CN110077561B - 一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，包括水中巡游模块和海底爬行模块；水中巡游模块包括左侧翼板、右侧翼板、前水平密封舱、后水平密封舱、电子舱、垂向推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱和水平差速推进器；海底爬行模块包括支撑结构和多条机械腿；水中巡游模块设置于支撑结构上；各条机械腿围绕支撑结构设置，一端与支撑结构可转动地连接。该机器人既可在海洋中快速巡航，也可在海底稳定爬行，兼具巡游式水下机器人高效、大范围活动的机动能力，以及爬行式水下机器人的精确移动作业能力和抗洋流稳定能力。

Description

一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人及控制方法

技术领域

本发明涉及水下机器人技术领域，尤其涉及一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人及控制方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，世界各国都在大力开展探索深海、开发深海和利用深海的科研、经济和军事活动，而海洋考察、探测与作业最重要的装备就是水下机器人。水下机器人按运动方式可分为巡游式水下机器人(ROV和AUV等)和爬行式水下机器人两大类，目前这两大类水下机器人的优势及劣势如下：

(1)现有的巡游式水下机器人机动能力强，功能多样，移动速度快，作业范围广，但是不能满足在大深度、复杂环境下稳定工作的需要。特别是在研究、开发价值极大的深海热液区，海底地形复杂、洋流扰动强烈，环境苛刻，传统巡游式水下机器人的不足日益凸显。

(2)现有的海底爬行式水下机器人主要为履带式和轮式，其稳定性高，作业和移动精度高，但存在移动速度慢，运动范围小，且转向不灵活，越障能力弱，不易回收等弊端。

因此，针对以上不足，需要提供一种兼具巡游式和爬行式优势的水下机器人。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有技术中的至少一部分缺陷，提供一种既可通过水中巡游部分在海洋中快速巡航，也可通过海底爬行部分在海底稳定爬行的水下机器人。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，包括：水中巡游模块和海底爬行模块；

所述水中巡游模块包括左侧翼板、右侧翼板、前水平密封舱、后水平密封舱、电子舱、垂向推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱和水平差速推进器；

所述左侧翼板和所述右侧翼板平行相对设置；所述前水平密封舱、所述后水平密封舱间隔设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间；所述前水平密封舱为透明结构，其内部设有前水平密封舱电池组、水平方向摄像头和水平方向照明灯，所述后水平密封舱为透明结构，其内部设有后水平密封舱电池组、垂直方向摄像头和垂直方向照明灯；

所述电子舱、所述垂向推进器设于所述前水平密封舱和所述后水平密封舱之间；所述电子舱内设有控制单元，所述控制单元与所述垂向推进器、所述前水平密封舱和所述后水平密封舱均电连接，用于生成相应的控制指令并发送；所述垂向推进器用于接收并执行所述控制单元发送的垂向移动控制指令，以实现驱动所述机器人上浮或下潜；

所述左纵向吸排水舱、所述右纵向吸排水舱均通过纵向吸排水舱卡扣分别卡设于所述左侧翼板、所述右侧翼板的外侧；所述左纵向吸排水舱和所述右纵向吸排水舱均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的吸排水控制指令，以实现向舱内吸水或向舱外排水；

所述水平差速推进器包括左纵向推进器和右纵向推进器，所述左纵向推进器和所述右纵向推进器对称设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间，位于所述后水平密封舱后方；所述水平差速推进器与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的水平移动控制指令，以实现驱动所述机器人前进、后退和转向；

所述海底爬行模块包括支撑结构和多条机械腿；所述水中巡游模块设置于所述支撑结构上，所述支撑结构对应所述垂向推进器的位置开设有第一垂向通孔；各条所述机械腿围绕所述支撑结构设置，一端与所述支撑结构可转动地连接；每条所述机械腿均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械腿移动控制指令，以实现移动所述机械腿行走。

优选地，所述垂向推进器设于所述机器人中心位置处；所述电子舱设于所述垂向推进器前侧。

优选地，所述水中巡游模块还包括水下传感设备，设于所述电子舱内，并与所述控制单元电连接，用于探测水下环境信息并向所述控制单元反馈；所述控制单元根据所述水下传感设备反馈的水下环境信息，生成相应的控制指令。

