CN113459126A - 一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人及调节方法 - Google Patents

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CN113459126A CN202110868597.1A CN202110868597A CN113459126A CN 113459126 A CN113459126 A CN 113459126A CN 202110868597 A CN202110868597 A CN 202110868597A CN 113459126 A CN113459126 A CN 113459126A
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Abstract

本发明涉及一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人及调节方法，包括用于摄像的三自由度柔索并联机器人平台、用于承载所述三自由度柔索并联机器人平台的双体船漂浮装置以及用于调整三自由度柔索并联机器人平台姿态的伺服驱动模块和控制模块；所述双体船漂浮装置呈井字形，双体船漂浮装置中部方形区域的上端设置伺服驱动模块，三自由度柔索并联机器人平台设置于双体船漂浮装置中部方形区域的下端；所述控制模块包括检测单元。本发明采用并联驱动和柔索控制结合的方式使设置摄像设备的运动平台能够实现滚转、俯仰、偏航空间三维旋转运动，具有抗击水流扰动能力，设置有防水结构，且运动惯性较低。

Description

一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人及调节方法
技术领域
本发明属于柔索并联机器人控制领域，具体涉及一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人及调节方法。
背景技术
随着水下科学探索的发展，水下摄像装置成为科学探索中必不可少的工具。为稳定跟踪拍摄目标影像，需要摄像装置能够在抗外部干扰情况下同时可以随目标点的移动而调整拍摄角度。摄像稳定平台是一种能够使摄像装置在外来干扰下保持稳定并且能按照特定规律运动的装置，能够使摄像装置在摄像稳定平台作用下完成空间三个自由度的旋转运动，以保证能够随时调整拍摄角度，达到稳定拍摄的目标。由于水下复杂环境、对平台装置防水性要求高以及需要考虑水浪的外来干扰，水下稳定摄像作业实现较为困难。
现有的机器人稳定平台按概念可以分为串联机器人和并联机器人，又根据连接固定基座和运动平台的构件不同，每种概念形式可细分为刚性机器人和柔性机器人。传统串联机器人平台只有单个关节驱动机构，导致机构的运动笨重，精度较低。而传统并联刚性机器人平台具有精度高、刚度大和运动速度快等优点，但同时其机器人平台由于运动平台直接与多个刚性连杆连接，导致平台具有高惯性，极大限制了平台的运动性能和工作空间。且由于其驱动装置与运动平台紧密连接，导致其防水性能较差，不利于水下工作环境。
如专利公开号为CN1417003A的专利文献中公开的一种三自由度转动平台并联机器人机构发明提出的方案由动平台、固定平台以及连接动平台和运动平台的三条运动支链组成，能够实现空间三维的转动。但该设计属于并联刚性机器人，由于三条运动支链与动平台直接相连，导致动平台具有高惯性。同时平台防水性较差，平台不能直接放置于水下工作，不适用于水下摄像装置稳定摄像工作。
如专利公开号为CN105487449A的专利文献中公开的一种用于四索牵引摄像机器人的专用运动控制器采用4柔索及电机控制驱动方式调节摄像机器人的姿态，但其可调节性较差，只能运用在空中拍摄，不适于水下拍摄作业。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供了一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人及调节方法，采用并联驱动和柔索控制结合的方式使设置摄像设备的运动平台能够实现滚转、俯仰、偏航空间三维旋转运动，具有抗击水流扰动能力，设置有防水结构，且运动惯性较低。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提出一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人，包括用于摄像的三自由度柔索并联机器人平台、用于承载所述三自由度柔索并联机器人平台的双体船漂浮装置以及用于调整三自由度柔索并联机器人平台姿态的伺服驱动模块和控制模块；
