CN108818521B - 一种面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征是它包括刚性多关节机器人、柔性机器人、水下相机和控制系统，其中刚性多关节机器人、柔性机器人和水下相机依次串联。柔性机器人由若干柔性运动单元串联组成，每个柔性运动单元采用中空状柔性骨架和气动人工肌肉柔性驱动器，实现多自由度的空间灵活运动，将水下相机穿过狭窄空间送至水下待检测处，采用气动人工肌肉驱动避免了驱动器水下密封的难题，机器人工作可靠且结构紧凑。机器人控制系统可采用交互控制、程序界面控制和自动控制方式。控制系统实时感知机器人的末端位姿及机器人与水下结构的接触力，结合柔性机器人的结构与驱动柔性，能保证柔性机器人从狭窄空间顺利进退，既不会造成柔性机器人的损坏，也不会妨碍水下设施的运行，使用安全可靠，解决了水下狭窄空间的检测难题。

Description

一种面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统

技术领域

本发明属于柔性机器人领域，具体涉及一种面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统。

背景技术

船闸是水运交通的重要枢纽。随着船闸的高频率运转，应急保障工作特别是高效的水下设施检测手段就成为船闸安全运转的重要保证。船闸水下运行设施主要包括阀门和闸门设施等，阀门水下待检测设施包括阀门主轨道、主滚轮和止水，闸门水下待检测设施包括底枢和止水，其中阀门水下空间的结构更为复杂，通常位于水面以下10米左右，且深度方向运动范围大，因此需要检测的范围大。目前船闸水下设施检测采用潜水员下水触摸的方法，船闸水下结构复杂，存在潜水员无法到达的检查盲区，且内河水质浑浊，严重影响水下检测效果。潜水员在水下工作时效率低，危险性高，受水下环境和人为因素影响大。

随着水运事业的发展，部分船闸进行扩容改建。为提高船闸的过闸效率，部分新扩建船闸采用长廊道分散输水系统，以提高闸室内的镇静段长度，充分发挥船闸闸室的容量。但这种结构导致阀门处结构更为复杂，空间狭小，潜水员很难进入，否则很可能会导致潜水员无法返回的危险。

传统水下机器人（ROV）已应用于水下检测、安全搜救等场合，但由于其体积较大，目前通常用于水下自由空间的检测。连续型柔性机器人采用柔性结构与柔性驱动，具有传统离散型刚性多关节机器人无法媲美的优良弯曲性能，可以柔顺而灵活地改变自身的形状，对工作空间狭小的环境和非结构化环境具有较强的适应能力。目前还没有针对船闸水下狭窄空间检测的机器人，主要原因在于船闸水下结构复杂、空间狭小，对机器人的运动能力提出了较高要求。水下的非结构化环境检测要求机器人能安全进入水下空间待检处，并能安全退出，既不能造成机器人系统的损坏，更不能由于机器人不能退出而造成船闸设施不能运转。

因此，本发明根据柔性机器人的特点，将柔性机器人引入到船闸水下检测中，为船闸水下设施的检测提供一种全新的技术方案。

发明内容

本发明目的是针对现有的水下狭窄空间探测因缺少理想的设备而造成探测不准或安全隐患大的问题，设计一种面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，以利于船闸水下狭窄空间处的设施检测，或其它行业（如水利、船舶等）水下设施的检测。

本发明的技术方案是：

一种面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，包括刚性多关节机器人、柔性机器人、水下相机、控制系统等。

所述刚性多关节机器人安装于基座，末关节为移动方向为水深方向的移动关节，在移动关节的移动部件上串联装有多维力传感器和随动夹持器，在移动关节的固定部件上装有固定夹持器，所述随动夹持器和固定夹持器采用交替夹持Z向杆的方法实现Z向杆在水深方向的大范围运动。

