CN109774901B - 一种三段式水下变形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三段式水下变形机器人，包括主体段、前变形段和后变形段，前变形段和后变形段分别位于主体段的两端，且能够相对于主体段来回移动；在主体段上设置有滑道，在前变形段和后变形段上设置有与滑道相配合的排孔滑动支架。该机器人通过推进器驱动变形的方式，无外加变形机构便可方便快速水下改变姿态，极大减少了控制复杂度，减少了不必要的软硬件资源的浪费。另外，本发明采用水下双排列红外光短距测定，无外加复杂控制机构即可实现对水下机器人变形长度的伸展或收缩方向判断，并获取准确的变形长度，具有成本低、稳定性高、功耗低等优点。

Description

一种三段式水下变形机器人

技术领域

本发明涉及潜水器领域，具体地说是涉及一种三段式水下变形机器人。

背景技术

随着人类对水下世界的探索的深入，对水下无人潜水器到达人类无法进入的水下区域进行修理、探索、采集等任务的研究已经成为各国海洋研究机构的重点。

开架式水下机器人在海底观测、海洋工程的管道检测与资源开发、水下作业等方面拥有出色的工作性能。开架式水下机器人多指缆控水下机器人，即ROV，具有体积小、运动灵活、性能突出以及成本低等特点，被广泛应用在海洋探测作业领域。同样也在海事、海关、核电、水电、海洋石油、渔业、海上救助等诸多领域发挥了重要的作用。

目前ROV在海洋作业中，由于运动惯性大、海流随机干扰的因素存在，使得机器人姿态随时改变，难以维持在期待的位置，这就需要比较精确的运动控制技术，很多高校、研究所对机器人在水下的姿态控制做了大量的研究工作。但基本机器人的外形、运动模式及工作底盘尺寸是按照某一类任务的需求来设计，硬件结构不能改变，所以不能任意切换机器人形态来适应不同工作任务，更不能通过改变机器人形态来实现对上下运动提速以及通过海洋特殊的地形环境进行地质观测等，也缺少对水下变形程度准确获知的检测技术。

目前已有的机器人变形机构多为电机配置机械结构带动控制，结构复杂，增加了机器人额外的控制负载。而且独立的变形机构控制会使得机器人的控制系统的复杂程度增加，造成不必要的软件资源浪费。现有机器人变形机构还存在变形过程可控性差，不能实时获知变形的程度并锁定形态；姿态调节单一，往往只拥有一到两个姿态，不具备作业姿态通用性，不能改变形态通过地形特殊的海洋环境进行观测及采样等考察活动等等问题。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种三段式水下变形机器人，其不需要复杂的变形机构即可实现分段式一键定深定长变形，而且可根据变形指令随时实现水下变形调节姿态并在变形结束后立刻锁定变形姿态。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种三段式水下变形机器人，包括主体段、前变形段和后变形段，前变形段和后变形段分别位于主体段的两端，且能够相对于主体段来回移动；

所述主体段包括主体支架，在主体支架的上部设置有浮板，在浮板的上方设置有主控舱体，主体支架包括左侧板、右侧板和位于左侧板与右侧板之间的水平连接板，浮板安装在水平连接板的上方；在左侧板和右侧板上均上下开设有若干条水平滑道；

在前变形段和后变形段上均连接有与水平滑道相配合的滑动支架，滑动支架呈长条形，且水平布置，滑动支架的一端与前变形段或后变形段连接，滑动支架的另一端连接有滑动自锁模块；

所述滑动自锁模块包括有能够沿水平滑道来回滑动的销形体，销形体与左侧板或右侧板垂直布置，且插入水平滑道中，销形体的一端与滑动支架连接，且能相对于滑动支架自由转动，销形体的另一端与带动其转动的传动机构连接，在销形体的中部设置有卡头，在水平滑道的中间区域设置有与卡头相适配的齿状结构；

当卡头随销形体旋转至与齿状结构相卡合时，滑动自锁模块锁紧，前变形段或后变形段相对于主体段固定；当卡头随销形体旋转至与齿状结构相脱离时，滑动自锁模块打开，前变形段或后变形段能够在外力作用下相对于主体段移动；