优选地，还包括至少一个机械臂，所述机械臂设于所述海底爬行模块的支撑结构，并与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械臂控制指令，以实现水下作业。

优选地，所述左侧翼板和所述右侧翼板上部开设有用于减少阻力的横向通孔。

优选地，所述海底爬行模块的支撑结构包括上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板水平相对设置，二者之间设有多个支架；所述左侧翼板、右侧翼板垂直固定设于所述上支撑板上侧面；

所述海底爬行模块包括六条机械腿，对称设于所述上支撑板和所述下支撑板的两侧，每条所述机械腿均包括依次可转动连接的腰部、大腿部和小腿部，所述腰部的一端通过一个所述支架可转动的设于所述上支撑板和所述下支撑板之间。

优选地，每条所述机械腿中，所述腰部包括第一舵机，并能够在所述第一舵机的驱动下，相对于所述支撑结构在水平方向内转动；所述大腿部包括第二舵机，并能够在所述第二舵机的驱动下，相对于所述腰部在垂直方向内转动；所述小腿部包括第三舵机，并能够在所述第三舵机的驱动下，相对于所述大腿部在垂直方向内转动。

优选地，所述机械腿中的小腿部前端呈楔形。

本发明还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，包括上位机和至少一个如上述任一项所述的适用于水中巡游和海底爬行的机器人；

所述上位机包括输入设备和输出设备，通过脐带缆与所述机器人的控制单元连接，用于根据使用者输入的操纵者命令，生成机器人操作指令并向所述机器人的控制单元发送；所述控制单元用于根据接收的机器人操作指令，生成相应的控制指令；

所述控制单元还用于将水平方向摄像头、垂直方向摄像头拍摄的水下视频信息进行处理，并反馈至所述上位机；所述上位机用于接收所述控制单元反馈的水下视频信息，并实时显示。

本发明还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的控制方法，采用上述的适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，包括水下巡游模式和海底爬行模式，其中，

水下巡游模式包括：

所述机器人获取外部环境信息并向所述上位机反馈，所述上位机接收并实时显示外部环境信息；

根据外部环境信息，通过所述上位机对机器人的浮游运动进行操控，所述上位机生成机器人操作指令并向机器人的控制单元发送；

机器人的控制单元根据接收的机器人操作指令，生成相应的控制指令并发送至对应的垂向推进器、水平差速推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱，控制机器人实现浮游运动；

海底爬行模式包括：

所述机器人将外部环境变化或机器人操作指令引起的本体内部的响应翻译成对机器人本体的高级命令；

接收高级命令，将其转化为一系列的本体内部的描述量及认知图，提出机器人自身躯体的运动路径；

针对躯体的运动路径给出具体的各个机械腿运动的指导控制量以及协调各个机械腿的运动；

根据给出的指导控制量来规划合理的运动路径，最终通过机械腿来实现该运动，并对由于系统的动力学不确定性和干扰造成的误差进行校正。

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，该机器人包括水中巡游模块和海底爬行模块，既可在海洋中快速巡航，也可在海底稳定爬行，兼具巡游式水下机器人高效、大范围活动的机动能力以及海底爬行机器人的精确移动作业能力和抗洋流稳定能力，具有稳定性高、能耗低、环境适应性强的特点，能够满足在复杂海底环境下近距离精确、稳定观测、取样、打捞搜救等应用需求。

本发明还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，该系统包括通过脐带缆连接的上位机和上述机器人，通过上位机可根据机器人反馈的信息，操作机器人在水中巡游或在海底爬行，执行各种水下作业等任务。

本发明还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人控制方法，该方法可用于操控机器人在水中巡游或在海底爬行，并且能够使得机器人在海底爬行模式下具有自主行动的功能，可根据周围环境变化自主规划移动路线，协调各机械腿移动，实现越障等。

附图说明

图1为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的整体斜二轴测图；

图2为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的整体俯视图；

图3为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的整体前视图；

图4为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的整体后视图；

图5为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的整体右视图；

图6为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的水中巡游模块(底部向上)的斜二轴测图；

图7为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的水中巡游模块的俯视图；

图8为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的水中巡游模块(底部向上)的后视图；

图9为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的水中巡游模块的左视图；

图10为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的海底爬行模块的主视图；

图11为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的海底爬行模块的斜二轴测图；

图12为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的海底爬行模块的俯视图；

图13为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的机械腿结构示意图；

图14为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统结构示意图；

图15为本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的控制方法中海底爬行模式分布式递阶控制方案图。

