CN108945359B - 一种多足机器人水下滑翔方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多足机器人水下滑翔方法，其中多足机器人包括主体结构、左侧第一至第四机械足、右侧第一至第四机械足、控制系统、电池组、浮力调节装置和重心调节装置；该多足机器人通过机械足驱动电机旋转使机械足合并组成完整的滑翔翼，在浮力和重心周期变化下实现行走和水下滑翔两种模式的自如切换，并且具有自动校正航向功能；该方法具备作业范围广，环境适应能力强，运动模式多样的优点，在近海平台基座巡检的过程中既可以通过爬行近距离多方位观测，又可以通过滑翔模式方便的切换作业地点，因此该项目的探索研究对于近海平台巡检具有重要意义。

Description

一种多足机器人水下滑翔方法

技术领域

本发明为涉及海洋与航行领域，为一种具有行走和滑翔双模式切换的多足机器人水下滑翔方法。

背景技术

随着我国海洋强国战略的不断推进，对海洋资源的不断开发，海洋石油钻井平台的数量也飞速增长。目前我国正在服役的海洋平台有160多座，其中大约有30％在役的近海平台进入老龄化，对这些平台基座裂纹与腐蚀状态的定期巡检可以在确保安全的情况下延长5-10年服役期，产生高达数十亿元的经济效益。

现有的海洋平台基座巡检一般是依靠潜水员，成本高且安全性较低。传统的遥控水下机器人(ROV)在水中航行，操控方便，且其发展已较为成熟，是目前进行近海平台基座巡检的主要工具，但其效果往往不尽人意。海底地形崎岖不平且环境复杂多变，存在着大量的淤泥、岩石，传统的ROV无法近距离多方位对海底设施进行巡检，由于近海海水能见度低，ROV巡检的准确性不足；在近海浪和流作用剧烈，其运动性能易受影响；近海海底有大量的海洋沉积物和海洋生物，ROV在运动过程中螺旋桨和脐带缆容易被水草等海洋植物缠绕，影响其巡检效果。人们迫切需要一种可以在崎岖的海底、滩涂、淤泥灵活稳定运动的特种机器人来完成近海平台基座的巡检。

相比于传统ROV，以多足爬行为主要运动模式的多足机器人具备紧贴地面运动的能力，可以近距离多方位观察海底平台基座裂纹与腐蚀状态，巡检的准确性有很大提高，且多足机器人机体形状扁平，不易受浪和流的影响。

目前，水下滑翔机的技术已日趋完善，其驱动系统巧妙地利用了航行时浮力的变化，将航行器的浮力变换转换为前进驱动力，从而降低能耗，实现了水下航行器的长时间水下航行。水下滑翔机的低功耗运动模式为多足机器人转换作业地点困难提供了解决方案。水下滑翔机的滑行运动离不开大翼展滑翔翼，多足机器人可以通过同一套机械结构变形实现步行足与水下滑翔机滑翔翼之间的转换，使多足机器人与水下滑翔机的结合成为可能。将水下滑翔机浮力调节与重心调节技术应用于多足机器人，通过变形实现行走和滑翔模式的切换。

发明内容

本发明融合足式行走技术与浮力姿态调节技术，设计一型兼具仿生蟹灵活稳定和水下滑翔机能耗低、作业时间长特点的多足机器人。该多足机器人搭载液压油浮力调节装置和重心调节装置，通过机械足驱动电机旋转使机械足合并组成完整的滑翔翼，在浮力和重心周期变化下实现水下滑翔，使其具备作业范围广，环境适应能力强，运动模式多样的优点，在近海平台基座巡检的过程中既可以通过爬行近距离多方位观测，又可以通过滑翔模式方便的切换作业地点。该项目的探索研究对于近海平台巡检具有重要意义。

本发明为一种多足机器人水下滑翔方法，其特征在于：方法分为四个步骤，分别为多足机器人结构设定、多足机器人外形结构切换、多足机器人工作模式切换和多足机器人航向调整与校正；