所述双体船漂浮装置呈井字形，双体船漂浮装置中部方形区域的上端设置伺服驱动模块，所述伺服驱动模块包括方形防水壳、出绳装置、伺服电机模块和柔索，所述伺服电机模块通过出绳装置连接柔索，所述柔索分设于方形防水壳边角处，柔索另一端与三自由度柔索并联机器人平台固定，三自由度柔索并联机器人平台设置于双体船漂浮装置中部方形区域的下端；
所述控制模块包括检测单元和双环滑模变结构控制单元，所述检测单元用于检测三自由度柔索并联机器人平台当前姿态参数，检测单元输出端连接双环滑模变结构控制单元，所述双环滑模变结构控制单元连接伺服电机模块，双环滑模变结构控制单元用于通过伺服驱动模块调节三自由度柔索并联机器人平台姿态，双环滑模变结构控制单元包括工控机。
进一步地，所述双体船漂浮装置包括两个船体和两个连接杠，两个所述船体平行设置，船体间由两个连接杠连接，船体和连接杠为一体化结构。
进一步地，伺服电机模块包括伺服电机和驱动器，所述出绳装置包括联轴器和滚筒；
所述滚筒包括固定架，所述固定架呈倒置的π字形结构，固定架的两竖直段均开设圆形通孔，所述圆形通孔间转动连接有转轴；
所述伺服电机的输出轴连接联轴器，所述联轴器的另一端与转轴固定，所述转轴上缠绕柔索。
进一步地，所述三自由度柔索并联机器人平台包括固定平台、球铰、运动平台和支杆，所述固定平台为回字形板体，固定平台的四个边角处对应柔索开设有优弧状凹槽，固定平台与双体船漂浮装置下端面固定；
所述运动平台呈圆碟状结构，运动平台的上端面中心固定球铰，所述球铰的另一端与支杆固定，所述支杆包括上段和下段，所述上段呈圆环柱状结构，下段呈圆柱状结构，下段的上端设置有定位珠，对应所述定位珠上段两端开设圆形孔，所述上段套设于下段外部，所述下段一侧与球铰固定，另一侧通过定位珠与上段限位，上段穿出所述方形防水壳；
运动平台的下端设置有摄像模块和检测单元。
进一步地，所述双环滑模变结构控制单元还包括运动控制卡、通信装置、姿态环控制器和角速度环控制器，所述检测单元包括陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器，所述陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器的输出端连接运动控制卡的ADC端口，运动控制卡通过通信装置通信连接工控机，运动控制卡的输出IO端口与伺服电机模块连接。
本发明的第二方面提出一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的调节方法，包括：
步骤1：在工控机中输入运动平台的期望运动姿态；
步骤2：使用运动控制卡获取陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器检测运动平台的姿态参数，运动控制卡将所述姿态参数通过通信装置传送至工控机；
步骤3：工控机通过姿态环控制器和角速度环控制器完成三自由度柔索并联机器人平台受力分析和控制系统计算，并输出调节信号通过通信装置到运动控制卡；
步骤4：运动控制卡根据所述调节信号通过伺服驱动模块调节运动平台使其达到期望运动姿态；
步骤5：工控机再次通过运动控制卡获取运动平台调节后的姿态参数，工控机将调节后的姿态参数与期望运动姿态进行对比分析，确认运动平台是否达到期望运动姿态；
若达到期望运动姿态工控机通过通信装置控制运动控制卡停机；
若未达到期望运动姿态工控机通过通信装置控制运动控制卡完成运动平台的暂停以及继续执行相应运动任务。
进一步地，所述姿态环控制器用于对运动平台的期望姿态角进行跟踪，并用于产生虚拟角速度指令，姿态环控制器将所述虚拟角速度指令传递至角速度环控制器，所述角速度环控制器用于对虚拟角速度指令进行跟踪，同时用于消除系统扰动，姿态环控制器和角速度环控制器均设计有积分滑模，所述积分滑模用于实现切换函数的设计；
姿态环控制器中设计的积分滑模面如公式(1)表示：
Figure BDA0003186631840000031
其中，Hl为增益矩阵，通过选择合适的增益矩阵可以使系统的跟踪指令偏差在一个比较理想的滑模面上滑动至稳定，θe为姿态角偏差；
如公式(2)姿态环控制器的姿态环控制律表示为：
Figure BDA0003186631840000041
其中，ωd为虚拟角速度指令，J为变换矩阵，k1为切换函数趋近滑模面的速度，sat1(s1)是关于s1的饱和函数；