图中：1：上支撑板；2：下支撑板；3：纵向吸排水舱卡扣；4：防水舵机；5：右纵向吸排水舱；6：右侧翼板；7：前水平密封舱；8：左侧翼板；9：电子舱；10：垂向推进器；11：左纵向吸排水舱；12：后水平密封舱；13：水平差速推进器；14：机械腿；141：小腿部；142：大腿部；15：前水平密封舱电池组；16：后水平密封舱电池组；17：水平方向照明灯；18：垂直方向照明灯；19：水平方向摄像头；20：垂直方向摄像头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明为方便表述，方位词“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”、“底”、“顶”等，均是以本发明所提供的水下机器人自身坐标系为基准，即相对于机器人本体的中心而言，机器人本体中心的前侧为“前”，机器人本体中心的左侧为“左”；“垂直”和“纵向”等指示的方位的词参考船舶的方位表述形式，即机器人的前后(艏-艉)方向称纵向，左右(左-右舷)方向称横向，上下方向(上甲板-船舱底)方向称垂向。

实施例一

如图1至图13所示，本发明实施例提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，包括水中巡游模块和海底爬行模块。其中，水中巡游模块包括左侧翼板8、右侧翼板6、前水平密封舱7、后水平密封舱12、电子舱9、垂向推进器10、左纵向吸排水舱11、右纵向吸排水舱5和水平差速推进器13。

如图1、图3和图4所示，水中巡游模块的左侧翼板8和右侧翼板6平行相对设置。前水平密封舱7、后水平密封舱12沿横向设置，间隔设于左侧翼板8和右侧翼板6之间，前水平密封舱7和后水平密封舱12分别位于水中巡游部分的前后两端。其中，前水平密封舱7为透明结构，其内部设有前水平密封舱电池组15、水平方向摄像头19和水平方向照明灯17，前水平密封舱电池组15与水平方向摄像头19和水平方向照明灯17连接，用于为水平方向摄像头19和水平方向照明灯17供电。优选地，如图7和图9所示，前水平密封舱7内部包括两个水平方向照明灯17，两个水平方向照明灯17分设于水平方向摄像头19的两侧，便于照明，水平方向摄像头19用于探测机器人前方环境状况。后水平密封舱12同样为透明结构，其内部设有后水平密封舱电池组16、垂直方向摄像头20和垂直方向照明灯18，同样的，后水平密封舱电池组16与垂直方向摄像头20和垂直方向照明灯18连接，用于为垂直方向摄像头20和垂直方向照明灯18供电。优选地，如图7和图9所示，后水平密封舱12内部包括两个垂直方向照明灯18，两个垂直方向照明灯18分设于垂直方向摄像头20的两侧，垂直方向摄像头20用于探测机器人下方环境状况。

如图2和图6所示，电子舱9、垂向推进器10设于前水平密封舱7和后水平密封舱12之间。电子舱9内设有控制单元，控制单元与垂向推进器10、前水平密封舱7和后水平密封舱12均电连接，用于生成相应的控制指令并发送至对应的部件，例如发送至前水平密封舱电池组15、后水平密封舱电池组16，控制其为机器人供电等。优选地，电子舱9可采用垂向圆筒结构，沿垂直方向设于前水平密封舱7和后水平密封舱12之间。如图9所示，垂向推进器10沿垂直方向设于机器人中，用于接收并执行控制单元发送的垂向移动控制指令，通过控制垂向推进器10的转向能够实现驱动机器人上浮或下潜。垂向推进器10可通过前水平密封舱电池组15和/或后水平密封舱电池组16供电。

