CN106864708A - 一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，包括框架、浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置和作业扩展模块；浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置以及作业扩展模块均安装在框架上，且水下作业机器人的重心位于浮心正下方。采用本发明能够使水下作业机器人能够适应不同类别，不同姿态工作面的作业需求，而且能够适应在不同工作面上的全向机动和越障能力的需求，从而可以为水下作业机器人完成各种水下作业任务提供技术支持。

Description

一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人 及其控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，具体为一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人及其控制方法。

背景技术

随着我国海洋强国战略的实施，海洋经济和海洋军事都对水下作业机器人提出了迫切的要求。在海洋经济方面，我国正在大力开展水产养殖、海底资源开采、海底设施建设等活动，同时我国是一个海洋运输和水利设施建设的大国，大量的船舶需要定期清洗或进行安全性能检查，也需要定期对水利大坝进行安全性能检测；在海洋安全方面，我国正在不断提升水下港口的预警、水下猎雷、水下排爆等能力，同时随着我国航母、大型军舰、潜艇的不断服役，都需要水下机器人完成清洗和安全检测。这些任务若采用传统人工作业的方式进行，不仅风险大，而且作业成本高，因此水下作业机器人应运而生。

目前，常见的水下作业机器人是纯粹游动型的作业机器人，这种机器人不仅航行海域和作业范围小，而且位置固定性能差，容易受海流和自身动作反作用力影响而发生漂移。因此，这类作业水下机器人在作业时，通常需要两个以上的机械手配合才能完成作业，其中一个机械手用于机器人位置的固定，另一个机械手用于对作业目标实施作业，这就增加了作业难度。此外，大部分水下机器人采用正方体式的钢制框架，重量和航行阻力较大，不利于水下作业。

近年来，国内外出现了少量基于履带式或万向轮式的游走混合的水下作业机器人，这类机器人通过大范围游动来寻找作业目标，寻找到目标后，通过在作业面上的行走来接近目标。再通过声/光对作业目标准确定位后，由作业扩展模块对作业目标实施作业。这种机器人在作业时其自身的状态处于保持状态，具有位置固定性能好，不易受海流和自身动作反作用力影响而发生漂移的缺陷，降低了作业难度。

但是，由于对水下作业机器人的需求不同，导致水下作业机器人的作业面也存在着千差万别，既有像水库大坝、船舶侧舷等这样平坦的工作面，也有像海底、船舶底部等这样非平坦的工作面。这就要求水下作业机器人不仅能适应不同类别、不同姿态工作面的作业需求，而且能适应在不同工作面上的全向机动和越障能力的需求，目前的水下作业机器人不能同时很好地满足这样的需求。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人及其控制方法，使水下作业机器人能够适应不同类别，不同姿态工作面的作业需求，而且能够适应在不同工作面上的全向机动和越障能力的需求，从而可以为水下作业机器人完成各种水下作业任务提供技术支持。

本发明的技术方案为：

所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：包括框架、浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置和作业扩展模块；浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置以及作业扩展模块均安装在框架上，且水下作业机器人的重心位于浮心正下方；

所述浮体模块用于提供浮力；

所述吊架用于水下作业机器人的起吊；

所述控制密封舱内部安装水下作业机器人控制和信息传输所需的非防水设备，并采用水密接插件作为外部接线口；

所述运动组件包括游动驱动装置和行走与驱动装置；

所述游动驱动装置包括不少于四个垂直推进器和不少于两个水平推进器；垂直推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的沉浮、俯仰和滚转运动以及提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力功能；水平推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的前后和偏航运动；

所述行走与驱动装置包括仿生刀锋腿行走与驱动装置、全向轮行走与驱动装置以及升降装置；当水下作业机器人在非平坦的作业面上工作时，采用仿生刀锋腿行走与驱动装置；当水下作业机器人在平坦的作业面上工作时，采用全向轮行走与驱动装置；通过升降装置实现在水下切换仿生刀锋腿行走与驱动装置和全向轮行走与驱动装置；

