬壁清污的操控。

2.根据权利要求1所述的一种模态切换水下机器人，其特征在于所述的切换模块（2）包括切换板（21）、吸附推进器（22）、纵向电机（23）、弹簧（24）和导轨（25）；载体模块（1）与小车模块（3）均装有电子锁和压力传感器，当模态切换开始时，对应模块的电子锁解锁，切换板（21）沿导轨（25）垂向运动，水下控制器根据压力传感器反馈的信息判定切换板（21）与另一模块即载体模块（1）或小车模块（3）接触后用对应的电子锁将接触的模块锁死，模态转换结束，进入浮游模态或爬行模态，纵向电机（23）与接触的模块的驱动装置齿合；切换板（21）向下运动时，吸附推进器（22）提供动力，弹簧（24）用于减震；切换板（21）向上运动时，弹簧（24）提供恢复力。

3.根据权利要求2所述的一种模态切换水下机器人，其特征在于所述的载体模块（1）包括载体（11）、垂向推进器（12）、纵向螺旋桨（13）；浮游模态时，纵向电机（23）与纵向螺旋（13）桨齿合，驱动其旋转，实现水下机器人的进退、转艏运动；垂向推进器（12）为直流无刷电机驱动导管螺旋桨，实现水下机器人的升沉、纵摇运动。

4.根据权利要求2所述的一种模态切换水下机器人，其特征在于所述小车模块（3）由车体（31）、传动箱（32）、车轮（33）和清污滚轮（34）组成；爬壁模态时，纵向电机（23）与传动箱（32）齿合驱使车轮（33）和清污滚轮（34）转动，实现水下机器人的运动和清污工作。

5.一种基于权利要求1所述模态切换水下机器人的控制方法，其特征在于所述方法如下：采用水下控制器将视频采集模块（4）采集的视频信息和水下传感设备所测的传感信息由脐带缆上传至水面控制系统同时接收水面控制系统发出的控制信号，实现对水下机器人浮游运动与爬壁清污的操控。

6.根据权利要求5所述模态切换水下机器人的控制方法，其特征在于所述水下机器人爬壁清污的控制方法如下：

1）、刚下水时水下机器人处于浮游模态，水面操控人员根据操作界面的数据通过水面控制系统控制垂向推进器（12）和纵向电机（23），调整机器人运动姿态，使小车模块（3）贴近作业壁面；

2）、采用水下控制器关闭纵向电机（23），进行浮游到爬壁的模态切换，模态切换完成后水下机器人被压吸在目标壁面上；

3）、采用水下控制器关闭垂向推进器（12），采用控制纵向电机（23）和吸附推进器（22）进行爬壁清污同步作业，吸附力进行自适应调节，将水下传感设备所测的实时数据记录在水面控制系统的数据库中用于工程人员的后续研究；

4）、爬壁清污作业结束后采用水下控制器关闭吸附推进器（22）和纵向电机（23），当水下机器人姿态稳定后，采用水下控制器控制进行爬壁到浮游的模态切换，模态切换完成后水下机器人进行浮游作业。

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