进一步地，所述柔性机器人串联于Z向杆的末端，由Z向杆将柔性机器人送至水下狭窄空间处，Z向杆的大范围运动带动柔性机器人的大范围运动。

进一步地，所述多维力传感器用于获取Z向杆和柔性机器人在水下运动时与水下结构的接触力，根据该力分析机器人与水下设施是否接触：当分析结果大于设定值时系统报警并停止，防止柔性机器人与水下设施发生碰撞。

所述柔性机器人包含若干可产生弯曲、伸缩自由度运动的柔性运动单元串联组成，可以实现水下三维空间的复杂运动。

进一步地，所述柔性机器人末端安装有位姿传感器和水下相机，位姿传感器用于获取柔性机器人的末端位姿。所述柔性机器人通过多自由度运动穿过水下狭窄空间，将安装于其末端的水下相机送到水下待检处。

进一步地，所述柔性运动单元由柔性骨架和若干柔性驱动器组成。所述柔性骨架为可伸缩和弯曲的中空状柔性结构，柔性骨架的中空结构中布置气管、电源线缆和控制线缆等全部管线。所述柔性运动单元外形为圆柱形，外部无凸出结构或绳索等，防止柔性机器人在水下狭窄空间运动时被水下结构卡住或勾住，保证机器人的顺利进退。所述柔性驱动器可产生线性伸缩运动。

进一步地，所述柔性运动单元采用 “驱动器+驱动绳”的绳驱动方式或直接驱动方式：绳驱动方式是将若干驱动绳纵向布置于柔性骨架的内部或纵向穿过柔性骨架，每个驱动绳由一根柔性驱动器拉动；直接驱动方式是将若干柔性驱动器布置于中空状柔性骨架内。

进一步地，所述柔性运动单元一侧的若干柔性驱动器收缩时，柔性运动单元将向该侧产生连续弯曲运动，当该若干驱动器复位时，柔性运动单元也会变直。当所有驱动器全部收缩时，则柔性运动单元也收缩，当所有驱动器全部复位时，柔性运动单元也伸长至原长。

所述水下相机通过调节水下相机的镜头焦距、光圈和光源亮度，实现水下的近距离和远距离观测：当近距离观测时，将相机的前端玻璃直接抵靠在待观测物体上获取图像，可以避免浑浊水体对图像质量的影响；当远距离观测时，可以获取更大的观测范围。

所述机器人控制系统包括控制计算机、机器人控制器和操控箱。

进一步地，所述机器人系统具有三种控制方式：交互控制、程序界面控制和自动控制，其中：交互控制方式通过操控箱面板上的操纵杆控制刚性多关节机器人和柔性机器人的运动、通过水下相机的调节旋钮调节水下相机；程序界面控制方式通过控制软件界面输入机器人的运动参数和相机控制参数，点击界面上的按钮实现机器人系统的控制；自动控制方式根据机器人的期望位姿进行可避障的路径规划，实现机器人的自动运动控制。

进一步地，所述机器人控制器根据控制计算机发出的运动指令，产生刚性关节机器人运动控制所需的脉冲信号和柔性机器人运动控制所需的气压信号。

进一步地，所述操控箱包括控制机器人运动的操纵杆及控制光源亮度、焦距和光圈的旋钮。

本发明的有益效果是：

本发明采用刚性多关节机器人将柔性机器人送至水下狭窄空间，其末移动关节采用交替夹持的方法实现柔性机器人在水深方向的大范围运动。柔性机器人由若干柔性运动单元串联组成，每个柔性运动单元采用中空状柔性骨架和气动人工肌肉柔性驱动器，实现多自由度的空间灵活运动，将水下相机穿过狭窄空间送至水下待检测处，采用气动人工肌肉驱动避免了驱动器水下密封的难题，机器人工作可靠且结构紧凑。机器人控制系统可采用交互控制、程序界面控制和自动控制方式。控制系统实时感知机器人的末端位姿及机器人与水下结构的接触力，结合柔性机器人的结构与驱动柔性，能保证柔性机器人从狭窄空间顺利进退，既不会造成柔性机器人的损坏，也不会妨碍水下设施的运行，使用安全可靠，解决了水下狭窄空间的检测难题。

