CN113148076B - 一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法，所述方法包括：沿机器人周向对空间进行区域划分；计算机器人与期望航迹点的距离，并与距离阈值比较；若距离大于距离阈值，启动巡航模式；否则，启动位置控制模式。在巡航模式下，驱动水平转动关节，将至少部分腿部机构的第一连杆调整至指向航迹点所在区域的对角区域。在位置控制模式下，将各个腿部机构的第一连杆调整至围绕赤道面中心轴中心对称。在不同模式下，控制推进器、第一垂直转动关节、第二垂直转动关节实现机器人的水平方向运动和/或垂直方向运动。还提出一种水下仿生球形/半球形机器人。采用本发明实施例，机器人能够根据期望航迹点的位置切换模式，实现更优的运动性能。

Description

一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法

技术领域

本发明属于水下机器人控制领域，具体涉及一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法。

背景技术

随着海洋开发活动越来越频繁和深入，对海洋探测技术和设备的需求也越来越高。常规AUV、UUV等鱼雷状流线型水下航行器，适合远距离快速运动的任务设定，无法满足狭窄空间内的高精度的位置和位姿控制应用需求。针对水下狭窄空间环境，大量研究人员开始研发小型水下机器人。2012年，英国曼彻斯特大学和牛津大学合作研制出了“MK”系列球形水下球形机器人。该球形机器人的赤道面外部安装了六个对称的推进器，球壳直径仅0.15m，该研究团队针对该机器人采用滑模方法对其运动控制进行了研究，以提高其执行任务的稳定性和抗扰性。北京邮电大学孙汉旭教授团队多年来致力于球形机器人的研制工作，己研制出BYSQ-1、BYSQ-2和BYSQ-3三代水下机器人样机。

近年来，国内外对基于矢量运动控制的水下机器人研究较多。2016年，美国国际水下机器人大赛中，康内尔大学代表队研制的水下机器人Thor采用了矢量化推进系统。该机器人采用四个常规推进器和四个360度旋转推进器，在前进运动中，机器人最多采用六个推进器提供前进动力，四个推进器实现垂直运动，两个推进器实现航向调节，极大提高了推进器的利用率。

2015年，韩国首尔国立大学设计了一款水下机器人，该机器人采用四倾斜推进器，可以实现原地六自由度高难度的姿态控制。由于机器人推进器采用对角线方向布置，在快速远距离运动中存在能量的内耗，从而降低了机器人效率。

2013年，Torres等人完成一款微型四可倾斜螺旋桨的水下机器人，该机器人重2.2kg，四个推进器只能绕同一轴旋转，机器人在前进和垂直方向上运动容易实现，但是在横向运动中机器人无法完成。

2011年，Ngoc-Huy Tran等人设计了一款新型蝶形水下机器人UDR (anunderwater disk robot)，可以实现六个自由度运动。机器人在水平方向上有三个对称推进器分布在圆形底盘周围，各推进器夹角为120度，且该推进器可绕垂直方向左右旋转30度，可实现矢量化控制。该机器人在垂直方向上采用三个推进器，可实现深度调节。

常规水下机器人难以同时满足远程高速运动与近程低速高精度姿态控制需求，因此需要提出一种新型水下机器人，并对机器人的控制方式进行优化。

发明内容

本发明的目的是提出一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法，能够基于区域分割与航迹点分析，切换小型水下仿生球形/半球形机器人在不同目标要求下的运动控制模式，动态调整推力矢量分配，实现更优的运动性能。

有鉴于此，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种水下仿生球形/半球形机器人的运动控制方法，所述机器人赤道面周向分布至少四组腿部机构，每组所述腿部机构至少包括依次连接的第一水平转动关节、第一连杆、第一垂直转动关节及远端连接的推进器，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，以所述机器人为中心，沿机器人周向对空间进行区域划分；

