CN113772058A - 一种自解耦水下动平衡作业机器人 - Google Patents

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侯冬冬
卢丙举
秦丽萍
李广华
马永
陈飞宇
王凯
经慧祥
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Abstract

本发明属于水下作业机器人的技术领域，具体涉及的是一种自解耦水下动平衡作业机器人。相对于现有技术，本发明提供的一种自解耦水下作业机器人，通过在机械臂与机器人本体连接处加装一种自解耦装置，通过该装置实现机器人本体与机械臂基座的柔性连接，通过装置平台上集成的位姿测量传感器，实时感知机器人本体的位姿变化，通过自解耦装置控制器控制与搭载机械臂基座的平衡控制，使机械臂调整到指定位置，消弱机器人本体位姿扰动对机械臂基座产生的硬性扰动，从而实现机械臂实时高精度末端轨迹控制，不用从算法上考虑本体‑机械臂耦合控制，减少了本体与机械臂各自控制器的算法复杂度，也能够实现浮游状态的动平衡精确作业。

Description

一种自解耦水下动平衡作业机器人
技术领域
本发明属于水下作业机器人的技术领域，具体涉及的是一种自解耦水下动平衡作业机器人。
背景技术
水下作业机器人执行水下检测作业等任务过程中，具有多体强耦合、时变非线性、多扰动等特点，而由于水动力环境的复杂性、机械臂结构建模误差、视觉系统识别和定位误差导致较慢的位置更新率，以及水下机器人、机械臂和目标对象之间的耦合关系复杂易导致搭载机械臂末端精确控制难度增加。
常规的水下作业机器人，需要从算法上考虑本体-机械臂耦合控制，本体与机械臂各自控制器的算法比较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是常规的水下作业机器人，需要从算法上考虑本体-机械臂耦合控制，本体与机械臂各自控制器的算法比较复杂，为解决上述问题，本发明提供一种自解耦水下动平衡作业机器人。
本发明的目的是以下述方式实现的：一种自解耦水下动平衡作业机器人，包括水下机器人主体，所述水下机器人主体端部连接端部推进器，水下机器人主体侧方连接两侧推进器和导航传感器，所述水下机器人主体侧方分别设置右机械臂和左机械臂，右机械臂底部设置右自解藕装置，左机械臂底部设置左自解藕装置；
所述右自解藕装置和左自解藕装置结构相同，右自解藕装置包括与机械臂固定连接的固定平台、水平姿态观测装置、第一连杆、观测相机、第二连杆、电机、与水下机器人固定连接的固定平台和标记物，右机械臂底部连接与机械臂固定连接的固定平台，与机械臂固定连接的固定平台底部设置第一连杆，与机械臂固定连接的固定平台底部连接水平姿态观测装置，第一连杆远离与机械臂固定连接的固定平台一端连接第二连杆，第二连杆远离第一连杆一端连接电机的输出端，电机底部连接与水下机器人固定连接的固定平台，与水下机器人固定连接的固定平台底部连接水下机器人主体，与水下机器人固定连接的固定平台顶部设置观测相机，水平姿态观测装置内部设置与观测相机配合感应的标记物。
所述电机是防水减速电机，采用三相220V/380V/40W60W/90W120W200W小型调速定速马达。
所述水下机器人主体顶部连接4个端部推进器，水下机器人主体底部连接4个端部推进器。
相对于现有技术，本发明提供的一种自解耦水下作业机器人，通过在机械臂与机器人本体连接处加装一种自解耦装置，通过该装置实现机器人本体与机械臂基座的柔性连接，通过装置平台上集成的位姿测量传感器，实时感知机器人本体的位姿变化，通过自解耦装置控制器控制与搭载机械臂基座的平衡控制，使机械臂调整到指定位置，消弱机器人本体位姿扰动对机械臂基座产生的硬性扰动，通过机械臂基座内的水平姿态观测装置确保机械臂调整到理想位置，使得机械臂在末端轨迹规划过程中，不用考虑基座位姿偏差带来的扰动影响，由于，机械臂基座与解耦装置固定平台硬性连接，所以基座位姿同样保持初始平衡状态，在此基础上，机械臂末端在轨迹规划过程中可不用考虑基座位姿变化带来的扰动影响，从而实现机械臂实时高精度末端轨迹控制，同常规的水下作业机器人相比，不用从算法上考虑本体-机械臂耦合控制，减少了本体与机械臂各自控制器的算法复杂度，也能够实现浮游状态的动平衡精确作业。
附图说明
图1是一种自解耦水下动平衡作业机器人主视图。
图2是一种自解耦水下动平衡作业机器人俯视图。
图3是一种自解耦水下动平衡作业机器人侧视图。
图4是一种自解耦水下动平衡作业机器人右自解藕装置主视图。
图5是一种自解耦水下动平衡作业机器人右自解藕装置剖视图。
其中，1－水下机器人主体，2－右机械臂，3－右自解藕装置，4－左机械臂，5－左自解藕装置，6－顶部推进器，7－两侧推进器，8－导航传感器，9－与机械臂固定连接的固定平台，10－水平姿态观测装置，11第一连杆，12－观测相机，13第二连杆，16－电机，15－与水下机器人固定连接的固定平台，16－标记物。