本发明不仅解决了船闸水下狭窄空间处的设施检测难题，还可以用于其它行业（如水利、船舶等）水下设施的检测。

本发明操作方便，安全可靠，彻底解决了人类无法到达水域的水底探测，为下一步设备检修或开展科研活动提供了保障。

附图说明

图1是本发明的柔性机器人结构示意图。

图中：1为刚性多关节机器人；2为柔性机器人；3为水下相机；4为控制系统；1-1为刚性多关节机器人本体；1-2为多维力传感器；1-3为上夹头；1-4为下夹头；1-5为Z向杆；2-1为柔性运动单元；2-2为位姿传感器。

图2为本发明的柔性运动单元的结构示意图。

图中：2-1-1为气管，2-1-2为压板，2-1-3为碳纤维管，2-1-4为气动人工肌肉，2-1-5为导向板，2-1-6为连接环，2-1-7为拉杆，2-1-8为驱动绳，2-1-9为中空柔性骨架，2-1-10为接头。

图3为本发明的控制系统框图。

图中：4-1为控制计算机，4-2为操控箱，4-3为机器人控制器。

图4为本发明的操控箱面板示意图。

图中：4-2-1为关节机器人操纵杆、4-2-2为柔性机器人操纵杆、4-2-3为夹头控制按钮、4-2-4为相机光源亮度调节旋钮、4-2-5为相机镜头焦距调节旋钮、4-2-6为相机镜头光圈调节旋钮、4-2-7为相机视频信号输入接口、4-2-8为显示器。

图5为本发明的控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

如图1-5所示。

一种面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，包含刚性多关节机器人1、柔性机器人2、水下相机3、控制系统4等。如图1所示。刚性多关节机器人1安装于基座上，其末关节为移动关节，包括多关节机器人本体1-1、多维力传感器1-2、上夹头1-3、下夹头1-4和Z向杆1-5。所述多维力传感器1-2安装在多关节机器人1末关节的移动部件上，上夹头1-3与多维力传感器1-2固连。所述下夹头1-4安装在多关节机器人1末关节的固定部件上。用于获取柔性机器人2末端的位姿信息的位姿传感器2-2和水下相机3固连于柔性机器人2末端。如图1所示。当上夹头1-3夹持住Z向杆1-5时，多关节机器人1的末关节带动Z向杆1-5产生线性运动。当末关节运动到行程终点时，先由下夹头1-4夹持住Z向杆1-5，上夹头1-3松开，多关节机器人1的末关节带动上夹头1-3反向运动到行程终点后，上夹头1-3再次夹持住Z向杆1-5，下夹头1-4松开，多关节机器人1的末关节带动Z向杆1-5继续运动。采用这种交替式夹持的方法实现Z向杆1-5的大行程运动，满足柔性机器人在水下大深度范围运动的要求。所述多维力传感器1-2用于获取Z向杆1-5在运动时的力数据。柔性机器人2与Z向杆1-5串联安装，它包括若干柔性运动单元2-1和位姿传感器2-2，如图2所示。