如图1、图3、图4和图6所示，左纵向吸排水舱11、右纵向吸排水舱5均通过纵向吸排水舱卡扣3分别卡设于左侧翼板8、右侧翼板6的外侧，即左纵向吸排水舱11通过纵向吸排水舱卡扣3设于左侧翼板8的左侧(外侧)，右纵向吸排水舱5通过纵向吸排水舱卡扣3设于右侧翼板6的右侧(外侧)。左纵向吸排水舱11和右纵向吸排水舱5对称设于水中巡游模块下部位置。左纵向吸排水舱11和右纵向吸排水舱5均与控制单元电连接，用于接收并执行控制单元发送的吸排水控制指令，以实现向舱内吸水或向舱外排水，即左纵向吸排水舱11和右纵向吸排水舱5接收到控制单元发送的吸水控制指令时，向舱内吸水，增加机器人重量并使机器人重心位置降低，接收到控制单元发送的排水控制指令时，向舱外排水，减轻机器人重量并使机器人重心位置升高。左纵向吸排水舱11和右纵向吸排水舱5可以单独执行吸排水控制指令也可同步执行吸排水控制指令，优选同步执行吸排水控制指令，以便机器人在水下始终保持平衡状态。

如图1、图4、图6和图9所示，水平差速推进器13包括左纵向推进器和右纵向推进器，左纵向推进器和右纵向推进器对称设置于左侧翼板8和右侧翼板6之间，位于后水平密封舱12后方，即左纵向推进器靠近左侧翼板8，右纵向推进器靠近右侧翼板6，分布于机器人的后端左右两侧，相对于机器人的纵向中轴线对称，左纵向推进器和右纵向推进器对称有利于机器人在水下保持平衡。水平差速推进器13与控制单元电连接，用于接收并执行控制单元发送的水平移动控制指令，通过分别左纵向推进器和右纵向推进器的转速、转向能够实现驱动机器人前进、后退和转向。水平差速推进器13可通过前水平密封舱电池组15和/或后水平密封舱电池组16供电，优选采用距离较近的后水平密封舱电池组16供电。

如图10至图12所示，海底爬行模块包括支撑结构和多条机械腿14。其中，支撑结构可视为机器人的底盘(即相当于船舶中的船体、船舱)，以机器人的底盘(支撑结构)所在平面为水平面，其上下方向即为垂向。如图1所示，水中巡游模块设置于支撑结构上，支撑结构上对应垂向推进器10的位置，即垂向推进器10正下方处，开设有第一垂向通孔，避免影响垂向推进器10搅动的水流。如图2所示，各条机械腿14围绕支撑结构设置，一端与支撑结构可转动地连接，另一端能够在海底移动。每条机械腿14均与控制单元电连接，用于接收并执行控制单元发送的机械腿14移动控制指令，通过控制各个机械腿14挪动，能够实现移动机械腿14行走，即实现机器人在海底爬行、越障等动作。优选地，如图11和图12所示，支撑结构上还开设有方形的第二垂向通孔，开设第二垂向通孔可减轻机器人自重，并节约制作材料。

优选地，如图1和图2所示，垂向推进器10设于机器人中心位置处，若海底爬行模块为对称结构，垂向推进器10及其对应的第一垂向通孔中心均位于海底爬行模块的纵向中轴线和横向中线的交点处。垂向推进器10设于正中间位置有利于对机器人进行上下方向的推进，避免机器人发生侧翻或者晃动等。进一步优选地，电子舱9设于垂向推进器10前侧，电子舱9位于水中巡游模块的中间靠前位置，具有保护控制电路的作用。

优选地，该机器人的水中巡游模块还包括水下传感设备，水下传感设备设于电子舱9内，并与控制单元电连接，用于探测水下环境信息并向控制单元反馈。控制单元根据水下传感设备反馈的水下环境信息，生成相应的控制指令。进一步地，水下传感设备包括惯性导航装置、深度传感器等。

为便于在水下进行作业，优选地，该机器人还包括至少一个机械臂，机械臂可转动的设于海底爬行模块的支撑结构，并与控制单元电连接，用于接收并执行控制单元发送的机械臂控制指令，通过控制机械臂能够实现水下作业。进一步地，机械臂还可根据需要搭载不同的工具头，以实现不同的作业内容。

优选地，如图1、图5和图6所示，左侧翼板8和右侧翼板6上部开设有多个横向通孔，横向通孔可用于减少机器人在水中移动时，特别是转向时所受到的阻力，并能够减轻机器人自重，节约制作材料。