多足机器人水下滑翔方法具体步骤如下：

一、多足机器人结构设定：

多足机器人包括主体结构、左侧第一至第四机械足、右侧第一至第四机械足、控制系统、电池组、浮力调节装置和重心调节装置；

多足机器人的基本运动模式为行走模式，即通过各个机械足上驱动电机输出轴的旋转进行海底行走，多足机器人的另一种运动模式为通过机械足变形转化为滑翔模式，通过浮力调节装置和重心调节装置协调工作，使多足机器人在海底到海面之间的竖直面内滑翔前进，实现远距离迁移，滑翔模式分为向上滑翔模式和向下滑翔模式；

主体结构是由高强度轻质材料构成的八边形立方体，为多足机器人的主体支撑与连接结构；

多足机器人左右两侧对应的机械足具有相同的基本结构，每个机械足由内向外依次包括第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和与驱动电机对应的第一足节、第二足节、第三足节，其中驱动电机皆为蜗轮蜗杆电机，足节皆由高强度轻质材料构成，第一足节上皆有两个相互垂直的轴孔，分别为水平方向轴孔和竖直方向轴孔，第二足节上皆有一个轴孔；第三足节在每个机械足最外侧，与第三驱动电机固定，第三驱动电机的输出轴在水平方向上与第二足节的轴孔串联，第二足节与第二驱动电机固定，第二驱动电机的输出轴在水平方向上与第一足节的水平方向轴孔串联，第一足节的竖直方向轴孔与第一驱动电机串联，第一驱动电机固定在主体结构上；相较于第一至第三机械足，第四机械足的第一驱动电机上还包含数据采集器，数据采集器内嵌在第四机械足的第三足节上，并连入GPS全球定位系统；

浮力调节装置与重心调节装置互相配合，给处于滑翔模式的多足机器人提供升力，浮力调节装置包括中继阀、油缸、油泵、电磁阀和柔性油囊，中继阀处于浮力调节装置的始端，油缸的输入口和柔性油囊的输出口与中继阀相连，油缸的输出口和柔性油囊的输入口与油泵相连，其中油缸、油泵和电磁阀布置在主体结构内，柔性油囊布置在主体结构外并与水体接触；

重心调节装置沿主体结构的中轴线布置在主体结构内部，包括驱动电机、丝杆、滑道和滑块，其中滑块上有螺纹孔，驱动电机的输出轴串联丝杆，丝杆通过螺纹孔串联滑块，电池组作为调节重心的重物与滑块固定，电池组的两边跨在滑道上，工作时驱动电机带动丝杆旋转，使滑块可以前后移动，并带动电池组在滑道上前后移动；

电池组不仅作为重心调节装置中调节重心的重物，还作为电源给多足机器人中的驱动电机供电；

控制系统布置在主体结构内部，包括中央处理器和作动器，中央处理器与作动器通过无线通讯相连，作动器分别与重心调节装置和浮力调节装置相连；中央处理器对作动器发号指令，命令作动器对多足机器人切换行走模式或滑翔模式；进一步解释为：与重心调节装置相连的作动器通过控制重心调节装置的驱动电机来间接改变驱动电机的滑块及电池组的位置，达到改变多足机器人重心的目的，与浮力调节装置相连的作动器通过控制浮力调节装置的电磁阀的开闭，达到改变多足机器人浮力大小的目的，与重心调节装置相连的作动器和与浮力调节装置相连的作动器相互配合，使得多足机器人在行走和滑翔模式之间自如切换；

二、多足机器人外形结构切换：

通过第三驱动电机和第二驱动电机带动对应的输出轴在水平方向上旋转，使得多足机器人每一侧的第一至第三机械足伸展到水平位置，通过第一驱动电机带动对应的输出轴在竖直方向上旋转，使前三个机械足并拢到一起形成一个板状结构，板状结构的横截面为对称翼形结构，即前三个机械足上的每一个足节都是对称翼形结构的一部分，多足机器人每一侧的第四个机械足通过第一驱动电机来进行旋转，使得第二足节指向多足机器人后方，第三足节的末端为片状结构；