角速度环控制器中设计的积分滑模面如公式(3)表示：
Figure BDA0003186631840000042
其中，H2为增益矩阵，ωe为角速度偏差；
如公式(4)角速度环控制器的角速度环控制律表示为：
Figure BDA0003186631840000043
其中，M是作用在三自由度柔索并联机器人平台的控制力拒，ω为角速度，ω×为ω的反对称矩阵，I是三自由度柔索并联机器人平台的惯性张量，εs2是指数趋近项，可缩短系统到达滑模面的时间，k2为切换函数趋近滑模面的速度，sat2(s2)是关于s2的饱和函数。
进一步地，所述双环滑模变结构控制单元还设计有柔索拉力优化算法，所述柔索拉力优化算法用于使柔索拉力始终保持在最小预紧拉力和最大许用拉力之间，柔索拉力优化算法如公式(5)～(8)表示：
T＝Ts+Tf (5)；
Figure BDA0003186631840000044
Tf＝JT-(M-JTTs) (7)；
T＝Ts+J(JTJ)-1(M-JTTs) (8)；
其中，T为4根柔索拉力，Ts为特解，Tf为基础解，设绳索最小预紧力为Tmin，最大许用拉力为Tmax，J为变换矩阵，JT-为JT的Moore-Penrose逆，当Tf的二范数取最小时，拉力T最优，使柔索的拉力始终保持在预设的最小预紧力和最大许用拉力之间。
进一步地，步骤2所述的姿态参数包括陀螺仪传感器、角速度传感器、加速度传感器测得运动平台的姿态信息、速度信息和加速度信息；
步骤5所述的相应运动任务包括滚转、俯仰、偏航方向的空间三维旋转运动。
通过上述技术方案，本发明的有益效果为：
1.本发明结合并联驱动和柔索驱动的优点，利用多根柔索连接代替刚性连杆连接，同时将伺服驱动模块设置于双体船漂浮装置上部，有效降低三自由度柔索并联机器人平台运动惯性且扩大了三自由度柔索并联机器人平台的运动空间。
2.本发明的伺服驱动模块设置于双体船漂浮装置上部，使伺服驱动模块所处位置高于水面，从而与水面隔开，有利于提高伺服驱动模块的防水性能，便于水下工作。
3.本发明所设计的双环滑模变结构控制器结合伺服驱动模块使三自由度柔索并联机器人平台在受到参数扰动和外来水浪干扰的时候具有不变性，具有控制结构简单、鲁棒性好的优点。双环滑模变结构控制器能够有效实现期望运动姿态的跟踪控制，具有准确的控制性能。
附图说明
图1是本发明一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的结构示意图之一；
图2是本发明一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的结构示意图之二；
图3是本发明一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的结构示意图之三；
图4是本发明一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的结构示意图之四；
图5是本发明一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的结构示意图之五；
图6是本发明一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人调节方法的流程图；
图7是本发明一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人调节方法的系统原理框图。
附图标号：1为双体船漂浮装置，2为伺服驱动模块，3为出绳装置，4为伺服电机模块，5为运动控制卡，6为通信装置，7为支杆，8为固定平台，9为柔索，10为球铰，11为运动平台，12为检测单元，13为摄像模块，101为船体，102为连接杠，301为联轴器、302为滚筒，401为伺服电机。
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说明：
实施例1
如图1～7所示，本发明第一方面提出一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人，用于水下摄像作业包括用于摄像的三自由度柔索并联机器人平台、用于承载所述三自由度柔索并联机器人平台的双体船漂浮装置1以及用于调整三自由度柔索并联机器人平台姿态的伺服驱动模块2和控制模块；
