CN107309866A - 一种电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人及清洗方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人及清洗方法；该机器人包括末端清洗机构、运动控制器和至少两条均匀分布在网箱本体上的柔性绳索并联支链，末端清洗机构位于网箱内，柔性绳索并联支链连接在网箱本体与末端清洗机构之间；每条柔性绳索并联支链包括固定在网箱本体上的绕线电动机以及驱动电缆，绕线电动机将驱动电缆连接到末端清洗机构上；所述运动控制器控制至少两条柔性绳索并联支链的协调配合运动，使末端清洗机构在网箱内进行水下三维运动。本发明采用并联驱动方式实现末端清洗机构的水下三维运动，末端清洗机构的多根驱动电缆相互约束，增加了水下稳定性，易于提高定位精度，能满足深海网箱的自动化清洗要求。
Description
技术领域
本发明涉及深海网箱清洗机构，特别是涉及一种采用电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人及清洗方法。
背景技术
深海网箱清洗有两个关键环节，一个是末端清洗机构的设计，另一个是如何使末端清洗机构能运动遍历网箱的内部空间，实现灵活无死角清洗。目前采用的深海网箱清洗装置常常是单根电缆连接的垂钓式清洗装置，其运动依靠岸上的人或者船牵引电缆，绕网箱周长运动实现周长上的清洗作业；依靠电缆的上下伸缩实现网箱深度上的清洗作业；这种清洗方式是串联驱动方式，有如下几个缺点，一是需要在网箱周长上运动，能耗较高，在网箱上较难实现自动化，往往是靠人工操作；二是单根电缆在水下容易收到水流的影响，定位不准确，容易漏洗，若电缆较长，末端清洗机构难以实现实时跟随运动，其运动往往是较大的滞后于岸上运动，其灵活性受限。
发明内容
为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供一种电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，采用并联驱动的方式实现末端清洗机构的水下三维运动，末端清洗机构的多根驱动电缆相互约束，增加了水下稳定性，易于提高定位精度，本发明能满足深海网箱的自动化清洗要求。
本发明还提供一种电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人的清洗方法。
本发明的深海网箱清洗机器人采用如下技术方案来实现：电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，包括末端清洗机构、运动控制器和至少两条均匀分布在网箱本体上的柔性绳索并联支链，末端清洗机构位于网箱内，柔性绳索并联支链连接在网箱本体与末端清洗机构之间；每条柔性绳索并联支链包括固定在网箱本体上的绕线电动机以及驱动电缆，绕线电动机将驱动电缆连接到末端清洗机构上；所述运动控制器控制至少两条柔性绳索并联支链的协调配合运动，使末端清洗机构在网箱内进行水下三维运动。
优选地，所述柔性绳索并联支链设有四条，每条柔性绳索并联支链的绕线电动机将驱动电缆连接到末端清洗机构上的同一点或者不同的四个点，运动控制器控制四条柔性绳索并联支链的协调配合运动使末端清洗机构在网箱内进行三自由度或五自由度的水下三维运动。
优选地，所述每条柔性绳索并联支链还包括固定在网箱本体上的导向轮，绕线电动机经导向轮将驱动电缆连接到末端清洗机构上。所述导向轮为U型或V型槽轮。
优选地，所述网箱本体包括多个网箱浮筒，相邻两个网箱浮筒通过浮筒固定块连接，浮筒固定块上装有用于固定渔网上端的网箱栏杆，网箱浮筒上平铺与浮筒固定块连接的踏板；所述绕线电动机安装在踏板上，导向轮安装在网箱栏杆上。
本发明的清洗方法基于上述深海网箱清洗机器人，末端清洗机构在网箱内进行三自由度的水下三维运动，包括如下步骤：
第一步，将机器人各个绕线电动机进行复位，使末端清洗机构回到预设定的起始点，等待工作；