三、多足机器人工作模式切换：

多足机器人在进行海底行走任务即处于行走模式时，浮力调节装置的油泵工作，将外部柔性油囊中的油全部抽入油缸，使得多足机器人排水量最小，对地面压力最大；

当多足机器人从行走模式切换到向上滑翔模式时，浮力调节装置增大排水量，重心调节装置将电池组后移，使得多足机器人倾斜上浮，对称翼形结构产生的升力与多足机器人的重力和浮力平衡，对称翼型结构产生的力矩与多足机器人的重心、浮心偏离产生的力矩平衡，使得多足机器人稳定地倾斜向上滑翔；

当多足机器人处于向下滑翔模式时，浮力调节装置减小排水量，重心调节装置将电池组前移，使得多足机器人倾斜下沉，对称翼形结构产生的降力与多足机器人的重力和浮力平衡，对称翼型结构产生的力矩与多足机器人的重心、浮心偏离产生的力矩平衡，使得多足机器人稳定地倾斜向下滑翔；

四、多足机器人航向调整与校正：

在多足机器人工作时，第四机械足的第一驱动电机上的数据采集器将多足机器人的实际航线数据传回到控制系统的中央处理器上，中央处理器将传回的实际航线数据与自身内部的理论航线进行比对，得出多足机器人航线偏移量，进而改变左右两侧第四机械足与主体结构中轴线之间的夹角，使片状的第四机械足上的第三足节起到方向舵的作用，从而控制多足机器人的滑翔航向，使得多足机器人回到理论航线，其中多足机器人航线偏移量的计算公式如下：

其中T为矩阵转置符号，t为多足机器人的运行时刻，D(t)为多足机器人运行在t时刻的航线偏移量，p＝(x,y,z)^T为多足机器人的实际坐标点，x为多足机器人的实际横向坐标值，y为多足机器人的实际纵向坐标值，z为多足机器人的实际垂向坐标值，p(t)为多足机器人运行在t时刻的实际坐标点，q＝(a,b,c)^T为多足机器人的理论坐标点，a为多足机器人的理论横向坐标值，b为多足机器人的理论纵向坐标值，c为多足机器人的理论垂向坐标值，q(t)为多足机器人运行在t时刻的理论坐标点，X为p(t)与q(t)之间的协方差矩阵，-1为逆矩阵符号；理论坐标点与三个理论坐标值都是理论航线中的参考值，实际坐标点和理论坐标点都是以地球为参考系，横向坐标值、纵向坐标值和垂向坐标值为三维笛卡尔坐标系的三个方向轴上的数值。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例：本发明为一种多足机器人水下滑翔方法，它包括主体结构、左侧第一至第四机械足、右侧第一至第四机械足、控制系统、电池组、浮力调节装置和重心调节装置。

主体结构是由高强度轻质材料构成的八边形立方体，为多足机器人的主体支撑与连接结构。

多足机器人左右两侧对应的机械足具有相同的基本结构，每个机械足由内向外依次包括第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和与驱动电机对应的第一足节、第二足节、第三足节，其中驱动电机皆为蜗轮蜗杆电机，足节皆由高强度轻质材料构成，第一足节上皆有两个相互垂直的轴孔，分别为水平方向轴孔和竖直方向轴孔，第二足节上皆有一个轴孔；第三足节在每个机械足最外侧，与第三驱动电机固定，第三驱动电机的输出轴在水平方向上与第二足节的轴孔串联，第二足节与第二驱动电机固定，第二驱动电机的输出轴在水平方向上与第一足节的水平方向轴孔串联，第一足节的竖直方向轴孔与第一驱动电机串联，第一驱动电机固定在主体结构上；相较于第一至第三机械足，第四机械足的第一驱动电机上还包含数据采集器，数据采集器内嵌在第四机械足的第三足节上，并连入GPS全球定位系统。