所述传感探测组件能够感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度、感知水下作业机器人周围环境，并将感知信息发送给水下作业机器人控制设备；

所述视觉定位装置能够在水下作业机器人作业时对目标进行定位；

所述作业扩展模块能够实现水下作业机器人作业任务。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿行走与驱动装置包括安装在水下作业机器人两侧的仿生刀锋腿，以及对应每个仿生刀锋腿的驱动装置；所述驱动装置能够驱动仿生刀锋腿绕其一端转轴转动；水下作业机器人一侧的仿生刀锋腿个数不少于三个。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿为半圆形仿生腿，外轮廓表面设有凸起橡胶垫。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述全向轮行走与驱动装置包括至少四个全向轮以及对应每个全向轮的驱动装置；所述全向轮采用麦卡纳姆轮。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述升降装置包括升降装置支架、升降电机、减速器、锥齿轮换向器和蜗轮丝杆升降机；升降电机、减速器、锥齿轮换向器和蜗轮丝杆升降机均安装在升降装置支架上，升降电通过减速器带动锥齿轮换向器，锥齿轮换向器带动蜗轮转动，蜗轮再带动丝杆完成升降，每个蜗轮丝杆升降机对应一个全向轮以及相应驱动装置。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述传感探测组件包括摄像及照明装置、前视图像声呐、深度和高度一体化传感器和姿态传感器；所述深度和高度一体化传感器感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度；所述姿态传感器感应水下作业机器人的姿态；所述摄像及照明装置由一个穹顶式摄像头、一个广角摄像头、两个水下LED灯组成；穹顶式摄像头装在水下作业机器人前端的穹顶摄像头支架上，用于全向观测水下作业环境；广角摄像头安装在机器人后端的广角摄像头支架上，用于定向观测后方水下作业环境；两个照明灯分别安装在所述穹顶摄像头支架左右，用于水下照明；所述前视图像声呐位于水下作业机器人前端。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述框架为聚丙烯框架，包括由四块横梁组成的横梁组件、二块推进器支架板、二块侧板、控制密封仓后挡板、定位装置支架板和多个摄像头支架板。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述浮体模块采用空心玻璃微珠材料，并具有流线型外形结构，安装在框架上部，且浮体模块上开有安放垂直推进器的通孔。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述吊架由两片钢架结构组成，固定在横梁组件上，下端环抱控制密封舱，上端从浮体模块中伸出。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述游动驱动装置由四个垂直推进器和两个水平推进器组成；四个垂直推进器分别置于浮体模块四个对称分布的圆形开孔中，并通过固定件对称固定在横梁组件上；二个水平推进器分别通过固定件固定二块推进器支架板外侧。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述视觉定位装置采用双目视觉定位装置。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿行走与驱动装置包括六个仿生刀锋腿及其相应驱动电机；框架的一侧侧板上安装三个仿生刀锋腿，对应驱动电机安装在侧板内侧的横梁托架上。

所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：在水下作业机器人处于游动状态时，控制四个垂直推进器的转速与转向实现水下作业机器人沉浮、俯仰和滚转运动，控制两个水平推进器的转速与转向实现水下作业机器人的前后和偏航运动；在水下作业机器人处于行走状态时，根据作业面的方向，控制四个垂直推进器提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力，并通过行走与驱动装置实现水下作业机器人在作业面上前后以及转向运动。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：在水下作业机器人处于游动状态时，根据深度和高度一体化传感器的采集数据进行闭环控制，控制四个垂直推进器的转速和转向，使水下作业机器人按照设定的离海面深度或离海底高度进行航行。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：在水下作业机器人处于游动状态时，根据航向姿态传感器进行闭环控制，控制四个垂直推进器的转速和转向，使水下作业机器人以所需的俯仰角和/或滚转角运动，控制两个水平推进器的转速和转向，使水下作业机器人以所需的航向角运动。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：当水下作业机器人在非平坦的作业面上工作时，根据作业面的方向，控制四个垂直推进器提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力，升降装置将全向轮行走与驱动装置提升，仿生刀锋腿行走与驱动装置解锁，仿生刀锋腿行走与驱动装置采用三角步态方式，以三角形支架结构的形式交替行走。