所述双体船漂浮装置1呈井字形，双体船漂浮装置1中部方形区域的上端设置伺服驱动模块2，所述伺服驱动模块2包括方形防水壳、出绳装置3、伺服电机模块4和柔索9，所述伺服电机模块4通过出绳装置3连接柔索9，所述柔索9分设于方形防水壳边角处，柔索9另一端与三自由度柔索并联机器人平台固定，三自由度柔索并联机器人平台设置于双体船漂浮装置1中部方形区域的下端；
所述控制模块包括检测单元12和双环滑模变结构控制单元，所述检测单元12用于检测三自由度柔索并联机器人平台当前姿态参数，检测单元12输出端连接双环滑模变结构控制单元，所述双环滑模变结构控制单元连接伺服电机模块4，双环滑模变结构控制单元用于通过伺服驱动模块2调节三自由度柔索并联机器人平台姿态，双环滑模变结构控制单元包括工控机。
作业时，通过工控机设置三自由度柔索并联机器人平台期望姿态，通过环滑模变结构控制单元控制伺服电机模块4使其改变柔索9的长度从而实现三自由度柔索并联机器人平台在空间三维上的高精度转动，其环滑模变结构控制单元通过对控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动，使系统在受到参数扰动和外来水浪干扰的时候具有不变性，实现水下稳定摄像作业。
实施例2
基于上述实施例对三自由度柔索并联机器人进行结构优化，提高其防水能力、降低惯性能力，如图1～5所示，具体的：
为提高设备作业的稳定性并提高防水效果，所述双体船漂浮装置1包括两个船体101和两个连接杠102，两个所述船体101平行设置，船体101间由两个连接杠102连接，船体101和连接杠102为一体化结构。
为实现柔索9控制，并简化结构使设备便于操作，伺服电机模块4包括伺服电机401和驱动器，所述出绳装置3包括联轴器301和滚筒302；
所述滚筒302包括固定架，所述固定架呈倒置的π字形结构，固定架的两竖直段均开设圆形通孔，所述圆形通孔间转动连接有转轴；
所述伺服电机401的输出轴连接联轴器301，所述联轴器301的另一端与转轴固定，所述转轴上缠绕柔索9。
作为一种可实施方式，所述三自由度柔索并联机器人平台包括固定平台8、球铰10、运动平台11和支杆7，所述固定平台8为回字形板体，固定平台8的四个边角处对应柔索9开设有优弧状凹槽，固定平台8与双体船漂浮装置1下端面固定；
所述运动平台11呈圆碟状结构，运动平台11的上端面中心固定球铰10，所述球铰10的另一端与支杆7固定，所述支杆7包括上段和下段，所述上段呈圆环柱状结构，下段呈圆柱状结构，下段的上端设置有定位珠，对应所述定位珠上段两端开设圆形孔，所述上段套设于下段外部，所述下段一侧与球铰10固定，另一侧通过定位珠与上段限位，上段穿出所述方形防水壳；
运动平台11的下端设置有摄像模块13和检测单元12。
当处于非工作状态下，将下段回收，使下段的定位珠处于上段的另一侧，此时运动平台11处于固定平台8的中部方形区域内，摄像模块13和检测单元12随运动平台11上移，在双体船漂浮装置1支撑下摄像模块13和检测单元12离开水面。
作为一种可实施方式，所述双环滑模变结构控制单元还包括运动控制卡5、通信装置6、姿态环控制器和角速度环控制器，所述检测单元12包括陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器，所述陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器的输出端连接运动控制卡5的ADC端口，运动控制卡5通过通信装置6通信连接工控机，运动控制卡5的输出IO端口与伺服电机模块4连接。
在本实施例中，所述运动控制卡5为MCU芯片，所述通信装置6为射频通信设备。
实施例3
基于上述实施例，本发明的第二方面提出一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的调节方法，如图6和7所示，具体的：
步骤1：在工控机中输入运动平台11的期望运动姿态；
步骤2：使用运动控制卡5获取陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器检测运动平台11的姿态参数，运动控制卡5将所述姿态参数通过通信装置6传送至工控机；
步骤3：工控机通过姿态环控制器和角速度环控制器完成三自由度柔索并联机器人平台受力分析和控制系统计算，并输出调节信号通过通信装置6到运动控制卡5；
步骤4：运动控制卡5根据所述调节信号通过伺服驱动模块2调节运动平台11使其达到期望运动姿态；
步骤5：工控机再次通过运动控制卡5获取运动平台11调节后的姿态参数，工控机将调节后的姿态参数与期望运动姿态进行对比分析，确认运动平台11是否达到期望运动姿态；