优选地，如图10至图12所示，海底爬行模块的支撑结构包括上支撑板1和下支撑板2，上支撑板1和下支撑板2水平相对设置(该机器人以上支撑板1和下支撑板2所在平面为水平向，以垂直二者的上下方向为垂向)，二者之间设有多个支架。左侧翼板8、右侧翼板6垂直固定设于上支撑板1上侧面。如图12所示，优选地，上支撑板1两侧设有侧孔，侧孔共有四个，四个侧孔以上支撑板1中轴线两两对称。下支撑板2与上支撑板1结构相同。左侧翼板8、右侧翼板6底部设有向下凸出的固定部，连接时，左侧翼板8、右侧翼板6的固定部对应插入上支撑板1、下支撑板2的侧孔中，通过螺钉等结构紧固，与支撑结构实现垂直固定连接。

如图1和图2所示，优选地，海底爬行模块包括六条机械腿14，对称设于上支撑板1和下支撑板2的两侧，如图12所示，两条机械腿14以纵向中轴线左右对称设于支撑结构前部，两条机械腿14左右对称设于中部，两条机械腿14左右对称设于后部，确保整个机器人的结构平衡。每条机械腿14均包括依次可转动连接的腰部、大腿部和小腿部，腰部的一端通过一个支架可转动的设于上支撑板1和下支撑板2之间，上支撑板1和下支撑板2可保护各机械腿14，且采用中空的支撑结构有利于减轻机器人自重，节约制作材料。

优选地，如图10至图13所示，每条机械腿14中均通过防水舵机4实现驱动，防水舵机4根据其位置和功能可分为第一舵机、第二舵机和第三舵机，腰部包括第一舵机，第一舵机优选设于腰部与支撑结构连接的关节处，特别地，腰部与支撑结构连接的关节设有U型开口，第一舵机设于U型开口内，腰部能够在第一舵机的驱动下，相对于支撑结构在水平方向内转动。大腿部包括第二舵机，第二舵机优选设于大腿部与腰部连接的关节处，特别地，腰部与大腿部142连接的关节包括U型开口，第二舵机设于U型开口内，腰部的一端套设于第二舵机外侧，对第二舵机起到保护作用，大腿部142能够在第二舵机的驱动下，相对于腰部在垂直方向内转动。小腿部141包括第三舵机，第三舵机优选设有大腿部142与小腿部141连接的关节处，特别地，小腿部141连接的关节包括U型开口，第三舵机设于U型开口内，小腿部141的一端套设于第三舵机外侧，对第三舵机起到保护作用，小腿部141能够在第三舵机的驱动下，相对于大腿部在垂直方向内转动。即，每条机械腿14上设有三个防水舵机4，具有三个自由度，包括一个沿垂直轴水平运动、两个沿水平轴垂直运动，使得机器人的移动定位能力大幅提高。

进一步优选地，机械腿14中的小腿部前端呈楔形，在海底爬行时，可避免陷入海底泥沙，造成移动困难。

在一个优选的实施方式中，该机器人的整体尺寸为900mm*550mm*420mm，空气中重量为30kg，搭载载荷为5kg，工作深度为100m，最大下潜深度为150m，水平航行速度为3～4节，续航时间为6小时。水平差速推进器13的推力为5kgf，垂向推进器10的推力为3kgf。前水平密封舱7和后水平密封舱12采用高强度亚克力管制成。水平方向照明灯17和垂直方向照明灯18采用强功率高亮度LED灯。前水平密封舱电池组15和后水平密封舱电池组16采用镍氢电池，电量储备比镍镉电池多30％，同时比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。电子舱9采用高强度亚克力管制成，其上盖、下盖与中框之间采用O型圈压紧做端面密封，进出前水平密封舱7和后水平密封舱12的电缆密封用电缆水密接头，并辅以O型圈压紧，基于安全性和便于安装考虑，采用穿板式接头和接插式接头相结合的方式，电子舱9提供了一个耐压防水的环境，使控制电路免遭水下环境的腐蚀与压力的破坏。六条机械腿14均采用三自由度关节腿机构设计，各个关节分别由防水舵机4驱动，连接关节构件采用简单、轻便且坚韧的合成塑料代替，降低了机器人的重量，增加了机器人的灵活度。

相对于现有技术，本发明提供的一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人具有如下有益效果：

1、该水下机器人包括水中巡游模块和海底爬行模块，既可在海洋中快速巡航，也可在海底稳定爬行，兼具巡游式水下机器人高效、大范围活动的机动能力以及海底爬行机器人的精确移动作业能力和抗洋流稳定能力。