第二步，对需要清洗的网箱部分进行路径规划，得到末端清洗机构在每个时刻行走路径的坐标组；
第三步，对末端清洗机构的坐标组，采用公式(1)进行运动学逆解，得到四条柔性绳索并联支链中每根驱动电缆在每个时刻的长度组；
其中，A1、A2、A3、A4分别定义为四个导向轮，L1＝|A1P|、L2＝|A2P|、L3＝|A3P|、L4＝|A4P|分别定义为四根驱动电缆的长度，将A1、A2、A3、A4在网箱底部上的投影分别定义为B1、B2、B3、B4，则网箱高度为|A1B1|＝|A2B2|＝|A3B3|＝|A4B4|＝H，将坐标原点O定义于网箱底部平面的几何中心，以B1B2方向为X轴正方形，B2B3方向为Y轴正方向，则末端清洗机构连接点P的坐标为P(xP，yP，zP)，四个导向轮的坐标为A1(xA1，yA1，H－zP)、A2(xA2，yA2，H－zP)、A3(xA3，yA3，H－zP)、A4(xA4，yA4，H－zP)；末端清洗机构连接点P的坐标在每个时刻均为已知量；
第四步，运动控制器根据驱动电缆每个时刻的长度，同时驱动四个绕线电动机，使驱动电缆末端合成网箱清洗路径，末端清洗机构对网箱进行清洗作业。
本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：
1、本发明与现有单根电缆牵引的网箱清洗器相比，多根电缆的互相制约与合成运动，能最大程度克服水流的影响，降低末端清洗机构的运动滞后，增加机构运动稳定性和可靠性，提高末端定位精度。
2、本发明的驱动电缆具有双重功能，除了用于并联机器人实现末端清洗机构三维运动以外，还用于为末端清洗机构供电，也可为后续增加的末端传感器、摄像头等作为信号传输线，易于实现自动化作业。
3、本发明的绕线电动机安装于网箱踏板上，不随末端清洗机构的运动而产生移动，不需要安装水上牵引机构(单根电缆牵引的现有网箱清洗器需要人为牵引、船只牵引或增加牵引运动机构)，降低了安装复杂性，降低了防水要求，提高了电机的使用寿命和安全性。
4、本发明的末端清洗机构在四根驱动电缆的协调工作下，能实现半自动和全自动作业，使网箱清洗自动化成为可能。
5、本发明的末端清洗机构与驱动电缆连接方式的不同，可实现3或5自由度运动，易于满足不同的作业需要。
附图说明
图1是电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人总体结构示意图，
图2是末端三自由度连接方式建模示意图，
图3是末端五自由度连接方式建模示意图，
图1中示出：1—网箱浮筒，2—网箱踏板，3—浮筒固定块，4—网箱栏杆，5—绕线电动机，6—导向轮，7—驱动电缆，8—末端清洗机构。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的实施不限于此。
实施例
概括而言，本实施例采用包含并联机构的机器人实现深海网箱清洗，并联机构是动平台和定平台通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动；本发明中的网箱本体属于并联机构的定平台部分，四根驱动电缆属于运动链，而末端清洗机构属于动平台。本实施例针对目前最常见的HDPE深海网箱，采用绳索并联传动的方式，将绕线电动机安装于网箱四个角的踏板上，四根驱动电缆通过安装在网箱栏杆上的导向轮共同连接在末端清洗机构上，末端清洗机构通过自身重力(重力大于浮力的时候充当虚拟绳索)与驱动电缆拉力达到受力平衡，可使末端清洗机构实现三维水下运动(末端清洗机构与传动绳索连接方式的不同，可实现3或5自由度运动)；绕线电动机位于网箱踏板上，无需潜水工作，大大降低了驱动部分的防水性能要求与能源供给要求；而末端清洗机构采用并联传动方式，与常规无人遥控潜水器相比，多根驱动电缆的互相约束在一定程度上增加了水下稳定性，易于提高定位精度。若驱动电缆采用防水电缆，则可为末端清洗机构输送电源和传输信号，满足搭载各种传感器与水下作业设备的工作要求；本发明可满足深海网箱的自动清洗要求，实现自动化作业。
如图1所示，具体来说，本实施电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，包括深海网箱本体与机器人部分。