步骤2，确定期望航迹点位置，计算所述机器人与所述期望航迹点的距离，比较所述距离与距离阈值；

步骤3，若所述距离大于所述距离阈值，启动机器人巡航模式，执行步骤4；否则，启动机器人位置控制模式，执行步骤5；

步骤4，驱动所述第一水平转动关节，将至少部分所述腿部机构的所述第一连杆调整至指向所述期望航迹点所在区域的对角区域，执行步骤6；

步骤5，驱动所述第一水平转动关节，将各个所述腿部机构的所述第一连杆调整至围绕所述机器人赤道面的中心轴中心对称，执行步骤7；

步骤6，在所述巡航模式下，控制所述推进器、所述第一垂直转动关节实现所述机器人的水平方向运动和/或垂直方向运动；

步骤7，在所述位置控制模式下，控制所述推进器、所述第一垂直转动关节实现所述机器人的水平方向运动和/或垂直方向运动。

优选地，所述腿部机构还包括第二垂直转动关节和第二连杆，并由第一水平转动关节、第一连杆、第二垂直转动关节、第二连杆、第一垂直转动关节及推进器，从近端至远端依次连接构成。

优选地，所述机器人沿赤道面周向等间隔设置所述腿部机构分别对应的连接位。

优选地，所述步骤1中，以赤道面中心指向各个所述连接位的延伸线为基准线，生成垂直于所述赤道面的分割面，将所述空间划分成至少四个区域。

优选地，所述机器人包括四组所述腿部机构，所述步骤4中，两组所述腿部机构的所述第一连杆调整至指向所述期望航迹点所在区域，另外两组所述腿部机构的所述第一连杆调整至指向所述期望航迹点所在区域的对角区域。

优选地，所述步骤4中，各个所述腿部机构的所述第一连杆调整至互相平行。

优选地，所述步骤5中，各个所述腿部机构的所述第一连杆调整至其延伸线相交于所述赤道面中心轴。

优选地，所述步骤6中，实时计算所述机器人与所述期望航迹点的距离，比较所述距离与距离阈值，若所述距离小于所述距离阈值，则启动机器人位置控制模式，执行步骤5。

优选地，所述步骤7中，如果所述机器人与所述期望航迹点的距离小于误差阈值，则维持相对位置。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种水下仿生球形/半球形机器人，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述任意一项所述的运动控制方法。

通过以上技术方案，本发明能够取得以下技术效果：

1. 通过对机器人水平转动关节不同角度的锁定，设计了机器人“H”模式、“工”模式和“X”模式等运动模式，提高了机器人运动运动效率和稳定性。

2. 将机器人的外界环境沿周向均分成多个区域，通过识别期望航迹点的距离与所在区域，采用“H”模式或“工”模式实现机器人快速长距离运动，采用“X”模式实现机器人近距离高精度位置控制，提高了机器人的运动性能。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的整体示意图；

图2是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的仰视图；

图3是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的腿部机构的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的运动控制方法示意图；

图5是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的“H”运动模式示意图；

图6是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的“工”运动模式示意图；

图7是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的“X”运动模式示意图；

图8是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的水下三维航迹点跟踪控制实验示意图；

图9是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的水下三维航迹点跟踪控制实验的轨迹示意图；

图10是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的水下三维航迹点跟踪控制实验的水平坐标变化示意图；

图11是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的水下三维航迹点跟踪控制实验的深度坐标变化示意图；

图12是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的水下三维航迹点跟踪控制实验的角度变化示意图；

图13是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的水下三维航迹点跟踪控制实验的模式变化示意图；

图14是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的组成单元示意图。

图中，100水下仿生球形/半球形机器人、10赤道面、11赤道面中心、12连接位、20腿部机构、21第一水平转动关节、22第一连杆、23第一垂直转动关节、24推进器、25第二连杆、26第二垂直转动关节、30底盘、201第一腿部机构、202第二腿部机构、203第三腿部机构、204第四腿部机构、处理器301、存储器302。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