2、该机器人具有稳定性高、能耗低、环境适应性强的特点，能够满足在复杂海底环境下近距离精确、稳定观测、取样、打捞搜救等应用需求。

3、该机器人的两个纵向吸排水舱(左纵向吸排水舱11、右纵向吸排水舱5)可灵活改变机器人自身重量与重心位置，在机器人水中巡游升降时配合垂向推进器10工作，提高升降速率，在机器人海底爬行时有效增加着陆爬行的稳定性，增大机械腿14的抓地力，增强了该机器人抵抗海底洋流的能力，可以在复杂恶劣的水流环境下工作。

4、该机器人为仿生六足水下机器人，其六条仿生机械腿均匀的布置在主体的两侧，每条机械腿14有三个自由度，包括一个沿垂直轴水平运动、两个沿水平轴垂直运动，这种设计可以减少机械腿14之间的摩擦，增加机器人的稳定性，同时也可以增大机械腿14的转动空间。

实施例二

本发明还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，如图14所示，该系统包括上位机和至少一个上述任一实施方式所述的适用于水中巡游和海底爬行的机器人。

其中，上位机包括输入设备(例如键盘、鼠标、操作杆等)和输出设备(例如显示器等)，上位机通过脐带缆与机器人的控制单元连接，用于根据使用者由输入设备输入的操纵者命令，生成机器人操作指令并向机器人的控制单元发送，控制单元用于根据接收的机器人操作指令，生成相应的控制指令。即，使用者可通过上位机输入操纵者命令，控制处于水下的机器人执行各种命令，例如控制机器人移动，调整水下照明灯(各水平方向照明灯17、垂直方向照明灯18)亮度，通过水下摄像机(即水平方向摄像头19、垂直方向摄像头20)拍摄记录相应的画面等。

控制单元还用于将水平方向摄像头19、垂直方向摄像头20拍摄的水下视频信息进行处理，并反馈至上位机，上位机用于接收控制单元反馈的水下视频信息，并通过输出设备实时显示。使用者可通过上位机获取机器人所处的外界环境信息，例如有无障碍物等，以便根据外界环境信息及时调整对机器人的操作。

优选地，当机器人的水中巡游模块还包括水下传感设备时，控制单元还用于将水下传感设备检测到的传感信息，即水下环境信息进行处理，并反馈至上位机，上位机接收水下环境信息并通过输出设备实时显示。使用者可通过上位机的输出设备获取机器人所处的水下传感信息，例如深度、位置等，参考水下传感信息对机器人进行具体操作。

综上，本发明提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，包括水上部分和水下部分，水上部分与水下部分通过脐带缆连接实现信号的传输，水上部分包括上位机，可以实时显示水下传感信息和视频信息。水下部分包括水下控制模块(控制单元)、视觉照明模块、水下传感设备和动力推进模块四部分。水下控制模块位于所述电子舱9内；视觉照明模块由水平方向照明灯17、垂直方向照明灯18、水平方向摄像头19和垂直方向摄像头20组成；水下传感设备包括惯性导航装置、深度传感器，它们捕获的实时信息经过水下控制器处理后上传，水上控制系统接收信号后处理到上位机软件，操控人员能够参考此信息对机器人的浮游运动进行操控；动力推进模块包括水平差速推进器13和垂向推进器10，动力推进模块的工作原理如下：三个推进器能够实现水下机器人的升沉、进退、转艏、纵摇四个自由度的浮游运动。通过该系统，使用者可在陆地上操作机器人在水下巡游或海底爬行，完成各种水下作业。

实施例三

本发明还提供了一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的控制方法，采用如上述所述的适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，包括水下巡游模式和海底爬行模式。

其中，水下巡游模式包括：

S1、机器人获取外部环境信息并向上位机反馈，上位机接收并实时显示机器人所处外部环境信息。此处的外部环境变化信息包括通过水下摄像机(即水平方向摄像头19、垂直方向摄像头20)拍摄的水下视频和/或水下传感设备获取的水下传感信息，例如深度、位置等。

S2、使用者根据外部环境信息，通过上位机对机器人的浮游运动进行操控，上位机生成机器人操作指令并向机器人的控制单元发送。

S3、机器人的控制单元根据接收的机器人操作指令，生成相应的控制指令并发送至对应的各部件，如垂向推进器10、水平差速推进器13、左纵向吸排水舱11、右纵向吸排水舱5，控制机器人实现升沉、进退、转艏、纵摇四个自由度的浮游运动。