在前变形段和后变形段上均设置有两个垂向推进器和两个水平推进器，用于提供推动力，所有推进器在该三段式水下变形机器人上呈对称式的结构布局；

在主体段上还设置有用于测定前变形段或后变形段相对于主体段移动距离的红外光测距装置，所述红外光测距装置包括双排列红外光短距发射模块和双排列红外光短距接收模块，双排列红外光短距发射模块固定在左侧板或右侧板上，双排列红外光短距接收模块固定在右侧板或左侧板上的对应位置处；在滑动支架上且沿其长度方向设置有方便双排列红外光短距发射模块所发出红外光通过的排孔。

优选的，每一滑动自锁模块上配置有两个销形体，滑动自锁模块锁紧时，两个销形体反向转动，带动其上的卡头一个呈正角度卡入齿状结构中，另一个呈负角度卡入齿状结构中。

优选的，所述双排列红外光短距发射模块包括两个红外发射头，且该两个红外发射头并排安装在不超出排孔中其中一个孔直径大小的位置。

优选的，所述红外光测距装置共设置2个，其中一个对应于前变形段设置，用于测定前变形段的移动距离，另一个对应于后变形段设置，用于测定后变形段的移动距离；所述滑动支架在前变形段或后变形段上共设置2个或更多偶数个，且滑动支架在前变形段或后变形段的左右两侧对称分布。

优选的，所述齿状结构布置在滑道的中间三分之一位置处，滑道的其余部分均为光滑面。

优选的，该变形机器人还包括有供电单元、照明单元、水下传感器单元和双目视觉单元；所述双目视觉单元包括双轴云台双目摄像头和单目摄像头，其中双轴云台双目摄像头搭载在前变形段上，单目摄像头搭载在后变形段上。

优选的，该变形机器人上还搭载有可拆卸工作底盘，在变形机器人的前变形段上还设置有作业机械手。

本发明的有益技术效果是：

1、本发明提出了一种三段式水下变形水下机器人，该机器人通过推进器驱动变形的方式，无外加变形机构便可方便快速水下改变姿态，极大减少了控制复杂度，减少了不必要的软硬件资源的浪费。

2、本发明采用水下双排列红外光短距测定，无外加复杂控制机构即可实现对水下机器人变形长度的伸展或收缩方向判断，并获取准确的变形长度，具有成本低、稳定性高、功耗低等优点。

3、本发明采用了一种滑道内自锁结构，通过特殊滑道结构与旋转卡头的控制实现对机器人形态快速上锁、解锁，与变形信号配合，极大缩短了上锁解锁的时间，且具有高度的工作稳定性。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明三段式水下变形机器人处于变形状态的示意图；

图2为本发明三段式水下变形机器人处于变形状态的另一角度视图；

图3为本发明三段式水下变形机器人处于未变形状态的示意图；

图4为图1的俯视图；

图5为图1的左视图；

图6为本发明三段式水下变形机器人的正向某一角度视图；

图7为图6的局部A放大图，主要示出滑动自锁模块的结构原理部分；

图8为本发明三段式水下变形机器人的背向某一角度视图；

图9为图8的局部B放大图，主要示出双排列红外光短距测定结构原理部分。

图中：1-前侧垂直推进器，2-浮板，3-三段式机械本体，4-作业机械手，5-前向水平推进器，6-滑动支架，7-前双排列红外光短距发射模块，8-左销形体，9-滑道，10-后双排列红外光短距发射模块，11-电源转接模块，12-工作底盘，13-单目摄像头，14-后双排列红外光短距接收模块，15-水下传感器单元，16-主控舱体，17-拉环，18-前双排列红外光短距接收模块，19-双轴云台双目摄像头，20-后向水平推进器，21-后侧垂直推进器，22-右销形体，23-探照灯，24-卡头，25-齿状结构，26-排孔，31-主体段，32-前变形段，33-后变形段，61-滑动自锁模块。

具体实施方式

传统来说，水下变形的基本方法是伺服电机、步进电机或者丝杠配以齿轮啮合来驱动变形机构改变机器人形态，一般控制复杂、通用性差，外加的变形机构使得系统硬件结构复杂，控制效率低下。而本发明设计的三段式水下变形机器人仅通过推进器便可实现整体的变形，无外加变形结构，极大提高了控制效率，降低了能耗，实现了分段式一键定深定长变形，几秒内改变形态，调整重心，简化变形步骤。

结合附图，一种三段式水下变形机器人，包括三段式机械本体3，三段式机械本体3由主体段31、前变形段32和后变形段33，前变形段32和后变形段33分别位于主体段的两端，且能够相对于主体段31来回移动。