柔性运动单元2-1可采用“驱动器+驱动绳”的绳驱动方式或直接驱动方式，当采用图2所示的“驱动器+驱动绳”的绳驱动方式时，所述的柔性运动单元2-1包括气管2-1-1、上压板2-1-2、碳纤维管2-1-3、气动人工肌肉2-1-4、导向板2-1-5、连接环2-1-6、拉杆2-1-7、驱动绳2-1-8、中空柔性骨架2-1-9和接头2-1-10。所述上压板2-1-2与碳纤维管2-1-3的上端固连，所述气动人工肌肉2-1-4安装在碳纤维管2-1-3内，气动人工肌肉2-1-4的上端与上压板2-1-2固连，其下端与拉杆2-1-7的上端固连。拉杆2-1-7穿过导向板2-1-5，导向板2-1-5与碳纤维管2-1-3的下端固连，导向板2-1-5为拉杆2-1-7的运动提供导向，拉杆2-1-7的下端与驱动绳2-1-8的上端固连。驱动绳2-1-8穿过柔性骨架2-1-9四周的纵向孔，驱动绳2-1-8的下端与柔性骨架2-1-9的下端固连。柔性骨架2-1-9的上端通过连接环2-1-6与碳纤维管2-1-3固连，下端与接头2-1-10固连，接头2-1-10用于与后续的柔性运动单元或传感部件连接。柔性骨架2-1-9可以伸缩或弯曲。当给柔性骨架2-1-9一侧的若干人工肌肉2-1-4供压缩空气时，该若干人工肌肉2-1-4收缩，可以使柔性骨架2-1-9产生向该侧的连续弯曲运动；当压缩气体压力为0后，该若干人工肌肉2-1-4复位，柔性骨架2-1-9变直。当给一周的人工肌肉2-1-4供压缩空气时，该人工肌肉2-1-4收缩，可以使柔性骨架2-1-9产生收缩运动；当压缩气体压力为0后，该人工肌肉2-1-4复位，柔性骨架2-1-9伸长至原长。

柔性运动单元2-1采用直接驱动方式时，是采用将气动人工肌肉2-1-4布置于柔性骨架2-1-9内的方式，气动人工肌肉2-1-4的上端与上压板固连，气动人工肌肉2-1-4的下端与导向板2-1-5固连。当柔性骨架2-1-9一侧的若干人工肌肉2-1-4收缩时，柔性骨架2-1-9向该侧弯曲；当柔性骨架2-1-9四周的人工肌肉2-1-4收缩时，柔性骨架2-1-9将收缩。当压缩气体压力为0时，柔性骨架2-1-9变直或伸长至原来的状态。

水下相机3、水下相机3的光源及镜头调节装置、位姿传感器2-2的数据、电源及控制线缆均布置于柔性骨架2-2-9和碳纤维管2-2-3内，柔性机器人2呈圆柱形，外侧无明显的凸出结构或线缆，在水下狭窄空间运动时，柔性机器人2不会被卡住或钩住，有利于机器人的顺利进出。

本发明的控制系统4包括控制计算机4-1、操控箱4-2、机器人控制器4-3，如图3所示。所述控制计算机4-1实时采集多维力传感器1-2的力数据，用于判断机器人在运动过程中是否与水下结构发生碰撞。所述控制计算机4-1实时采集位姿传感器2-2的位姿数据，用于判断柔性机器人2末端的位姿。

操控箱4-2包括多关节机器人操纵杆4-2-1、柔性机器人操纵杆4-2-2、夹头控制按钮4-2-3、相机光源亮度调节旋钮4-2-4、相机镜头焦距调节旋钮4-2-5、相机镜头光圈调节旋钮4-2-6、相机视频信号输入接口4-2-7、显示器4-2-8，如图4所示。机器人操纵杆4-2-1和4-2-2在被推动时，产生的信号被控制计算机获取。夹头控制按钮4-2-3在被按下或松开时，上夹头1-3和下夹头1-4产生相应的夹紧或松开动作。相机视频信号输入接口4-2-7用于输入水下相机3的视频信号输出口，显示器4-2-8用于显示视频及程序界面。

本发明的控制系统4有三种控制方式：交互控制、程序界面控制和自动控制方式，如图5所示。

在所述交互控制方式中，控制计算机4-1获取操纵杆4-2-1和4-2-2的输入信号，根据输入信号与刚性多关节机器人1及柔性机器人2各轴运动速度之间的比例关系计算运动参数，控制计算机4-1根据水下三维结构与机器人1和2的运动轨迹计算运动过程中的最小距离，以判断是否可能产生接触：