进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：当水下作业机器人在平坦的作业面上工作时，根据作业面的方向，控制四个垂直推进器提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力，升降装置将全向轮行走与驱动装置下降与作业面接触，仿生刀锋腿转到向上位置收回并锁定，分别控制全向轮行走与驱动装置中每个全向轮的转速和转向，控制水下作业机器人在平坦作业面上全向行走。

有益效果

本发明的有益效果主要有四个方面：

首先，将水下游动型机器人和水下行走型机器人的特点进行充分融合，使其具有海域大范围的航行能力，又具有在作业面上小范围的行走能力。

其次，该游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人通过控制四个垂直器的转向和转速使水下机器人紧贴在作业面上，同时启动相应的行走与驱动装置进行作业，相较于传统的纯游动型的水下作业机器人在工作面上作业时具有水下位置固定性能好，不易受海流和自身动作反作用力影响而发生漂移，降低了水下作业机器人的作业难度。

其三，该游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人采用聚丙烯整体框架、扁平结构设计，相较于传统水下机器人，有效地减轻了重量、提高了耐腐蚀性能，并增加了稳定性能。

其四，该游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人针对水下作业机器人的不同作业面，根据需要通过升降装置采用刀锋腿或全向轮行走装置，能适应水下各种复杂环境，可实现全方位移动，非常灵活，能够在狭小空间中实现精确定位，大大提高了水下作业机器人在作业面上的行走能力，从而可以为水下作业机器人完成各种水下作业任务提供技术支持。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的结构示意图。

图2：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人聚丙烯框架示意图部分。

图3：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人去除浮体模块的结构示意图。

图4：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人刀锋腿底部结构示意图。

图5：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人刀锋腿升降装置结构示意图。

图6：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人全向轮机构的结构示意图。

图7：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的工作状态图。

图8：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人在非平坦作业面上采用仿生刀锋腿行走装置的结构示意图。

图9：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人在平坦作业面上采用全向轮行走装置的结构示意图。

图10：本发明实施例游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人转弯步态示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参照图1，一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：包括聚丙烯框架1、浮体模块2、钢制吊架3、摄像及照明装置、前视图像声呐5、深度和高度一体化传感器6、控制密封舱7、游动驱动装置8、双目视觉定位装置9、行走与驱动装置10以及升降装置19等。

参照图2，所述聚丙烯框架1为聚丙烯材料，主体包括四块横梁(111、112、113、114)、二块推进器支架板(121、122)、二块侧板(131、132)、控制密封仓后挡板141、定位装置支架151、摄像头支架(152、153、154、155)和升降机支架板(171、172、173、171)等部分。所述四块横梁(111、112、113、114)通过底下三块连板(161、162、163)采用螺栓或其他方式固定连接；所述二块推进器支架(121、122)左右对称采用螺栓或其他方式固定在所述第二横梁112、第三横梁113上；所述控制密封舱后挡板141采用螺栓或其他方式固定在第四横梁114上；所述二块侧板(131、132)采用螺栓或其他方式固定在所述四块横梁(111、112、113、114)左右两侧。