所述主体段包括主体支架，在主体支架的上部设置有浮板2，在浮板2的上方设置有主控舱体16和拉环17，主体支架包括左侧板、右侧板和位于左侧板与右侧板之间的水平连接板，浮板安装在水平连接板的上方。在左侧板和右侧板上均上下开设有若干条水平滑道9。

在前变形段和后变形段上均连接有与水平滑道相配合的滑动支架6，滑动支架6呈长条形，且水平布置，滑动支架的一端与前变形段或后变形段连接，滑动支架的另一端连接有滑动自锁模块61。

所述滑动自锁模块61包括有能够沿水平滑道来回滑动的销形体，销形体与左侧板或右侧板垂直布置，且插入水平滑道中，销形体的一端与滑动支架6连接，且能相对于滑动支架自由转动(类似于销轴原理)，销形体的另一端与带动其转动的传动机构连接，传动机构可采用电机等。在销形体的中部设置有卡头24，在水平滑道的中间区域设置有与卡头相适配的齿状结构25。

当卡头24随销形体旋转至与齿状结构25相卡合时(卡头24的端部顶入齿状结构25的齿隙中)，滑动自锁模块锁紧，前变形段或后变形段相对于主体段固定。当卡头随销形体旋转至与齿状结构相脱离时(卡头可处于水平面内)，滑动自锁模块打开，前变形段31或后变形段32能够在外力(推进器的推力)作用下相对于主体段移动。

在前变形段31和后变形段32上均设置有两个垂向推进器和两个水平推进器，用于提供推动力，所有推进器在该三段式水下变形机器人上呈对称式的结构布局。

在主体段上还设置有用于测定前变形段或后变形段相对于主体段移动距离的红外光测距装置，所述红外光测距装置包括双排列红外光短距发射模块和双排列红外光短距接收模块，双排列红外光短距发射模块固定在左侧板或右侧板上，双排列红外光短距接收模块固定在右侧板或左侧板上的对应位置处；在滑动支架上且沿其长度方向设置有方便双排列红外光短距发射模块所发出红外光通过的排孔26。

作为对本发明的进一步设计，上述每一滑动自锁模块上配置有两个销形体，如图1所示，分别为左销形体8和右销形体22，滑动自锁模块锁紧时，两个销形体反向转动，带动其上的卡头一个呈正角度卡入齿状结构中，另一个呈负角度卡入齿状结构中，如一个卡头可呈与水平面正45度角卡入齿状结构中，另一个卡头可呈与水平面负45度角卡入齿状结构中。这样更加提高了滑动自锁模块的锁紧力，锁紧效果更加稳定。

更进一步的，所述双排列红外光短距发射模块包括两个红外发射头，且该两个红外发射头并排安装在不超出排孔中其中一个孔直径大小的位置。

进一步的，所述红外光测距装置共设置2个，其中一个对应于前变形段设置，用于测定前变形段的移动距离，包括前双排列红外光短距发射模块7和前双排列红外光短距接收模块18。另一个对应于后变形段设置，用于测定后变形段的移动距离，包括后双排列红外光短距发射模块10和后双排列红外光短距接收模块14。所述滑动支架在前变形段或后变形段上共设置2个或更多偶数个，且滑动支架在前变形段或后变形段的左右两侧对称分布。

更进一步的，所述齿状结构25布置在滑道的中间三分之一位置处，滑道的其余部分均为光滑面。

进一步的，该变形机器人还包括有供电单元、照明单元、水下传感器单元15和双目视觉单元。所述双目视觉单元包括双轴云台双目摄像头19和单目摄像头13，其中双轴云台双目摄像头19搭载在前变形段上，单目摄像头13搭载在后变形段上。

更进一步的，该变形机器人上还搭载有可拆卸工作底盘12，在变形机器人的前变形段上还设置有作业机械手4。

下面通过本发明的各个环节及整体工作流程对本发明作更进一步说明。

三段式水下变形机器人由三段式机械本体3、作业底盘12、主控舱体16、供电单元、照明单元、水下传感器单元、动力驱动单元、双目视觉单元、变形检测模块以及自锁模块等组成。