若达到期望运动姿态工控机通过通信装置6控制运动控制卡5停机；
若未达到期望运动姿态工控机通过通信装置6控制运动控制卡5完成运动平台11的暂停以及继续执行相应运动任务。
作为一种可实施方式，所述姿态环控制器用于对运动平台11的期望姿态角进行跟踪，并用于产生虚拟角速度指令，姿态环控制器将所述虚拟角速度指令传递至角速度环控制器，所述角速度环控制器用于对虚拟角速度指令进行跟踪，同时用于消除系统扰动，姿态环控制器和角速度环控制器均设计有积分滑模，所述积分滑模用于实现切换函数的设计；
姿态环控制器中设计的积分滑模面如公式(1)表示：
Figure BDA0003186631840000081
其中，Hl为增益矩阵，通过选择合适的增益矩阵可以使系统的跟踪指令偏差在一个比较理想的滑模面上滑动至稳定，θe为姿态角偏差；
如公式(2)姿态环控制器的姿态环控制律表示为：
Figure BDA0003186631840000082
其中，ωd为虚拟角速度指令，J为变换矩阵，k1为切换函数趋近滑模面的速度，sat1(s1)是关于s1的饱和函数；
角速度环控制器中设计的积分滑模面如公式(3)表示：
Figure BDA0003186631840000083
其中，H2为增益矩阵，ωe为角速度偏差；
如公式(4)角速度环控制器的角速度环控制律表示为：
Figure BDA0003186631840000084
其中，M是作用在三自由度柔索并联机器人平台的控制力拒，ω为角速度，ω×为ω的反对称矩阵，I是三自由度柔索并联机器人平台的惯性张量，εs2是指数趋近项，可缩短系统到达滑模面的时间，k2为切换函数趋近滑模面的速度，sat2(s2)是关于s2的饱和函数。
作为一种可实施方式，为保持柔索9的使用效果，所述双环滑模变结构控制单元还设计有柔索拉力优化算法，所述柔索拉力优化算法用于使柔索拉力始终保持在最小预紧拉力和最大许用拉力之间，柔索拉力优化算法如公式(5)～(8)表示：
T＝Ts+Tf (5)；
Figure BDA0003186631840000085
Tf＝JT-(M-JTTs) (7)；
T＝Ts+J(JTJ)-1(M-JTTs) (8)；
其中，T为4根柔索拉力，Ts为特解，Tf为基础解，设绳索最小预紧力为Tmin，最大许用拉力为Tmax，J为变换矩阵，JT-为JT的Moore-Penrose逆，当Tf的二范数取最小时，拉力T最优，使柔索的拉力始终保持在预设的最小预紧力和最大许用拉力之间。
作为一种可实施方式，步骤2所述的姿态参数包括陀螺仪传感器、角速度传感器、加速度传感器测得运动平台的姿态信息、速度信息和加速度信息；
步骤5所述的相应运动任务包括滚转、俯仰、偏航方向的空间三维旋转运动。
结合上述多个实施例对水下摄像作业进行说明：
在本实施例中，所述出绳装置3、伺服电机模块4和柔索9均为4个，按柔索9设置位置分布于方形防水壳边角处，4根柔索9的图中标号为a、b、c和d。
作业时，将双体船漂浮装置1放置于水面，由于双体船漂浮装置1的两个船体101结构，双体船漂浮装置1大体浮于水上，此时设置于双体船漂浮装置1上端的伺服驱动模块2置于水面之上，且与水面存有距离，而三自由度柔索并联机器人平台设置于水下用于水下摄影；
通过工控机设定期望运动姿态，并通过通信装置6获取陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器检测运动平台11的姿态参数，双环滑模变结构控制单元完成三自由度柔索并联机器人平台受力分析和控制系统计算，其中姿态环控制器用于对运动平台11的期望姿态角进行跟踪，并用于产生虚拟角速度指令，姿态环控制器将所述虚拟角速度指令传递至角速度环控制器，所述角速度环控制器用于对虚拟角速度指令进行跟踪，同时用于消除系统扰动，姿态环控制器和角速度环控制器均设计有积分滑模，通过柔索拉力优化算法完成伺服电机模块4和柔索9的控制从而使运动平台11实现滚转、俯仰、偏航空间三维旋转运动。
滚转运动时如图5所示，当运动平台11的期望姿态是绕X轴做滚转运动时，此时工控机的控制指令传递给运动控制卡5，运动控制卡5通过驱动器控制伺服电机401，伺服电机401通过出绳装置3使柔索a和b伸长，柔索c和d收缩，结合运动平台11上设置的球铰10，运动平台11实现绕X轴的滚转运动；
反之当柔索a和b收缩，柔索c和d伸长，运动平台11实现绕X轴反方向的滚转运动。