参照图1，所述浮体模块(2)材料为空心玻璃微珠，并采用流线型外形结构，可以有效减少在水下运动的阻力，其四个对称分布的圆形开孔安放四个垂直推进器。

所述钢制吊架(3)为两片钢架结构组成，用螺栓固定在第二横梁112、第三横梁113上面，环抱着控制密封舱7，用于水下机器人的起吊。

参照图3、图4，所述摄像及照明装置4由一个穹顶式摄像头41、一个广角摄像头42、两个水下LED灯(43、44)组成。所述穹顶式摄像头41装在机器人前端中间穹顶式摄像头顶支架153上，用于机器人的水下作业环境的全向观测；一个广角摄像头42安装在机器人后端广角摄像头支架152上，用于机器人的水下作业环境的后方定向观测；两个LED灯(43、44)分别安装在所述穹顶摄像头左支架154、穹顶摄像头右支架155上，用于水下照明；所述穹顶式摄像头顶支架(153)由螺栓固定在穹顶摄像头左支架154和穹顶摄像头右支架155上；所述穹顶摄像头左支架154和穹顶摄像头右支架155采用螺栓固定在聚丙烯框架的第一横梁111上；所述广角摄像头支架(152)固定在聚丙烯框架1的第四横梁114上。

所述前视图像声呐5位于穹顶式摄像头41前端，采用螺栓或其他方式安装在穹顶摄像头左支架154和穹顶摄像头右支架155上，用于机器人的水下避障。

所述深度和高度一体化传感器6位于聚丙烯框架1的中间，采用螺栓或其他方式安装在聚丙烯框架的第三横梁113上，用于水下机器人离海面的航行深度和离海底的高度测量。

所述控制密封舱7为密封结构，固定在四块横梁(111、112、113、114)和控制密封舱后挡板141上，内部安装航向姿态传感器、驱动控制模块、光纤多路复用器等非防水设备，其外部接线口都为水密接插件，用于水下机器人的控制和信息传输。

所述游动驱动装置8由四个垂直推进器(81、82、83、84)和两个水平推进器(85、86)组成。所述四个垂直推进器(81、82、83、84)分别位于浮体模块2四个对称分布的圆形开孔中，通过固定件对称固定在第二横梁112、第三横梁113上，所述固定件与所述第二横梁112、第三横梁113通过螺栓螺母或其他方式连接；所述二个水平推进器(85、86)分别位于聚丙烯框架1两侧靠后位置，通过固定件对称固定在二块推进器支架板(121、122)上，所述固定件与所述推进器支架板(121、122)通过螺栓螺母或其他方式连接。

所述双目视觉定位装置9位于聚丙烯框架1前端左侧，通过定位装置支架板151采用螺栓或其他方式固定在第一横梁111上，用于机器人作业时对目标的准确定位。

由图7可以看出游动驱动装置的四个垂直推进器(81、82、83、84)都做相同速度正转时，四个垂直推进器(81、82、83、84)将产生四个相同的向上升力，使水下作业机器人沿z轴正方向做上浮运动；四个垂直推进器(81、82、83、84)都做相同速度反转时，四个垂直推进器(81、82、83、84)将产生四个相同的向下的推力，使水下作业机器人沿z轴负方向做下潜运动。当四个垂直推进器(81、82、83、84)中的前端两个推进器(81、82)以相同速度正转，后端两个推进器(83、84)以相同速度反转，就会产生俯仰力矩，使水下作业机器人绕y轴做顺时针翻转运动；当四个垂直推进器(81、82、83、84)中的前端两个推进器(81、82)以相同速度反转，后端两个推进器(83、84)以相同速度正转，就会产生俯仰力矩，使水下作业机器人绕y轴做逆时针翻转运动。当四个垂直推进器(81、82、83、84)中的右端两个推进器(82、83)以相同速度正转，左端两个推进器(81、84)以相同速度反转时，就会产生横滚力矩，使水下机器人绕x轴做顺时针翻滚运动；当四个垂直推进器(81、82、83、84)中的右端两个推进器(82、83)以相同速度反转，左端两个推进器(81、84)以相同速度正转时，使水下机器人绕x轴做逆时针翻滚运动。当水下机器人采用姿态传感器进行闭环控制时，就可以使水下作业机器人以任意的俯仰角(0～±90°)或横滚角(0～±90°)运动。