机器人机械本体采用开架式结构，以便于搭载各类仪器设备，其中三段式机械本体3(包括主体段31、前变形段32和后变形段33)主体框架采用PE板材料，具有良好的韧性、耐腐蚀性、绝缘性等特点。浮板2采用玻璃微珠浮力材料为机器人提供较高的静浮力。机器人的动力推进机构由四个垂向推进器和四个水平推进器组成，具体包括两个前侧垂直推进器1，两个前向水平推进器5，两个后侧垂直推进器21和两个后侧水平推进器20。推进器对称式的结构布局设计保证了机器人前进、后退、左转、右转、上浮、下潜等六自由度的基本动作的实现，同时保证了动作的平稳性。机器人还可以通过左右两端和前后两端的垂向推进器的相互配合实现左右翻滚和俯仰翻滚等高难度的动作。机器人可获取水下传感器单元15的数据并发送上位机生成立体姿态图像、水温以及水中位置等信息，结合闭环控制，实现定深观测、行进等功能。机器人前端搭载了双轴云台双目摄像头19，可在上位机、VR眼镜以及手机端实时观看，上下左右四个自由度的镜头移动大大增加立体沉浸感。机器人后端搭载了后置单目摄像头13，便于观察机器人后方的环境情况。机器人前方安装了作业机械手4，可实现水中作业。机器人本体搭载了可拆卸工作底盘12，当需要切换其他工作任务时，可安装其他类型的作业装备，且不受工作底盘的尺寸约束。

水下变形环节：机器人前后段的四个水平推进器作为变形机构驱动，当需要改变机器人形态或需要某种工作姿态时，启动变形按键向机器人发送变形信号，机器人通过收到的控制信号来计算并分配前后段的推力值，进而转换为推进器的控制参数，控制前后四个水平推进器驱动滑动支架6在滑道9上滑动，到达目标位置时，推进器停止工作。实现分段不同长度的变形，最终达到机器人改变水中形态的效果。实现这个变形环节需要双向自锁模块和双排列红外光短距测定环节的配合。

双向自锁环节：机器人在非变形状态下，左销形体8和右销形体22是旋转通过其上卡头卡在滑道9(除去中间三分之一部分是齿状外，其余部分是光滑滑道)内部中间三分之一部分的齿状结构中，左向和右向分别卡向不同方向，保证稳定自锁，当机器人收到变形信号时，控制电机带动左右销形体中间连接卡头的旋转，将卡头24从滑道9中间的齿状结构25中旋转至水平角度，进而推进器驱动机器人前段和后段的排孔支架无阻碍的在滑道上移动。与双排列红外光短距测定环节配合，前后段本体变形到各自的目标长度后，前后段对应的推进器停止工作，每段结束变形后，机器人紧接着控制电机带动每段的滑动自锁模块上的左右销形体的旋转，将中间的卡头从水平分别旋转至正负45度角，卡入齿状结构中，对机器人进行左右方向的锁定，保证三段本体变形后的形态稳定。

双排列红外光短距测定环节：机器人变形程度的测定主要是通过测定前后段变形的长度。测试得到红外光可完成在水中短距离的稳定发射与接收。当机器人在变形状态下，推进器驱动前后段的滑动支架6在滑道9上滑动，在前后段滑动支架6的滑动过程中，前(后)双排列红外光短距发射模块可与对面的前(后)双排列红外光短距接收模块形成完整的红外光发送接收环节。机器人上电启动后，前(后)双排列红外光短距发射模块(两个红外发射头并排安装在不超过一个孔直径大小的位置)会不断发出两路固定频率的脉冲信号，当红外光通过排孔时，此时相应对面的前(后)双排列红外光短距接收模块会输出一个低电平信号。随着前后两段排孔滑动支架6的连续滑动，机器人同时实现只对红外下降沿信号的采集。两个并排的红外发射头可解决机器人在变形过程中的伸展或收缩的变形方向判断，经过孔时，同样对面两个并排红外接收头输出的红外下降沿信号有时间的先后顺序，机器人对两个接收头输出的高低电平信号进行编码并加以逻辑判断，得出机器人伸长或收缩的方向。机器人对红外下降沿信号做累加运算，每次变形都在原来长度的基础上通过判断变形方向来增加或者减去新一段的距离，确保前后段变形的长度为准确值。结合机器人姿态角的图像，得出机器人变形的程度以及获知机器人变形后的形态。

整体工作流程如下：

1.将机器人本体放入水中，岸上工作人员操控机器人以收缩状态快速下潜至目的地，如需机器人调整姿态或形态，从而攀爬倾斜导管架、特殊地形或执行某类特殊任务，在上位机界面分别输入前后段变形的长度(前后段变形一般为不同长度，确保任意可调节角度)，并开启一键变形按钮。