浮力调节装置包括中继阀、油缸、油泵、电磁阀和柔性油囊，中继阀处于浮力调节装置的始端，油缸的输入口和柔性油囊的输出口与中继阀相连，油缸的输出口和柔性油囊的输入口与油泵相连，其中油缸、油泵和电磁阀布置在主体结构内，柔性油囊布置在主体结构外并与水体接触。

重心调节装置沿主体结构的中轴线布置在主体结构内部，包括驱动电机、丝杆、滑道和滑块，其中滑块上有螺纹孔，驱动电机的输出轴串联丝杆，丝杆通过螺纹孔串联滑块，电池组作为调节重心的重物与滑块固定，电池组的两边跨在滑道上，工作时驱动电机带动丝杆旋转，使滑块可以前后移动，并带动电池组在滑道上前后移动。

电池组采用6s4p高倍率锂电池，为水下机器人定制电池，使用24节9CLGHE4的18640电芯能够达到40a的持续放电不发热，有很好的续航和防水能力，并具有一定的重量；它不仅作为重心调节装置中调节重心的重物，还作为电源给多足机器人中的驱动电机供电。

控制系统布置在主体结构内部，包括中央处理器和作动器，中央处理器与作动器通过无线通讯相连，作动器分别与重心调节装置和浮力调节装置相连；中央处理器采用英特尔i5-7000CPU，它有6.0MB的高速缓存，对作动器发号指令，命令作动器对多足机器人切换行走模式或滑翔模式，作动器通过控制重力调节装置和浮力调节装置，实现多足机器人的行走模式和滑翔模式。

当多足机器人处于滑翔模式时，通过第一驱动电机和第二驱动电机带动对应的输出轴在水平方向上旋转，使得多足机器人每一侧的第一至第三机械足伸展到水平位置，通过第一驱动电机带动对应的输出轴在水平方向上旋转，使前三个机械足并拢到一起形成一个板状结构，板状结构的横截面为对称翼形结构，即前三个机械足上的每一个足节都是对称翼形结构的一部分，多足机器人每一侧的第四个机械足通过第一驱动电机来进行旋转，使得第二足节指向多足机器人后方，第三足节的末端为片状结构。

当多足机器人在进行海底行走任务即处于行走模式时，浮力调节装置的油泵工作，将外部柔性油囊中的油全部抽入油缸，使得多足机器人排水量最小，对地面压力最大。

当多足机器人从行走模式切换到向上滑翔模式时，浮力调节装置增大排水量，重心调节装置将电池组后移，使得多足机器人倾斜上浮，对称翼形结构产生的升力与多足机器人的重力和浮力平衡，对称翼型结构产生的力矩与多足机器人的重心、浮心偏离产生的力矩平衡，使得多足机器人稳定地倾斜向上滑翔。

当多足机器人处于向下滑翔模式时，浮力调节装置减小排水量，重心调节装置将电池组前移，使得多足机器人倾斜下沉，对称翼形结构产生的降力与多足机器人的重力和浮力平衡，对称翼型结构产生的力矩与多足机器人的重心、浮心偏离产生的力矩平衡，使得多足机器人稳定地倾斜向下滑翔。

当多足机器人要改变或校正航向时，第四机械足的第一驱动电机上的数据采集器将多足机器人的实际航线数据传回到控制系统的中央处理器上，中央处理器将传回的实际航线数据与存储在中央处理器中DDR4-2133/2400,DDR3L型号的内存上的理论航线数据进行比对，得出多足机器人航线偏移量，进而左右两侧第四机械足上的第一驱动电机通过改变与主体结构中轴线之间的夹角，使片状的第三足节起到方向舵的作用，控制多足机器人的滑翔航向，使得多足机器人回到理论航线。

本发明的有益成果在于：多足机器人通过控制系统、浮力调节装置和中心调节装置的联合控制，实现行走模式和滑翔模式的自如切换；同时，通过控制系统中的中央处理器与第四机械足上数据采集器的配合构造一个闭环系统，使得该多足机器人能够在偏离理论设定航向时能自动校正航向。本发明具备作业范围广，环境适应能力强，运动模式多样的优点，在近海平台基座巡检的过程中既可以通过爬行近距离多方位观测，又可以通过滑翔模式方便的切换作业地点。该项目的探索研究对于近海平台巡检具有重要意义。