俯仰运动时如图5所示，当运动平台11的期望姿态是绕Y轴做俯仰运动时，此时工控机的控制指令传递给运动控制卡5，运动控制卡5通过驱动器控制伺服电机401，伺服电机401通过出绳装置3使柔索a和柔索d进行伸长，柔索b和柔索c进行收缩，结合运动平台11上设置的球铰10，运动平台11实现绕Y轴的俯仰运动；
反之当柔索a和柔索d进行收缩，柔索b和柔索c进行伸长时，此时运动平台11实现绕Y轴反方向的俯仰运动。
偏航运动时如图5所示，当运动平台11的期望姿态是绕Z轴做俯仰运动时，此时工控机的控制指令传递给运动控制卡5，运动控制卡5通过驱动器控制伺服电机401，伺服电机401通过出绳装置3使柔索a和柔索c进行伸长，柔索b和柔索d进行收缩，结合运动平台11上设置的球铰10，运动平台11实现绕Z轴的偏航运动；
反之当柔索a和柔索c进行收缩，柔索b和柔索d进行伸长时，此时运动平台11实现绕Z轴反方向的偏航运动。
以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。

Claims (9)

1.一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人，其特征在于，包括用于摄像的三自由度柔索并联机器人平台、用于承载所述三自由度柔索并联机器人平台的双体船漂浮装置(1)以及用于调整三自由度柔索并联机器人平台姿态的伺服驱动模块(2)和控制模块；
所述双体船漂浮装置(1)呈井字形，双体船漂浮装置(1)中部方形区域的上端设置伺服驱动模块(2)，所述伺服驱动模块(2)包括方形防水壳、出绳装置(3)、伺服电机模块(4)和柔索(9)，所述伺服电机模块(4)通过出绳装置(3)连接柔索(9)，所述柔索(9)分设于方形防水壳边角处，柔索(9)另一端与三自由度柔索并联机器人平台固定，三自由度柔索并联机器人平台设置于双体船漂浮装置(1)中部方形区域的下端；
所述控制模块包括检测单元(12)和双环滑模变结构控制单元，所述检测单元(12)用于检测三自由度柔索并联机器人平台当前姿态参数，检测单元(12)输出端连接双环滑模变结构控制单元，所述双环滑模变结构控制单元连接伺服电机模块(4)，双环滑模变结构控制单元用于通过伺服驱动模块(2)调节三自由度柔索并联机器人平台姿态，双环滑模变结构控制单元包括工控机。
2.根据权利要求1所述的一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人，其特征在于，所述双体船漂浮装置(1)包括两个船体(101)和两个连接杠(102)，两个所述船体(101)平行设置，船体(101)间由两个连接杠(102)连接，船体(101)和连接杠(102)为一体化结构。
3.根据权利要1所述的一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人，其特征在于，伺服电机模块(4)包括伺服电机(401)和驱动器，所述出绳装置(3)包括联轴器(301)和滚筒(302)；
所述滚筒(302)包括固定架，所述固定架呈倒置的π字形结构，固定架的两竖直段均开设圆形通孔，所述圆形通孔间转动连接有转轴；
所述伺服电机(401)的输出轴连接联轴器(301)，所述联轴器(301)的另一端与转轴固定，所述转轴上缠绕柔索(9)。
4.根据权利要1所述的一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人，其特征在于，所述三自由度柔索并联机器人平台包括固定平台(8)、球铰(10)、运动平台(11)和支杆(7)，所述固定平台(8)为回字形板体，固定平台(8)的四个边角处对应柔索(9)开设有优弧状凹槽，固定平台(8)与双体船漂浮装置(1)下端面固定；
所述运动平台(11)呈圆碟状结构，运动平台(11)的上端面中心固定球铰(10)，所述球铰(10)的另一端与支杆(7)固定，所述支杆(7)包括上段和下段，所述上段呈圆环柱状结构，下段呈圆柱状结构，下段的上端设置有定位珠，对应所述定位珠上段两端开设圆形孔，所述上段套设于下段外部，所述下段一侧与球铰(10)固定，另一侧通过定位珠与上段限位，上段穿出所述方形防水壳；
运动平台(11)的下端设置有摄像模块(13)和检测单元(12)。