2.机器人得到变形信号后，首先是两段的滑动自锁模块61上的右销形体22和左销形体8旋转，进而使得其上的卡头快速旋转至水平角度，机器人立刻处于解锁状态，之后前后段体的四个水平推进器工作，驱动前后段体在滑道9上快速滑动，同时双排列红外光短距测定模块给出实时的前后段的分别的变形长度。当每段体到达每段目标变形长度后，前后段对应的四个水平推进器停止工作，两段的滑动自锁模块61上的右销形体22和左销形体8旋转，进而使得其上的卡头分别反向快速旋转至45度角，机器人立刻处于上锁状态。结合机器人传感单元获取的姿态角和水中信息稳定的得到要求的姿态或形态。

3.机器人的形态稳定后，可正常操作机器人执行其他六自由度动作以及控制机械手的抓取等，顺利经过特殊地形完成水中多姿态的作业、勘探等任务。

上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。

需要说明的是，在本说明书的教导下，本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变形方式，均应在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种三段式水下变形机器人，其特征在于：包括主体段、前变形段和后变形段，前变形段和后变形段分别位于主体段的两端，且能够相对于主体段来回移动；

所述主体段包括主体支架，在主体支架的上部设置有浮板，在浮板的上方设置有主控舱体，主体支架包括左侧板、右侧板和位于左侧板与右侧板之间的水平连接板，浮板安装在水平连接板的上方；在左侧板和右侧板上均上下开设有若干条水平滑道；

在前变形段和后变形段上均连接有与水平滑道相配合的滑动支架，滑动支架呈长条形，且水平布置，滑动支架的一端与前变形段或后变形段连接，滑动支架的另一端连接有滑动自锁模块；

所述滑动自锁模块包括有能够沿水平滑道来回滑动的销形体，销形体与左侧板或右侧板垂直布置，且插入水平滑道中，销形体的一端与滑动支架连接，且能相对于滑动支架自由转动，销形体的另一端与带动其转动的传动机构连接，在销形体的中部设置有卡头，在水平滑道的中间区域设置有与卡头相适配的齿状结构；

当卡头随销形体旋转至与齿状结构相卡合时，滑动自锁模块锁紧，前变形段或后变形段相对于主体段固定；当卡头随销形体旋转至与齿状结构相脱离时，滑动自锁模块打开，前变形段或后变形段能够在外力作用下相对于主体段移动；

在前变形段和后变形段上均设置有两个垂向推进器和两个水平推进器，用于提供推动力，所有推进器在该三段式水下变形机器人上呈对称式的结构布局；

在主体段上还设置有用于测定前变形段或后变形段相对于主体段移动距离的红外光测距装置，所述红外光测距装置包括双排列红外光短距发射模块和双排列红外光短距接收模块，双排列红外光短距发射模块固定在左侧板或右侧板上，双排列红外光短距接收模块固定在右侧板或左侧板上的对应位置处；在滑动支架上且沿其长度方向设置有方便双排列红外光短距发射模块所发出红外光通过的排孔。

2.根据权利要求1所述的一种三段式水下变形机器人，其特征在于：每一滑动自锁模块上配置有两个销形体，滑动自锁模块锁紧时，两个销形体反向转动，带动其上的卡头一个呈正角度卡入齿状结构中，另一个呈负角度卡入齿状结构中。

3.根据权利要求1所述的一种三段式水下变形机器人，其特征在于：所述双排列红外光短距发射模块包括两个红外发射头，且该两个红外发射头并排安装在不超出排孔中其中一个孔直径大小的位置。

4.根据权利要求1所述的一种三段式水下变形机器人，其特征在于：所述红外光测距装置共设置2个，其中一个对应于前变形段设置，用于测定前变形段的移动距离，另一个对应于后变形段设置，用于测定后变形段的移动距离；所述滑动支架在前变形段或后变形段上共设置2个或更多偶数个，且滑动支架在前变形段或后变形段的左右两侧对称分布。

5.根据权利要求1所述的一种三段式水下变形机器人，其特征在于：所述齿状结构布置在水平滑道的中间三分之一位置处，水平滑道的其余部分均为光滑面。

6.根据权利要求1所述的一种三段式水下变形机器人，其特征在于：该变形机器人还包括有供电单元、照明单元、水下传感器单元和双目视觉单元；所述双目视觉单元包括双轴云台双目摄像头和单目摄像头，其中双轴云台双目摄像头搭载在前变形段上，单目摄像头搭载在后变形段上。

7.根据权利要求1所述的一种三段式水下变形机器人，其特征在于：该变形机器人上还搭载有可拆卸工作底盘，在变形机器人的前变形段上还设置有作业机械手。

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