参见图1，图1是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的示意图。

参见图2，图2是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的仰视图。

参见图3，图3是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的腿部机构的示意图。

本发明的水下仿生球形/半球形机器人100的赤道面10周向分布至少四组腿部机构20，每组腿部机构20至少包括依次连接的第一水平转动关节21、第一连杆22、第一垂直转动关节23及远端连接的推进器24。在一种优选的实施方式中，每组腿部机构20还包括第二垂直转动关节26和第二连杆25，具体的，每组腿部机构20由第一水平转动关节21、第一连杆22、第二垂直转动关节26、第二连杆25、第一垂直转动关节23及推进器24从近端至远端依次连接构成。在机器人的底盘30上，沿赤道面10周向等间隔（角度）设置连接位12。各组腿部机构20的第一水平转动关节21分别连接于对应的连接位12上。优选地，水下仿生球形/半球形机器人100包括四组腿部机构20；底盘30上设置四个连接位12。

实施例1

参见图4，图4是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的运动控制方法示意图。

本发明水下仿生球形/半球形机器人的运动控制方法，包括：

步骤1，以机器人100为中心，沿机器人100周向对外界空间进行区域划分。在一优选的实施方式中，以机器人100赤道面中心11指向各个连接位12的延伸线为分割线，生成垂直于赤道面10的分割面，将机器人100的外界空间沿机器人周向划分成至少四个区域。优选地，将空间划分成区域I、区域II、区域III和区域IV，将区域I、区域II、区域III和区域IV分别作为机器人的前方区域、左方区域、后方区域和右方区域。

步骤2，确定期望航迹点位置，计算机器人100与期望航迹点的距离，比较距离与距离阈值。

步骤3，若距离大于距离阈值，启动机器人巡航模式，执行步骤4；否则，启动机器人位置控制模式，执行步骤5。

步骤4，驱动第一水平转动关节21，将至少部分腿部机构20的第一连杆22调整至指向期望航迹点所在区域的对角区域，执行步骤6。例如，当机器人100包括四组腿部机构20时，两组腿部机构20的第一连杆22调整至指向期望航迹点所在区域，另外两组腿部机构20的第一连杆22调整至指向期望航迹点所在区域的对角区域。进一步的，可以将各组腿部机构20的第一连杆22调整至互相平行的状态。

步骤5，驱动第一水平转动关节21，将各个腿部机构20的第一连杆22调整至围绕机器人赤道面10的中心轴中心对称，执行步骤7。在一优选的实施方式中，可以调整各组腿部机构20的第一连杆22，以将其长度方向的延伸线调整至相交于赤道面10的中心轴，从而其长度方向的延伸线与上述分割面重合。

步骤6，在巡航模式下，控制推进器24、第一垂直转动关节23实现机器人100的水平方向运动和/或垂直方向运动。可选的，当每组腿部机构20还包括第二垂直转动关节26时，在上述巡航模式中还需控制第二垂直转动关节26的转动角度。进一步的，通过实时计算机器人与期望航迹点的距离，比较该距离与距离阈值，若该距离小于距离阈值，则启动机器人位置控制模式，执行步骤5。可选的，在进行多个航迹点跟踪的任务中，还包括实时计算机器人与期望航迹点的距离，比较该距离与距离阈值，若该距离小于距离阈值，说明已到达目标附近，可以选择识别下一期望航迹点的位置与所在区域，执行步骤2，直至遍历所有航迹点。

步骤7，在位置控制模式下，控制推进器24、第一垂直转动关节23实现机器人100的水平方向运动和/或垂直方向运动。可选的，当每组腿部机构20还包括第二垂直转动关节26时，在上述位置控制模式中还需控制第二垂直转动关节26的转动角度。进一步的，如果机器人100与期望航迹点的距离小于误差阈值，则维持相对位置。