——深海网箱本体包括：
HDPE(高密度聚乙烯)深海网箱浮筒1呈直线分布，每个浮筒长2000mm，直径为318mm，相邻两个网箱浮筒通过浮筒固定块3连接在一起。浮筒固定块3上装有网箱栏杆4，网箱栏杆采用黄色作为海上安全警示颜色，栏杆直径为105mm，长度与网箱浮筒一致，用于固定渔网上端。踏板2为栅格状，具有安装孔，通过绳索或安装管与浮筒固定块3连接，并平铺在网箱浮筒1上，每个2000mm长的浮筒可安装两片踏板，用于维护人员行走与设备安放，绕线电动机5也安装在踏板之上。HDPE深海网箱本体相对于机器人部分而言，是并联机构的定平台部分。
——机器人部分包括：
运动控制器、绕线电动机，绕线电动机5为交流伺服电动机，功率1.5kw，防水防尘等级IP-55，安装在踏板2上，作为并联机器人关节驱动装置，用于传动驱动电缆7进行伸缩。驱动电缆7为防水电缆，内部为信号线与供电线，同时兼顾运动传递与信号、电能的传递，合成末端运动。导向轮6为U型或V型槽轮，安装在网箱栏杆4的拐角处，4个绕线电动机5通过导向轮6将驱动电缆7连接到末端清洗机构8上。末端清洗机构8可以是高压水冲洗机构，或毛刷旋转式刷洗机构；通过四个绕线电动机5的协调配合运动(通过运动学逆解实现运动)，可实现末端清洗机构8在网箱内的三维运动。其中绕线电动机5、导向轮6、驱动电缆7形成一个并联运动支链，应用在方形HDPE深海网箱上的网箱清洗机器人具有四个并联运动支链，位于方形网箱本体的四个角；末端清洗机构8为并联机构的末端执行器，也称为动平台；四个并联运动支链在运动控制器的控制下，同时作用于末端清洗机构8上，使末端清洗机构8有水下三维运动定位能力。
本发明电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，为具有三维运动性能的柔性缆式驱动并联机器人。本发明属于牵引式绳索传动机构，牵引式绳索传动机构除了定平台与动平台是刚性以外，均采用柔性绳索代替刚性连杆传递末端运动，本发明中的驱动电缆7充当柔性绳索；多根柔性绳索同时连接到末端清洗机构8，通过改变驱动电缆7的长度，合成末端运动。由于绳索是柔性的，只能通过拉力传递运动，不能通过压力传递运动，完全约束的绳索传动并联机构必须有冗余驱动力才能实现力闭合，即一个自由度为n的末端执行器至少要由n+1根绳索传动；本实施例中，针对方形HDPE深海网箱结构，在四个角布置4根驱动电缆，再加上重力充当的虚拟绳索(重力大于浮力的时候)，绳索数目m＝4+1，根据驱动电缆与末端清洗机构连接方式的不同，本发明可实现3自由度或5自由度的水下运动。
第一类：三自由度连接方式(如附图2)，四根驱动电缆7同时汇于末端清洗机构8上的同一点，满足m>n+1，其中m＝5，n＝3，则本发明机构为3自由度冗余约束机构；
第二类：五自由度连接方式(如附图3)，四根驱动电缆7分别汇于末端清洗机构8上的不同点，如末端清洗机构的四个角，满足m<n+1，其中m＝5，n＝5，则本发明机构为5自由度欠约束机构。
针对常用的三自由度冗余约束机构，将深海网箱本体进行结构建模(如附图2)，其四个导向轮分别定义为A1、A2、A3、A4，末端清洗机构连接点定义为点P，则四根驱动电缆的长度可以定义为|A1P|＝L1，|A2P|＝L2，|A3P|＝L3，|A4P|＝L4；将A1、A2、A3、A4在网箱底部上的投影分别定义为B1、B2、B3、B4，则网箱高度为|A1B1|＝|A2B2|＝|A3B3|＝|A4B4|＝H，将坐标原点O定义于网箱底部平面的几何中心，以B1B2方向为X轴正方形，B2B3方向为Y轴正方向，则末端清洗机构连接点P的坐标为P(xP，yP，zP)，四个导向轮的坐标为A1(xA1，yA1，H－zP)、A2(xA2，yA2，H－zP)、A3(xA3，yA3，H－zP)、A4(xA4，yA4，H－zP)。为了对网箱进行清洗，则需要对末端清洗机构进行路径规划，因此P点坐标在每个时刻均为已知量，从而可计算出四根驱动电缆的绳索长度分别为：