优选地，其中，控制机器人下沉时，垂向推进器10转动，且左纵向吸排水舱11、右纵向吸排水舱5吸水，增大机器人重量；控制机器人上升时，垂向推进器10转动，且左纵向吸排水舱11、右纵向吸排水舱5排水，减轻机器人重量。

优选地，当机器人的水中巡游模块还包括水下传感设备时，步骤S1中机器人还将水下传感设备检测到的传感信息，即水下环境信息进行处理，并反馈至上位机。上位机接收水下环境信息并通过输出设备实时显示。步骤S2中使用者可根据上位机显示的水下传感信息对机器人的浮游运动进行操控。

海底爬行模式则采用多层多目标分布式递阶控制方案，如图15所示，其整个控制体系可分为“机动层”、“躯体路径层”、“协调控制层”和“动力实现层”四层，具体包括：

第一层为“机动层”，本层使得机器人本体能够做到完全的自主，机器人将外部环境变化或机器人操作指令引起的本体内部的响应翻译成对机器人本体的高级命令。此处的外部环境变化信息可通过水下摄像机(即水平方向摄像头19、垂直方向摄像头20)和/或水下传感设备获取。机器人根据高层传感器(水下摄像机和/或水下传感设备)输入，设置移动目标实现次序及表述，以高层命令向下一层级输出，并接收下一层级目标任务完成状态标志量反馈。

第二层为“躯体路径层”，本层接收“机动层”给出的高级命令，将其转化为一系列的本体内部的描述量及认知图，提出机器人自身躯体的运动路径。机器人根据高层命令完成环境辨识，确定行进路线，将行进方向、速度等信息向下一层级输出，并接收下一层级目标任务完成状态标志量反馈。

第三层为“协调控制层”，本层针对躯体的运动路径(包括移动方向、速度等)给出具体的各个机械腿14运动的指导控制量以及协调各个机械腿14的运动。针对仿生六足机器人，L₁足即左一机械腿，L₂足及左二机械腿，依次类推，R₃足即右三机械腿，机器人接收下一层级反馈的机械腿状态，通过各个足迹生成器针有针对性的规划其对应的机械腿的移动，对应发送至下一层级各个足关节控制器。

第四层为“动力实现层”，本层根据上层给出的指导控制量来规划合理的运动路径，各个足关节控制器有针对性的控制机械腿14各关节动作，最终通过机械腿14来实现该运动，并对由于系统的动力学不确定性和干扰造成的误差进行校正。

优选地，当机器人由水下巡游模式转为海底爬行模式，在海底着陆工作时，纵向吸排水舱吸水，密度变大，使整个机器人重心下移，增加了稳定性，并且增大了机械腿14的抓地力，增强了机器人抵抗海底洋流的能力，可以在复杂恶劣的水流环境下工作。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人，其特征在于：包括水中巡游模块和海底爬行模块；

所述水中巡游模块包括左侧翼板、右侧翼板、前水平密封舱、后水平密封舱、电子舱、垂向推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱和水平差速推进器；

所述左侧翼板和所述右侧翼板平行相对设置；所述前水平密封舱、所述后水平密封舱间隔设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间；所述前水平密封舱为透明结构，其内部设有前水平密封舱电池组、水平方向摄像头和水平方向照明灯，所述后水平密封舱为透明结构，其内部设有后水平密封舱电池组、垂直方向摄像头和垂直方向照明灯；

所述电子舱、所述垂向推进器设于所述前水平密封舱和所述后水平密封舱之间；所述电子舱内设有控制单元，所述控制单元与所述垂向推进器、所述前水平密封舱和所述后水平密封舱均电连接，用于生成相应的控制指令并发送；所述垂向推进器用于接收并执行所述控制单元发送的垂向移动控制指令，以实现驱动所述机器人上浮或下潜；

所述左纵向吸排水舱、所述右纵向吸排水舱均通过纵向吸排水舱卡扣分别卡设于所述左侧翼板、所述右侧翼板的外侧；所述左纵向吸排水舱和所述右纵向吸排水舱均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的吸排水控制指令，以实现向舱内吸水或向舱外排水；