为进一步说明本实施例的实现方式及优势，下面以四足水下仿生球形/半球形机器人为例，说明运动控制方法的实现。

由于机器人第一水平转动关节21的实时转动对机器人100稳定性影响较大，因而可以将第一水平转动关节21锁定在不同角度，进而实现机器人100的水平方向运动和/或垂直方向运动。其中，各组腿部机构20的第一水平转动关节21至少可以带动第一连杆22完成-45°─+45°范围内的角度转动。因此，至少可以将第一水平转动关节21的旋转角度锁定成“H”模式、“工”模式、“X”模式三种运动模式。在这三种模式下，第一水平转动关节21角度固定，第一垂直转动关节23和第二垂直转动关节26根据运动需求实时转动。如图5-7所示，将机器人100周围外界空间分成四个区域，包括区域I、区域II、区域III和区域IV，可将区域I、区域II、区域III和区域IV分别作为机器人的前方区域、左方区域、后方区域和右方区域。在“H”型运动模式下，第一腿部机构201和第四腿部机构204的第一连杆都调整至平行的朝向机器人100的正前方，即其朝向与前方区域（区域I）的对称轴平行；第二腿部机构202和第三腿部机构203的第一连杆都调整至平行的朝向机器人100的正后方，即其朝向与后方区域（区域IV）的对称轴平行。在“工”型运动模式下，第一腿部机构201和第二腿部机构202的第一连杆都调整至平行的朝向机器人100的正左方，即其朝向与左方区域（区域II）的对称轴平行；第三腿部机构203和第四腿部机构204的第一连杆都调整至平行的朝向机器人100的正右方，即其朝向与右方区域（区域III）的对称轴平行。或者说，以机器人100的赤道面中心11为原点，在“H”型运动模式下，第一腿部机构201和第四腿部机构204的第一连杆都与机器人100的翻滚轴平行且同时朝向翻滚轴一侧，第二腿部机构202和第三腿部机构203的第一连杆都与机器人100的翻滚轴平行且同时朝向翻滚轴另一侧；在“工”型运动模式下，第一腿部机构201和第二腿部机构202的第一连杆都与机器人100的俯仰轴平行且同时朝向俯仰轴一侧，第二腿部机构202和第三腿部机构203的第一连杆都与机器人100的俯仰轴平行且同时朝向俯仰轴另一侧。在“X”型运动模式下，第一腿部机构201、第二腿部机构202、第三腿部机构203和第四腿部机构204的第一连杆等角度间隔的分布，优选的，各个第一连杆的朝向分别被调整至平行于区域分割线的方向。需要说明的是，“H”型运动模式和“工”型运动模式作为巡航模式，利于实现机器人100的快速长距离运动。“X”型运动模式作为位置控制模式，利于实现机器人100的水下近距离高精度位置控制。具体的，“H”型运动模式和“工”型运动模式的区别在于：“H”型运动模式利于实现机器人100的进退运动，但难于实现机器人100的横移运动；“工”型运动模式利于实现机器人100的横移运动，但难于实现机器人100的进退运动。在水下航迹点跟踪控制中，如果期望航迹点在区域I或区域III，则启动“H”型运动模式；如果期望航迹点在区域II或区域IV，则启动“工”型运动模式。因为这种情况下，如果机器人100采用“H”型运动模式，机器人100需要旋转的角度会超过45°，而采用“工”型运动模式可有效较少机器人100需要的旋转角度。通过这种方式，机器人100首先根据与期望航迹点的距离确定是否需要采用巡航模式，再根据期望航迹点的位置，选择“H”型运动模式或“工”型运动模式，通过实时调节推进器24的推力、第一垂直转动关节23的旋转角度和第二垂直转动关节26的旋转角度，实现纵向或横向移动，以及下潜和上浮运动。如此，目的是先快速接近期望航迹点，在达到期望航迹点的附近位置后，再进行位置的精确调整。对于位置的精确调整，可以调整第一水平转动关节21切换成“X”模式，通过实时调节推进器24的推力、第一垂直转动关节23的旋转角度和第二垂直转动关节26的旋转角度，实现横向、纵向移动、下潜、上浮和旋转运动。