①如果最小距离小于设定值，则认为可能产生碰撞，控制系统4报警；

②如果最小距离大于设定值，则将运动参数传送给机器人控制器4-5；

机器人控制器4-3将运动参数转换为电脉冲信号和气压信号，分别用于控制刚性多关节机器人1和柔性机器人2。刚性多关节机器人1和柔性机器人2在运动过程中，控制计算机4-1根据实时采集到的多维力传感器1-2信号，分析刚性多关节机器人1和柔性机器人2在运动时是否与水下设施产生接触：①如果接触，控制系统4报警并停止机器人1和2的运动；②如果没有接触，继续完成控制指令，直到机器人1和2完成任务。

在所述交互控制方式中，旋转相机光源亮度调节旋钮4-2-4、相机镜头焦距调节旋钮4-2-5和相机镜头光圈调节旋钮4-2-6，分别调节相机光源的亮度、相机镜头的焦距和光圈大小。

在所述程序界面控制方式中，通过程序界面输入机器人1和2的运动参数。同样控制计算机4-1计算机器人1和2在运动过程是否可能产生碰撞：如果有碰撞则报警停止；如果没有碰撞则控制机器人运动。同样，控制计算机在机器人运动过程中实时判断是否有碰撞产生：如果有碰撞则报警停止；如果没有碰撞，则完成该运动指令，直到机器人1和2完成任务。在所述程序界面控制方式中，通过程序界面输入相机光源、镜头焦距和光圈的参数进行相机的调节。

在所述自动控制方式中，通过程序界面输入机器人1和2的期望位姿，控制计算机进行机器人1和2的运动规划，对于规划的路径计算是否可能碰撞：如果碰撞则重新规划；如果没有碰撞则控制机器人1和2运动。同样，控制计算机在机器人运动过程中实时判断是否有碰撞产生：如果有碰撞则报警停止；如果没有碰撞，则机器人1和2继续运动，直到完成运动路径。在所述自动控制方式中，在柔性机器人2末端到达期望位姿后及后续检测过程中，控制计算机计算所获取图像的梯度能量函数，根据该函数最大化的基本原理实现焦距、光圈和光源亮度的自动调节。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征在于它包括：

一刚性多关节机器人，该刚性多关节机器人安装于基座上，其末关节为移动关节，且移动方向为水深方向；它包括多关节机器人本体（1-1）、多维力传感器（1-2）、上夹头（1-3）、下夹头（1-4）和Z向杆（1-5）；所述多维力传感器（1-2）安装在多关节机器人（1）末关节的移动部件上，上夹头（1-3）与多维力传感器（1-2）固连；所述下夹头（1-4）安装在多关节机器人（1）末关节的固定部件上；用于获取柔性机器人（2）末端的位姿信息的位姿传感器（2-2）和水下相机（3）固连于柔性机器人（2）末端；当上夹头（1-3）夹持住Z向杆（1-5）时，多关节机器人（1）的末关节带动Z向杆（1-5）产生线性运动；当末关节运动到行程终点时，先由下夹头（1-4）夹持住Z向杆（1-5），上夹头（1-3）松开，多关节机器人（1）的末关节带动上夹头（1-3）反向运动到行程终点后，上夹头（1-3）再次夹持住Z向杆（1-5），下夹头（1-4）松开，多关节机器人（1）的末关节带动Z向杆（1-5）继续运动；采用这种交替式夹持的方法实现Z向杆（1-5）的大行程运动，满足柔性机器人在水下大深度范围运动的要求；所述多维力传感器（1-2）用于获取Z向杆（1-5）在运动时的力数据；柔性机器人（2）与Z向杆（1-5）串联安装，它包括若干柔性运动单元（2-1）和位姿传感器（2-2）；