所述水平差速推进器包括左纵向推进器和右纵向推进器，所述左纵向推进器和所述右纵向推进器对称设置于所述左侧翼板和所述右侧翼板之间，位于所述后水平密封舱后方；所述水平差速推进器与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的水平移动控制指令，以实现驱动所述机器人前进、后退和转向；

所述海底爬行模块包括支撑结构和多条机械腿；所述水中巡游模块设置于所述支撑结构上，所述支撑结构对应所述垂向推进器的位置开设有第一垂向通孔；各条所述机械腿围绕所述支撑结构设置，一端与所述支撑结构可转动地连接；每条所述机械腿均与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械腿移动控制指令，以实现移动所述机械腿行走。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述垂向推进器设于所述机器人中心位置处；所述电子舱设于所述垂向推进器前侧。

3.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述水中巡游模块还包括水下传感设备，设于所述电子舱内，并与所述控制单元电连接，用于探测水下环境信息并向所述控制单元反馈；所述控制单元根据所述水下传感设备反馈的水下环境信息，生成相应的控制指令。

4.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：还包括至少一个机械臂，所述机械臂设于所述海底爬行模块的支撑结构，并与所述控制单元电连接，用于接收并执行所述控制单元发送的机械臂控制指令，以实现水下作业。

5.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述左侧翼板和所述右侧翼板上部开设有用于减少阻力的横向通孔。

6.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于：所述海底爬行模块的支撑结构包括上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板水平相对设置，二者之间设有多个支架；所述左侧翼板、右侧翼板垂直固定设于所述上支撑板上侧面；

所述海底爬行模块包括六条机械腿，对称设于所述上支撑板和所述下支撑板的两侧，每条所述机械腿均包括依次可转动连接的腰部、大腿部和小腿部，所述腰部的一端通过一个所述支架可转动的设于所述上支撑板和所述下支撑板之间。

7.根据权利要求6所述的机器人，其特征在于：每条所述机械腿中，所述腰部包括第一舵机，并能够在所述第一舵机的驱动下，相对于所述支撑结构在水平方向内转动；所述大腿部包括第二舵机，并能够在所述第二舵机的驱动下，相对于所述腰部在垂直方向内转动；所述小腿部包括第三舵机，并能够在所述第三舵机的驱动下，相对于所述大腿部在垂直方向内转动。

8.根据权利要求7所述的机器人，其特征在于：所述机械腿中的小腿部前端呈楔形。

9.一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，其特征在于，包括上位机和至少一个如权利要求1-8任一项所述的适用于水中巡游和海底爬行的机器人；

所述上位机包括输入设备和输出设备，通过脐带缆与所述机器人的控制单元连接，用于根据使用者输入的操纵者命令，生成机器人操作指令并向所述机器人的控制单元发送；所述控制单元用于根据接收的机器人操作指令，生成相应的控制指令；

所述控制单元还用于将水平方向摄像头、垂直方向摄像头拍摄的水下视频信息进行处理，并反馈至所述上位机；所述上位机用于接收所述控制单元反馈的水下视频信息，并实时显示。

10.一种适用于水中巡游和海底爬行的机器人的控制方法，其特征在于：采用如权利要求9所述的适用于水中巡游和海底爬行的机器人系统，包括水下巡游模式和海底爬行模式，其中，

水下巡游模式包括：

所述机器人获取外部环境信息并向所述上位机反馈，所述上位机接收并实时显示外部环境信息；

根据外部环境信息，通过所述上位机对机器人的浮游运动进行操控，所述上位机生成机器人操作指令并向机器人的控制单元发送；

机器人的控制单元根据接收的机器人操作指令，生成相应的控制指令并发送至对应的垂向推进器、水平差速推进器、左纵向吸排水舱、右纵向吸排水舱，控制机器人实现浮游运动；

海底爬行模式包括：

所述机器人将外部环境变化或机器人操作指令引起的本体内部的响应翻译成对机器人本体的高级命令；

接收高级命令，将其转化为一系列的本体内部的描述量及认知图，提出机器人自身躯体的运动路径；

针对躯体的运动路径给出具体的各个机械腿运动的指导控制量以及协调各个机械腿的运动；

根据给出的指导控制量来规划合理的运动路径，最终通过机械腿来实现该运动，并对由于系统的动力学不确定性和干扰造成的误差进行校正。

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