Claims (1)

1.一种多足机器人水下滑翔方法，其特征在于：所述方法分为四个步骤，分别为多足机器人结构设定、多足机器人外形结构切换、多足机器人工作模式切换和多足机器人航向调整与校正；

所述多足机器人水下滑翔方法具体步骤如下：

一、多足机器人结构设定：

所述多足机器人包括主体结构、左侧第一至第四机械足、右侧第一至第四机械足、控制系统、电池组、浮力调节装置和重心调节装置；

所述多足机器人的基本运动模式为行走模式，即通过各个所述机械足上驱动电机输出轴的旋转进行海底行走，所述多足机器人的另一种运动模式为通过所述机械足变形转化为滑翔模式，通过所述浮力调节装置和所述重心调节装置协调工作，使所述多足机器人在海底到海面之间的竖直面内滑翔前进，实现远距离迁移，所述滑翔模式分为向上滑翔模式和向下滑翔模式；

所述主体结构是由高强度轻质材料构成的八边形立方体，为所述多足机器人的主体支撑与连接结构；

所述多足机器人左右两侧对应的所述机械足具有相同的基本结构，每个所述机械足由内向外依次包括第一驱动电机、第二驱动电机、第三驱动电机和与所述驱动电机对应的第一足节、第二足节、第三足节，其中所述驱动电机皆为蜗轮蜗杆电机，所述足节皆由所述高强度轻质材料构成，所述第一足节上皆有两个相互垂直的轴孔，分别为水平方向轴孔和竖直方向轴孔，所述第二足节上皆有一个轴孔；所述第三足节在每个所述机械足最外侧，与所述第三驱动电机固定，所述第三驱动电机的输出轴在水平方向上与所述第二足节的所述轴孔串联，所述第二足节与所述第二驱动电机固定，所述第二驱动电机的输出轴在水平方向上与所述第一足节的所述水平方向轴孔串联，所述第一足节的所述竖直方向轴孔与所述第一驱动电机串联，所述第一驱动电机固定在所述主体结构上；相较于所述第一至第三机械足，所述第四机械足的第一驱动电机上还包含数据采集器，所述数据采集器内嵌在所述第四机械足的所述第三足节上，并连入GPS全球定位系统；

所述浮力调节装置与所述重心调节装置互相配合，给处于所述滑翔模式的所述多足机器人提供升力，所述浮力调节装置包括中继阀、油缸、油泵、电磁阀和柔性油囊，所述中继阀处于所述浮力调节装置的始端，所述油缸的输入口和所述柔性油囊的输出口与所述中继阀相连，所述油缸的输出口和所述柔性油囊的输入口与所述油泵相连，其中所述油缸、所述油泵和所述电磁阀布置在所述主体结构内，所述柔性油囊布置在所述主体结构外并与水体接触；

所述重心调节装置沿所述主体结构的中轴线布置在所述主体结构内部，包括驱动电机、丝杆、滑道和滑块，其中所述滑块上有螺纹孔，所述驱动电机的输出轴串联所述丝杆，所述丝杆通过所述螺纹孔串联所述滑块，所述电池组作为调节重心的重物与所述滑块固定，所述电池组的两边跨在所述滑道上，工作时所述驱动电机带动所述丝杆旋转，使所述滑块可以前后移动，并带动所述电池组在所述滑道上前后移动；

所述电池组不仅作为所述重心调节装置中调节重心的重物，还作为电源给所述多足机器人中的所述驱动电机供电；

所述控制系统布置在所述主体结构内部，包括中央处理器和作动器，所述中央处理器与所述作动器通过无线通讯相连，所述作动器分别与所述重心调节装置和所述浮力调节装置相连；所述中央处理器对所述作动器发号指令，命令所述作动器对所述多足机器人切换所述行走模式或所述滑翔模式；进一步解释为：与所述重心调节装置相连的所述作动器通过控制所述重心调节装置的所述驱动电机来间接改变所述驱动电机的所述滑块及所述电池组的位置，达到改变所述多足机器人重心的目的，与所述浮力调节装置相连的所述作动器通过控制所述浮力调节装置的所述电磁阀的开闭，达到改变所述多足机器人浮力大小的目的，与所述重心调节装置相连的所述作动器和与所述浮力调节装置相连的所述作动器相互配合，使得所述多足机器人在所述行走和所述滑翔模式之间自如切换；