一柔性机器人，该柔性机器人由若干可产生多自由度运动的柔性运动单元相串联组成，在柔性机器人的末端安装位姿传感器和水下相机；该柔性机器人的上端与刚性多关节机器人的末移动关节相连；所述柔性运动单元包括柔性骨架和若干柔性驱动器，其中：柔性骨架采用可弯曲和伸缩的中空状弹性结构，柔性驱动器能产生线性伸缩；所述柔性运动单元采用“柔性驱动器+驱动绳”的绳驱动方式或直接驱动方式；所述绳驱动方式将驱动绳沿纵向布置在柔性骨架的四周，穿过柔性骨架或布置在柔性骨架内部，驱动绳的首端与柔性驱动器的末端串联，其末端与柔性骨架的末端固连；所述直接驱动方式是将柔性驱动器布置于柔性骨架的内部四周，柔性驱动器的首末两端分别与柔性骨架的首末两端固连；所述柔性驱动器按照一定规律伸缩时，柔性骨架将产生相应的连续弯曲和伸缩运动：当一侧的若干驱动器收缩时，能使柔性骨架产生向该侧的连续弯曲运动，当该若干驱动器复位时，柔性骨架也伸直；当四周的驱动器都收缩时，则柔性骨架产生线性收缩，当驱动器均复位时，柔性骨架也伸长至原长；

一水下相机，该水下相机安装在柔性机器人的末端，它能通过调节镜头焦距、光圈和光源的亮度，实现近距离或远距离观测，当近距离观测时，水下相机的前端玻璃能直接抵靠在被观测物体上获取清晰图像；

一控制系统；该控制系统包括控制计算机、机器人控制器和操控箱；机器人控制器根据机器人运动指令产生相应的控制信号，分别用于刚性关节机器人和柔性机器人的控制；所述控制计算机通过多维力传感器采集柔性机器人运动过程中的力，根据该力分析得到的接触力大于设定值时，控制系统发出报警；所述控制计算机通过位姿传感器采集柔性机器人末端的实际位姿，作为反馈提供给控制计算机，供操作者参考或实现柔性运动单元的闭环控制。

2.根据权利要求1所述的面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征在于：所述的末移动关节的移动部件上通过多维力传感器安装有随动夹持器，在末移动关节的固定部件上安装有固定夹持器，两个夹持器交替夹紧中空的Z向杆，在Z向杆的末端串联柔性机器人，采用两个夹持器交替夹持的方法实现Z向杆在水深方向的大范围运动。

3.根据权利要求1所述的面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征在于：所述的柔性机器人系统的结构外形为圆柱形，在圆柱形外无其它线缆、绳索或凸出的结构；所述水下相机和柔性运动单元的所有线缆均布置于中空状柔性骨架和中空的Z向杆内。

4.根据权利要求1所述的面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征在于：所述的机器人系统采用交互控制方式、程序界面控制或自动控制的控制方式。

5.根据权利要求4所述的面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征在于：所述的交互控制方式是通过操控箱面板上的交互装置控制机器人系统。

6.根据权利要求5所述的面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征在于：所述的操控箱面板上的交互装置包括操纵杆、相机光源亮度控制旋钮、相机焦距和光圈调节旋钮；所述操纵杆在被推动时产生多自由度角度信号，每个自由度信号用于控制刚性多关节机器人或柔性机器人的每个轴；该角度信号被控制计算机采集，控制计算机根据角度信号与各轴运动速度之间的比例关系输出控制信号，控制机器人运动；所述光源亮度控制旋钮用于控制相机的光源亮度；所述相机焦距和光圈调节旋钮用于控制相机的焦距和光圈。

7.根据权利要求5所述的面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征在于：所述的程序界面控制方式是通过程序界面输入数据、点击程序界面按钮实现机器人系统的控制。

8.根据权利要求5所述的面向水下狭窄空间检测的柔性机器人系统，其特征在于：所述的自动控制方式是根据柔性机器人的当前位姿和期望位姿，通过机器人的逆运动学分析计算出各关节运动变量，结合水下结构的三维模型规划出可避障的机器人运动路径，同时根据机器人末端位姿的反馈进行闭环控制，使机器人的末端到达期望位置。

Images