实施例3

参见图8，图8是本发明实施例提供的一种水下仿生球形/半球形机器人的水下三维航迹点跟踪控制实验示意图。在机器人水下三维航迹点跟踪控制实验中，机器人起始点为(140cm,70cm, -7cm)，依次运动到四个给定目标航迹点(100, 175, -25), (260, 175,-25), (260, 50, -25) 和 (100, 50, -25)。机器人100开始采用“工”运动模式且航向角为0deg。直到距离航迹点小于20cm，识别下一航迹点的位置，并切换到“H”运动模式。如图8(a)-(e)所示，分别是第1s，14s，34s，52s，74s时的机器人切换运动模式时的实验图。图中，机器人达到航迹点并且切换到相应的运动模式。“H”和“工”运动模式的切换策略有效减少机器人在到达航迹点时航向控制的时间。图9展示了机器人跟踪三维航迹点的轨迹。如图10所示，虚线为X坐标，实线为Y坐标。图11显示了Z坐标变化。图12 显示roll、yaw和pitch角度变化，roll和pitch角度变化小，最大偏移角度为5deg。航向角偏移量稍微大且最大为16deg，但这也远小于不采用该切换策略机器人转动角度。模式变化如图13所示，“0”代表“H”运动模式，“1”代表“工”运动模式。从实验结果可知，机器人具有较好的三维航迹点跟踪控制性能。

实施例4

参见图14，一种水下仿生球形/半球形机器人100，包括处理器301、存储器302以及存储在所述存储器302中且被配置为由所述处理器301执行的计算机程序，所述处理器301执行所述计算机程序时实现如上述的运动控制方法。

示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器302中，并由所述处理器301执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述机器人100中的执行过程。

需说明的是，以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种水下仿生球形/半球形机器人的运动控制方法，所述机器人赤道面周向分布至少四组腿部机构，每组所述腿部机构至少包括依次连接的第一水平转动关节、第一连杆、第一垂直转动关节及远端连接的推进器，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，以所述机器人为中心，沿机器人周向对空间进行区域划分；

步骤2，确定期望航迹点位置，计算所述机器人与所述期望航迹点的距离，比较所述距离与距离阈值；

步骤3，若所述距离大于所述距离阈值，启动机器人巡航模式，执行步骤4；否则，启动机器人位置控制模式，执行步骤5；

步骤4，驱动所述第一水平转动关节，将至少部分所述腿部机构的所述第一连杆调整至指向所述期望航迹点所在区域的对角区域，执行步骤6；

步骤5，驱动所述第一水平转动关节，将各个所述腿部机构的所述第一连杆调整至围绕所述机器人赤道面的中心轴中心对称，执行步骤7；

步骤6，在所述巡航模式下，控制所述推进器、所述第一垂直转动关节实现所述机器人的水平方向运动和/或垂直方向运动；

步骤7，在所述位置控制模式下，控制所述推进器、所述第一垂直转动关节实现所述机器人的水平方向运动和/或垂直方向运动；

所述机器人沿赤道面周向等间隔设置所述腿部机构分别对应的连接位；

所述步骤1中，以赤道面中心指向各个所述连接位的延伸线为基准线，生成垂直于所述赤道面的分割面，将所述空间划分成至少四个区域；

所述机器人包括四组所述腿部机构，所述步骤4中，两组所述腿部机构的所述第一连杆调整至指向所述期望航迹点所在区域，另外两组所述腿部机构的所述第一连杆调整至指向所述期望航迹点所在区域的对角区域。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述腿部机构还包括第二垂直转动关节和第二连杆，并由第一水平转动关节、第一连杆、第二垂直转动关节、第二连杆、第一垂直转动关节及推进器，从近端至远端依次连接构成。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，各个所述腿部机构的所述第一连杆调整至互相平行。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，各个所述腿部机构的所述第一连杆调整至其延伸线相交于所述赤道面中心轴。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤6中，实时计算所述机器人与所述期望航迹点的距离，比较所述距离与距离阈值，若所述距离小于所述距离阈值，则启动机器人位置控制模式，执行步骤5。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤7中，如果所述机器人与所述期望航迹点的距离小于误差阈值，则维持相对位置。

7.一种水下仿生球形/半球形机器人，其特征在于，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6中任意一项所述的运动控制方法。

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