当两个水平推进器(85、86)都做相同速度正转时，将产生两个相同的向前的力，使水下作业机器人沿x轴正方向向前平移运动；两个水平推进器(85、86)都做相同速度反转时，将产生两个相同的向后的力，使水下作业机器人沿x轴负方向向后平移运动。当左侧水平推进器85正转，右侧水平推进器86以相同速度反转时，就会产生偏航力矩，使水下作业机器人沿z轴顺时针方向做转向运动；当左侧水平推进器85反转，右侧水平推进器86以相同速度正转时，就会产生偏航力矩，使水下作业机器人沿z轴逆时针方向做转向运动。当水下作业机器人采用航向传感器进行控制时，就可以使水下作业机器人以任意的航向角(0～±180°)运动。

水下作业机器人需要在非平坦作业面上工作时，游走混合的水下作业机器人采用仿生刀锋腿行走装置。首先通过控制六个推进器(81、82、83、84、85、86)的转向和转速游动到该作业面上，然后控制四个垂直推进器(81、82、83、84)的转向和转速使水下作业机器人紧贴在作业面上，同时，当水下作业机器人紧贴在作业面上后，六个刀锋腿(1011、1012、1013、1014、1015、1016)由六个驱动电机(1021、1022、1023、1024、1025、1026)单独控制，可以使水下作业机器人在作业面上完成步行，跑步，跳跃，攀爬等避障动作。仿生刀锋腿材料为阳极氧化铝，为半圆形仿生腿，外轮廓表面设有六角凸起形状橡胶垫，以此来增大与作业面上摩擦力。通过时钟驱动机制产生一个高稳定高度机动的以三角形支架结构形式的交替前进方式。

所述的刀锋腿行走装置，位于两块侧面聚丙烯板之上，所述的驱动电机(1021、1022、1023、1024、1025、1026)位于位于两块侧板(131、132)间的主体内部。该游走混合的水下作业机器人6条腿的行走机构，如图分别为前腿1(1011)、前腿4(1014)，中腿2(1012)、中腿5(1015)和后腿3(1013)、后腿6(1016)。6条腿的机械结构完全相同，均匀分列于机器人机体的两侧。三对腿分成两组，身体左侧的前腿1(1011)、后腿3(1013)及右侧中腿5(1015)为一组，右侧的前腿4(1014)、后腿6(1016)和左侧的中腿2(1012)为二组，分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有腿同时提起，二组三角形的腿原地不动，支撑身体并以中腿为支点，如图然后二组所有腿同时提起，一组所有腿向下收回，将机器人向前推，同时重心落在一组三角形支架的三腿上，实现向前位移的效果。然后重复两组间的动作，互相轮换达到行走效果，并且因为重心总在三角形支架内部，可以随时停止运动。

如图10所示，六足步行机器人转弯过程中一组腿作为支撑腿时为转弯阶段a如图。该阶段一组腿作为支撑腿支撑六足步行机器人进行转弯，转弯角度为A1，此过程机器人机体平移轨迹为B1B2，旋转角度为A1；同时，二组腿提起，为下一步转弯中作为支撑腿作准备，当二组腿下落时落足点的前向跨步距离较大。六足步行机器人二组腿作为支撑腿时转弯阶段b如图。此阶段二组腿作为支撑腿支撑六足步行机器人进行转弯，转弯角度为A2，此过程中机器人机体平移轨迹为B3B4，旋转角度为A2；同时，一组腿提起，为下一步转弯中作为支撑腿作准备，当一组腿下落时落足点的前向跨步距离较小。六足步行机器人不断循环进行a，b过程就可以完成六足步行机器人定半径转弯。