四根驱动电缆协调运动，则可实现末端清洗机构的水下三维运动定位。由于驱动电缆为柔性绳索，只受拉力，不受压力，在重力充当的虚拟绳索(重力大于浮力)的作用下，其工作空间不能越出网箱区域，其工作空间边界分别为平面A1A2B2B1、A2A3B3B2、A3A4B4B3、A4A1B1B4、B1B2B3B4，因此可遍历HDPE方形网箱的内部空间。本实施例的网箱具有约为15m×15m、深10m的内部空间，因此驱动电缆的最长伸长量为
驱动电缆具有双重功能，为防水多芯电缆，内部为多股信号线与供电线，同时兼顾力学上的运动传递功能，除了用于并联机器人实现末端洗网机构三维运动以外，还用于为末端清洗机构传输所需的信号、电能。
本发明电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其工作流程包括如下步骤：
第一步，将机器人各个绕线电动机进行复位，使末端清洗机构回到预设定的起始点，等待工作；
第二步，对需要清洗的网箱部分进行路径规划，得到末端清洗机构在每个时刻行走路径的坐标组；
第三步，对末端清洗机构的坐标组，进行运动学逆解，得到四个并联运动支链中每条驱动电缆在每个时刻的长度组；驱动电缆与末端清洗机构的连接方式为三自由度连接时，本步骤运动学逆解的公式如上式(1)。
第四步，运动控制器根据每个时刻的驱动电缆长度，同时驱动四个绕线电动机，使驱动电缆末端合成网箱清洗路径，末端清洗机构对网箱进行清洗作业。
在本实施例中，HDPE(高密度聚乙烯)深海网箱本体作为并联机器人的定平台部分，长宽高约为15m×15m×10m，顶部为露空，除顶部外的五个面均布有尼龙渔网，采用铁锚系于网箱底部四个角以固定网箱的形状。
在本实施例中，深海网箱本体呈方形，方形网箱本体的相邻两条边通过转角型浮筒连接。本发明也可以采用圆形的深海网箱本体，网箱浮筒呈圆弧形，多个网箱浮筒通过浮筒固定块首尾连接后组成圆形网箱本体，绕线电动机均匀分布于网箱本体的踏板上，导向轮均匀分布于网箱本体的栏杆上。
柔性绳索并联支链包括绕线电动机、导向轮和驱动电缆，其中绕线电动机为IP-55以上等级的防水交流伺服电动机，功率1.5kw，配备摆线轮减速器；导向轮为轴承滑轮，其开槽可为V型或U型，开槽深度大于等于驱动电缆外径；驱动电缆的“驱动”有双层含义，其一是机械上的驱动，作为传动柔性绳索，实现并联机构的运动传递；其二是电力和信号传输上的驱动，为多芯电缆，直径5cm，其中包括末端清洗机构的电力传输线、信号驱动线，还有各种传感器和摄像头的信号反馈线等；末端清洗机构可根据作业要求更换，可为高压水冲洗式机构，或毛刷旋转式刷洗机构；运动方式上，四根驱动电缆可连接到末端清洗机构上的同一点，实现三自由度冗余约束机构，或连接到末端清洗机构的四个角落，实现五自由度欠约束机构。
运动控制器为Galil DMC-184PCI四轴运动控制卡，该控制卡采用32位RISC结构高速DSP作为中央处理器，实现1～8个坐标轴的PTP定位、位置跟踪、JOG、直线/圆弧插补、螺旋线插补、切线跟踪、多主/多从电子齿轮同步控制、龙门同步控制、电子凸轮、轮廓控制、示教/录返、椭圆缩放、拐角过渡、无限线段进给、倍率控制及多任务同时执行等功能。用户可以很方便地进行参数配置以便与伺服电机或步进电机驱动器接口。控制器具有正/反向限位、原点返回功能，同时还有8路模拟输入通道，带光隔的I/O及第二编码器反馈接口。提供的SDK可在C#等高级语言下二次开发，实现运动学控制与其他反馈控制算法。选用的计算机CPU型号为Core i5 6600，内存8G。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，包括末端清洗机构、运动控制器和至少两条均匀分布在网箱本体上的柔性绳索并联支链，末端清洗机构位于网箱内，柔性绳索并联支链连接在网箱本体与末端清洗机构之间；每条柔性绳索并联支链包括固定在网箱本体上的绕线电动机以及驱动电缆，绕线电动机将驱动电缆连接到末端清洗机构上；所述运动控制器控制至少两条柔性绳索并联支链的协调配合运动，使末端清洗机构在网箱内进行水下三维运动。