5.根据权利要求1所述的一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人，其特征在于，所述双环滑模变结构控制单元还包括运动控制卡(5)、通信装置(6)、姿态环控制器和角速度环控制器，所述检测单元(12)包括陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器，所述陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器的输出端连接运动控制卡(5)的ADC端口，运动控制卡(5)通过通信装置(6)通信连接工控机，运动控制卡(5)的输出IO端口与伺服电机模块(4)连接。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的调节方法，其特征在于，包括：
步骤1：在工控机中输入运动平台(11)的期望运动姿态；
步骤2：使用运动控制卡(5)获取陀螺仪传感器、角速度传感器和加速度传感器检测运动平台(11)的姿态参数，运动控制卡(5)将所述姿态参数通过通信装置(6)传送至工控机；
步骤3：工控机通过姿态环控制器和角速度环控制器完成三自由度柔索并联机器人平台受力分析和控制系统计算，并输出调节信号通过通信装置(6)到运动控制卡(5)；
步骤4：运动控制卡(5)根据所述调节信号通过伺服驱动模块(2)调节运动平台(11)使其达到期望运动姿态；
步骤5：工控机再次通过运动控制卡(5)获取运动平台(11)调节后的姿态参数，工控机将调节后的姿态参数与期望运动姿态进行对比分析，确认运动平台(11)是否达到期望运动姿态；
若达到期望运动姿态工控机通过通信装置(6)控制运动控制卡(5)停机；
若未达到期望运动姿态工控机通过通信装置(6)控制运动控制卡(5)完成运动平台(11)的暂停以及继续执行相应运动任务。
7.根据权利要求6所述的一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的调节方法，其特征在于，所述姿态环控制器用于对运动平台(11)的期望姿态角进行跟踪，并用于产生虚拟角速度指令，姿态环控制器将所述虚拟角速度指令传递至角速度环控制器，所述角速度环控制器用于对虚拟角速度指令进行跟踪，同时用于消除系统扰动，姿态环控制器和角速度环控制器均设计有积分滑模，所述积分滑模用于实现切换函数的设计；
姿态环控制器中设计的积分滑模面如公式(1)表示：
Figure FDA0003186631830000031
其中，H1为增益矩阵，通过选择合适的增益矩阵可以使系统的跟踪指令偏差在一个比较理想的滑模面上滑动至稳定，θe为姿态角偏差；
如公式(2)姿态环控制器的姿态环控制律表示为：
Figure FDA0003186631830000032
其中，ωd为虚拟角速度指令，J为变换矩阵，k1为切换函数趋近滑模面的速度，sat1(s1)是关于s1的饱和函数；
角速度环控制器中设计的积分滑模面如公式(3)表示：
Figure FDA0003186631830000033
其中，H2为增益矩阵，ωe为角速度偏差；
如公式(4)角速度环控制器的角速度环控制律表示为：
Figure FDA0003186631830000034
其中，M是作用在三自由度柔索并联机器人平台的控制力拒，ω为角速度，ω×为ω的反对称矩阵，I是三自由度柔索并联机器人平台的惯性张量，εs2是指数趋近项，可缩短系统到达滑模面的时间，k2为切换函数趋近滑模面的速度，sat2(s2)是关于s2的饱和函数。
8.根据权利要求6所述的一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的调节方法，其特征在于，所述双环滑模变结构控制单元还设计有柔索拉力优化算法，所述柔索拉力优化算法用于使柔索拉力始终保持在最小预紧拉力和最大许用拉力之间，柔索拉力优化算法如公式(5)～(8)表示：
T＝Ts+Tf (5)；
Figure FDA0003186631830000041
Tf＝JT-(M-JTTs) (7)；
T＝Ts+J(JTJ)-1(M-JTTs) (8)；
其中，T为4根柔索(9)拉力，Ts为特解，Tf为基础解，设绳索最小预紧力为Tmin，最大许用拉力为Tmax，J为变换矩阵，JT-为JT的Moore-Penrose逆，当Tfx二范数取最小时，拉力T最优，使柔索的拉力始终保持在预设的最小预紧力和最大许用拉力之间。
9.根据权利要求6所述的一种用于水下摄像的三自由度柔索并联机器人的调节方法，其特征在于，步骤2所述的姿态参数包括陀螺仪传感器、角速度传感器、加速度传感器测得运动平台(11)的姿态信息、速度信息和加速度信息；
步骤5所述的相应运动任务包括滚转、俯仰、偏航方向的空间三维旋转运动。
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