水下作业机器人需要在平坦作业面上工作时，游走混合的水下作业机器人采用全向轮行走装置。首先通过控制六个推进器(81、82、83、84、85、86)的转向和转速游动到该作业面上，然后控制四个垂直推进器(81、82、83、84)的转向和转速使水下作业机器人紧贴在作业面上，同时启动全向轮行走装置。全向轮行走装置采用麦卡纳姆轮，这种全向轮与普通车轮不同，由轮毂、从动轮、连接轴和螺母组成，外表看上去像斜齿轮。从动轮(能够转动的鼓形辊子)通过连接轴和螺母夹持，牢牢固定在轮毂上而不会脱落。这种特殊结构使得轮体有三个自由度：绕轮毂轴的转动、沿从动轮轴线垂线方向的平动和绕从动轮与地面接触点的转动。所述全向轮上有六个通孔，为减少轮体质量而设计。所述全向轮中间是销孔，与驱动电机连接。轮体的旋转由电机驱动，而从动轮则是在地面摩擦力的作用下被动的旋转。并且，安装在左右对应的两个全向轮的从动轮的旋向需相反，如图9所示。

如图9所示，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，全向轮行走装置由四个全向轮(1031、1032、1033、1034)、匹配的驱动电机(1041、1042、1043、1044)和全向轮支架组成。四个全向轮行走机构分别置于机器人下层的四角。四个全向轮(1031、1032、1033、1034)及其匹配的驱动电机(1041、1042、1043、1044)通过夹具固定在全向轮支架上。每个全向轮支架与升降机构的丝杆通过连接件固定。水下作业机器人在不需转向机构的情况下，仅通过轮子的旋向与转速的配合，就能够实现平面二自由度运动，并可以做到回转半径为零。比普通轮系有更高的灵活性，能适应在更狭小的空间中运动，可紧贴在任何垂直和倾斜的船体或物体表面进行工作。下面结合图7选取纵向、横向、原地旋转以及斜向四种运动进行分析。

纵向运动(x轴)：若机器人轮1(1031)、轮2(1031)、轮3(1033)、轮4(1044)以相同速率正转，则可以实现沿x轴正方向向前走动；若机器人轮1(1031)、轮2(1032)、轮3(1033)、轮4(1044)以相同速率反转，则可以实现沿x轴向后运动；在前后(纵向)运动时，左右方向(横向)的位移保持为零。

横向运动(y轴)：若轮1(1031)和轮4(1044)以相同速率正转，轮2(1031)和轮3(1033)以相同速率反转，则可以实现垂直机身向右运动；若轮2(1031)和轮3(1033)以相同速率正转，轮1(1031)和轮4(1044)以相同速率反转，则可以实现垂直机身向左运动，因此了该机器人能够保持车体姿态不变的情况下，实现横向运动，这是与普通四轮车的区别。

原地旋转：若轮1(1031)和轮3(1033)以相同速率正转，轮2(1031)和轮4(1044)以相同速率反转，则可以实现在原地绕z轴顺时针旋转；若轮1(1031)和轮3(1033)以相同速率反转，轮2(1031)和轮4(1044)以相同速率正转，则可以实现在原地绕z轴逆时针旋转，机器人很好的完成了回转运动。

斜向运动：机器人斜向运动种类较多，在此仅讨论简单的运动情况。若轮2(1031)和轮3(1033)以相同速率正转，轮1(1031)和轮4(1044)速度为零，则机器人沿着与正前方呈45°方向(x、y轴正方向的角平分线方向)运动；若轮1(1031)和轮4(1044)以相同速率正转，轮2(1031)和轮3(1033)速度为零，则机器人沿着与正前方呈-45°方向(x轴正方向与y轴负方向的角平分线方向)运动；若轮2(1031)和轮3(1033)以相同速率反转，轮1(1031)和轮4(1044)速度为零，则机器人沿着与正前方呈-135°方向(x、y轴负方向的角平分线方向)运动；若轮1(1031)和轮4(1044)以相同速率反转，轮2(1031)和轮3(1033)速度为零，则机器人沿着与正前方呈135°方向(x轴负方向与y轴正方向的角平分线方向)运动。