二、多足机器人外形结构切换：

通过所述第三驱动电机和所述第二驱动电机带动对应的所述输出轴在水平方向上旋转，使得所述多足机器人每一侧的所述第一至第三机械足伸展到水平位置，通过所述第一驱动电机带动对应的所述输出轴在竖直方向上旋转，使前三个所述机械足并拢到一起形成一个板状结构，所述板状结构的横截面为对称翼形结构，即前三个所述机械足上的每一个所述足节都是所述对称翼形结构的一部分，所述多足机器人每一侧的第四个所述机械足通过所述第一驱动电机来进行旋转，使得第二所述足节指向所述多足机器人后方，第三所述足节的末端为片状结构；三、多足机器人工作模式切换：

所述多足机器人在进行海底行走任务即处于所述行走模式时，所述浮力调节装置的所述油泵工作，将外部所述柔性油囊中的油全部抽入所述油缸，使得所述多足机器人排水量最小，对地面压力最大；

当所述多足机器人从所述行走模式切换到所述向上滑翔模式时，所述浮力调节装置增大排水量，所述重心调节装置将所述电池组后移，使得所述多足机器人倾斜上浮，所述对称翼形结构产生的升力与所述多足机器人的重力和浮力平衡，所述对称翼型结构产生的力矩与所述多足机器人的重心、浮心偏离产生的力矩平衡，使得所述多足机器人稳定地倾斜向上滑翔；

当所述多足机器人处于所述向下滑翔模式时，所述浮力调节装置减小排水量，所述重心调节装置将所述电池组前移，使得所述多足机器人倾斜下沉，所述对称翼形结构产生的降力与所述多足机器人的重力和浮力平衡，所述对称翼型结构产生的力矩与所述多足机器人的重心、浮心偏离产生的力矩平衡，使得多足机器人稳定地倾斜向下滑翔；

四、多足机器人航向调整与校正：

在所述多足机器人工作时，所述第四机械足的所述第一驱动电机上的所述数据采集器将所述多足机器人的实际航线数据传回到所述控制系统的中央处理器上，所述中央处理器将传回的所述实际航线数据与自身内部的理论航线进行比对，得出所述多足机器人航线偏移量，进而改变左右两侧所述第四机械足与所述主体结构中轴线之间的夹角，使片状的所述第四机械足上的所述第三足节起到方向舵的作用，从而控制所述多足机器人的滑翔航向，使得所述多足机器人回到所述理论航线，其中所述多足机器人航线偏移量的计算公式如下：

其中T为矩阵转置符号，t为所述多足机器人的运行时刻，D(t)为所述多足机器人运行在t时刻的航线偏移量，p＝(x,y,z)^T为所述多足机器人的实际坐标点，x为所述多足机器人的实际横向坐标值，y为所述多足机器人的实际纵向坐标值，z为所述多足机器人的实际垂向坐标值，p(t)为所述多足机器人运行在t时刻的实际坐标点，q＝(a,b,c)^T为所述多足机器人的理论坐标点，a为所述多足机器人的理论横向坐标值，b为所述多足机器人的理论纵向坐标值，c为所述多足机器人的理论垂向坐标值，q(t)为所述多足机器人运行在t时刻的理论坐标点，X为p(t)与q(t)之间的协方差矩阵，-1为逆矩阵符号；所述理论坐标点与三个所述理论坐标值都是所述理论航线中的参考值，所述实际坐标点和所述理论坐标点都是以地球为参考系，所述横向坐标值、纵向坐标值和垂向坐标值为三维笛卡尔坐标系的三个方向轴上的数值。