2.根据权利要求1所述的电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，所述柔性绳索并联支链设有四条，每条柔性绳索并联支链的绕线电动机将驱动电缆连接到末端清洗机构上的同一点或者不同的四个点，运动控制器控制四条柔性绳索并联支链的协调配合运动使末端清洗机构在网箱内进行三自由度或五自由度的水下三维运动。
3.根据权利要求1或2所述的电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，所述每条柔性绳索并联支链还包括固定在网箱本体上的导向轮，绕线电动机经导向轮将驱动电缆连接到末端清洗机构上。
4.根据权利要求3所述的电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，所述导向轮为U型或V型槽轮。
5.根据权利要求3所述的电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，所述网箱本体包括多个网箱浮筒，相邻两个网箱浮筒通过浮筒固定块连接，浮筒固定块上装有用于固定渔网上端的网箱栏杆，网箱浮筒上平铺与浮筒固定块连接的踏板；所述绕线电动机安装在踏板上，导向轮安装在网箱栏杆上。
6.根据权利要求5所述的电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，所述网箱本体呈方形，网箱浮筒呈直线形，所述绕线电动机、导向轮设置在网箱本体的四个角。
7.根据权利要求5所述的电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，所述网箱浮筒呈圆弧形，多个网箱浮筒通过浮筒固定块首尾连接后组成圆形网箱本体，绕线电动机均匀分布于网箱本体的踏板上，导向轮均匀分布于网箱本体的栏杆上。
8.根据权利要求2所述的电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，所述运动控制器为运动控制卡。
9.根据权利要求1或2所述的电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人，其特征在于，所述末端清洗机构为高压水冲洗机构或毛刷旋转式刷洗机构。
10.基于权利要求2所述电缆并联驱动的深海网箱清洗机器人的清洗方法，末端清洗机构在网箱内进行三自由度的水下三维运动，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，将机器人各个绕线电动机进行复位，使末端清洗机构回到预设定的起始点，等待工作；
第二步，对需要清洗的网箱部分进行路径规划，得到末端清洗机构在每个时刻行走路径的坐标组；
第三步，对末端清洗机构的坐标组，采用公式(1)进行运动学逆解，得到四条柔性绳索并联支链中每根驱动电缆在每个时刻的长度组；
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其中，A1、A2、A3、A4分别定义为四个导向轮，L1＝|A1P|、L2＝|A2P|、L3＝|A3P|、L4＝|A4P|分别定义为四根驱动电缆的长度，将A1、A2、A3、A4在网箱底部上的投影分别定义为B1、B2、B3、B4，则网箱高度为|A1B1|＝|A2B2|＝|A3B3|＝|A4B4|＝H，将坐标原点O定义于网箱底部平面的几何中心，以B1B2方向为X轴正方形，B2B3方向为Y轴正方向，则末端清洗机构连接点P的坐标为P(xP，yP，zP)，四个导向轮的坐标为A1(xA1，yA1，H－zP)、A2(xA2，yA2，H－zP)、A3(xA3，yA3，H－zP)、A4(xA4，yA4，H－zP)；末端清洗机构连接点P的坐标在每个时刻均为已知量；
第四步，运动控制器根据驱动电缆每个时刻的长度，同时驱动四个绕线电动机，使驱动电缆末端合成网箱清洗路径，末端清洗机构对网箱进行清洗作业。
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