参照图5，所述升降装置(19)由电机(191)、减速器(192)、锥齿轮换向器(1931、1932)和蜗轮丝杆升降机(1941、1942、1943、1944)组成，固定在升降装置支架(171、172、173、174)上。电机(191)固定在控制仓后挡板(141)上，通过减速器(192)带动传动杆转动，传动杆通过锥齿轮换向器(1931、1932)后带动蜗轮转动，蜗轮再带动丝杆完成升降，其中蜗轮中心为内螺纹结构，与丝杆上的外螺纹结构匹配，组成升降部件，将电机(191)水平方向的旋转运动和动力最后变成丝杆竖直方向上的升降运动和动力。所述升降装置(19)体积较小，结构紧凑，安装方便，可提升、下降，承载重量2.5T～120T。在静止状态下具有自锁功能，因此在全向轮装置在收起或使用过程中不会滑落，可以达到很好的安全和保护效果。四台蜗轮丝杆升降机由一台电机带动组合使用，工作端分别带动一个全向轮装置，四个全向轮装置可实现同升同降。水下作业机器人需要在非平坦的作业面上工作时，升降装置电机(191)正转，通过传动机构带动四个蜗轮丝杆升降机收起全向轮装置到指定位置并且自锁，刀锋腿解除刹车状态，行走装置为仿生刀锋腿行走装置。水下作业机器人需要在平坦的作业面上工作时，将刀锋腿(1011、1012、1013、1014、1015、1016)转到向上位置收回，采用抱刹方式锁定位置。在刀锋腿驱动电机(1021、1022、1023、1024、1025、1026)的尾部有一个电磁抱刹,通电时它也通电吸合,这时它对电机不制动；断电时它也断电,抱刹在弹簧的作用下刹住刀锋腿驱动电机(1021、1022、1023、1024、1025、1026)。通过此种方式实现下电锁住电机轴维持刀锋腿(1011、1012、1013、1014、1015、1016)收回姿态。同时升降装置的电机(191)反转，蜗轮丝杆升降机(1941、1942、1943、1944)放下全向轮装置到指定位置并且自锁，行走装置切换为全向轮装置。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (17)

1.一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：包括框架、浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置和作业扩展模块；浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置以及作业扩展模块均安装在框架上，且水下作业机器人的重心位于浮心正下方；

所述浮体模块用于提供浮力；

所述吊架用于水下作业机器人的起吊；

所述控制密封舱内部安装水下作业机器人控制和信息传输所需的非防水设备，并采用水密接插件作为外部接线口；

所述运动组件包括游动驱动装置和行走与驱动装置；

所述游动驱动装置包括不少于四个垂直推进器和不少于两个水平推进器；垂直推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的沉浮、俯仰和滚转运动以及提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力功能；水平推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的前后和偏航运动；

所述行走与驱动装置包括仿生刀锋腿行走与驱动装置、全向轮行走与驱动装置以及升降装置；当水下作业机器人在非平坦的作业面上工作时，采用仿生刀锋腿行走与驱动装置；当水下作业机器人在平坦的作业面上工作时，采用全向轮行走与驱动装置；通过升降装置实现在水下切换仿生刀锋腿行走与驱动装置和全向轮行走与驱动装置；

所述传感探测组件能够感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度、感知水下作业机器人周围环境，并将感知信息发送给水下作业机器人控制设备；

所述视觉定位装置能够在水下作业机器人作业时对目标进行定位；

所述作业扩展模块能够实现水下作业机器人作业任务。

2.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿行走与驱动装置包括安装在水下作业机器人两侧的仿生刀锋腿，以及对应每个仿生刀锋腿的驱动装置；所述驱动装置能够驱动仿生刀锋腿绕其一端转轴转动；水下作业机器人一侧的仿生刀锋腿个数不少于三个。

3.根据权利要求2所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿为半圆形仿生腿，外轮廓表面设有凸起橡胶垫。

4.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述全向轮行走与驱动装置包括至少四个全向轮以及对应每个全向轮的驱动装置；所述全向轮采用麦卡纳姆轮。

5.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述升降装置包括升降装置支架、升降电机、减速器、锥齿轮换向器和蜗轮丝杆升降机；升降电机、减速器、锥齿轮换向器和蜗轮丝杆升降机均安装在升降装置支架上，升降电通过减速器带动锥齿轮换向器，锥齿轮换向器带动蜗轮转动，蜗轮再带动丝杆完成升降，每个蜗轮丝杆升降机对应一个全向轮以及相应驱动装置。

6.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述传感探测组件包括摄像及照明装置、前视图像声呐、深度和高度一体化传感器和姿态传感器；所述深度和高度一体化传感器感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度；所述姿态传感器感应水下作业机器人的姿态；所述摄像及照明装置由一个穹顶式摄像头、一个广角摄像头、两个水下LED灯组成；穹顶式摄像头装在水下作业机器人前端的穹顶摄像头支架上，用于全向观测水下作业环境；广角摄像头安装在机器人后端的广角摄像头支架上，用于定向观测后方水下作业环境；两个照明灯分别安装在所述穹顶摄像头支架左右，用于水下照明；所述前视图像声呐位于水下作业机器人前端。

7.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述框架为聚丙烯框架，包括由四块横梁组成的横梁组件、二块推进器支架板、二块侧板、控制密封仓后挡板、定位装置支架板和多个摄像头支架板。

8.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述浮体模块采用空心玻璃微珠材料，并具有流线型外形结构，安装在框架上部，且浮体模块上开有安放垂直推进器的通孔。

9.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述吊架由两片钢架结构组成，固定在横梁组件上，下端环抱控制密封舱，上端从浮体模块中伸出。

10.根据权利要求2所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述游动驱动装置由四个垂直推进器和两个水平推进器组成；四个垂直推进器分别置于浮体模块四个对称分布的圆形开孔中，并通过固定件对称固定在横梁组件上；二个水平推进器分别通过固定件固定二块推进器支架板外侧。

11.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述视觉定位装置采用双目视觉定位装置。

12.根据权利要求10所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿行走与驱动装置包括六个仿生刀锋腿及其相应驱动电机；框架的一侧侧板上安装三个仿生刀锋腿，对应驱动电机安装在侧板内侧的横梁托架上。

13.一种权利要求12所述游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：在水下作业机器人处于游动状态时，控制四个垂直推进器的转速与转向实现水下作业机器人沉浮、俯仰和滚转运动，控制两个水平推进器的转速与转向实现水下作业机器人的前后和偏航运动；在水下作业机器人处于行走状态时，根据作业面的方向，控制四个垂直推进器提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力，并通过行走与驱动装置实现水下作业机器人在作业面上前后以及转向运动。

14.根据权利要求13所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：在水下作业机器人处于游动状态时，根据深度和高度一体化传感器的采集数据进行闭环控制，控制四个垂直推进器的转速和转向，使水下作业机器人按照设定的离海面深度或离海底高度进行航行。

15.根据权利要求13所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：在水下作业机器人处于游动状态时，根据航向姿态传感器进行闭环控制，控制四个垂直推进器的转速和转向，使水下作业机器人以所需的俯仰角和/或滚转角运动，控制两个水平推进器的转速和转向，使水下作业机器人以所需的航向角运动。

16.根据权利要求13所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：当水下作业机器人在非平坦的作业面上工作时，根据作业面的方向，控制四个垂直推进器提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力，升降装置将全向轮行走与驱动装置提升，仿生刀锋腿行走与驱动装置解锁，仿生刀锋腿行走与驱动装置采用三角步态方式，以三角形支架结构的形式交替行走。

17.根据权利要求13所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人的控制方法，其特征在于：当水下作业机器人在平坦的作业面上工作时，根据作业面的方向，控制四个垂直推进器提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力，升降装置将全向轮行走与驱动装置下降与作业面接触，仿生刀锋腿转到向上位置收回并锁定，分别控制全向轮行走与驱动装置中每个全向轮的转速和转向，控制水下作业机器人在平坦作业面上全向行走。