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详细说明。
根据附图1到附图5所示的一种自解耦水下动平衡作业机器人，包括水下机器人主体1，所述水下机器人主体1端部连接端部推进器6，水下机器人主体1侧方连接两侧推进器7和导航传感器8，所述水下机器人主体1侧方分别设置右机械臂2和左机械臂4，右机械臂2底部设置右自解藕装置3，左机械臂4底部设置左自解藕装置5；水下机器人主体1上设置的端部推进器6、两侧推进器7和导航传感器8使得水下机器人主体1实现浮游状态的位置、姿态闭环控制，使得机器人本本体1在流场扰动下保持自身的稳定性，所述水下机器人主体1侧方分别设置右机械臂2和左机械臂4，右机械臂2底部设置右自解藕装置3，左机械臂4底部设置左自解藕装置5，右机械臂2的基座与右自解藕装置3硬性连接，左机械臂4的基座与左自解藕装置5硬性连接，所以基座位姿同样保持初始平衡状态，在此基础上，机械臂末端在轨迹规划过程中可不用考虑基座位姿变化带来的扰动影响，从而实现机械臂实时高精度末端轨迹控制，机械臂与水下机器人主体1的结构层自解耦，同常规的水下作业机器人相比，不用从算法上考虑本体-机械臂耦合控制，减少了水下机器人主体1与机械臂各自控制器的算法复杂度，也能够实现浮游状态的动平衡精确作业，右自解藕装置3和左自解藕装置5利用自身集成的第一连杆11、第二连杆13和电机14进行位置反解，实现与机械臂固定连接的固定平台9和与水下机器人固定连接的固定平台15的姿态实时跟随水下机器人主体1位姿变化，而与右机械臂2、左机械臂4固定连接的与机械臂固定连接的固定平台9实时保持水平状态，通过水平姿态观测装置10中标记物16偏离中心的角度和距离，解算出与机械臂固定连接的与机械臂固定连接的固定平台9水平位姿偏差，右自解藕装置3和左自解藕装置5根据水平姿态观测装置10反馈的数据再次让并联执行机构11位置反解，形成自解耦平衡装置闭环控制，确保与机械臂固定连接的与机械臂固定连接的固定平台9始终保持水平，避免水下机器人主体1位姿在闭环控制过程的扰动直接影响机械臂基座姿态，导致右机械臂2、左机械臂4在执行抓取作业过程中，右机械臂2、左机械臂4的基座扰动导致右机械臂2、左机械臂4末端轨迹规划存在较大偏差，影响抓取作业精度。
所述右自解藕装置3和左自解藕装置5结构相同，右自解藕装置3包括与机械臂固定连接的固定平台9、水平姿态观测装置10、第一连杆11、观测相机12、第二连杆13、电机14、与水下机器人固定连接的固定平台15和标记物16，右机械臂2底部连接与机械臂固定连接的固定平台9，与机械臂固定连接的固定平台9底部设置第一连杆11，与机械臂固定连接的固定平台9底部连接水平姿态观测装置10，水平姿态观测装置10为一种类似水平仪的装置，水平姿态观测装置10内部设置液体，第一连杆11远离与机械臂固定连接的固定平台9一端连接第二连杆13，第二连杆13远离第一连杆11一端连接电机14的输出端，电机14底部连接与水下机器人固定连接的固定平台15，与水下机器人固定连接的固定平台15底部连接水下机器人主体1，与水下机器人固定连接的固定平台15顶部设置观测相机12，水平姿态观测装置10内部设置与观测相机12配合感应的标记物16，标记物16会在水平姿态观测装置10内部XY平面随着水下机器人主体1的活动发生偏移，通过水平姿态观测装置10中标记物16偏离中心的角度和距离，解算出与机械臂固定连接的与机械臂固定连接的固定平台9水平位姿偏差，右自解藕装置3和左自解藕装置5根据水平姿态观测装置10反馈的数据再次让第一连杆11、第二连杆13和电机14进行位置反解，形成自解耦平衡装置闭环控制，确保与机械臂固定连接的与机械臂固定连接的固定平台9始终保持水平。
所述电机14是防水减速电机，采用三相220V/380V/40W60W/90W120W200W小型调速定速马达，电机14采用防水减速电机，确保自解耦装置能够在水下工作，避免水下机器人主体1水下工作时电机14遇水停止工作，水下机器人主体1位姿在闭环控制过程直接影响机械臂基座姿态，导致右机械臂2、左机械臂4在执行抓取作业过程中，右机械臂2、左机械臂4的基座扰动导致右机械臂2、左机械臂4末端轨迹规划存在较大偏差，影响抓取作业精度。
所述水下机器人主体1顶部连接4个端部推进器6，水下机器人主体1底部连接4个端部推进器6，水下机器人主体1端部设置的端部推进器6控制水下机器人主体1升沉、俯仰运动，水下机器人主体1侧方设置的两侧推进器7控制水下机器人主体1进行进退、侧移运动。
本发明的工作过程如下：自解耦水下作业机器人在执行浮游作业任务过程中，水下机器人主体1由八个端部推进器6控制六个自由度运动，分别为XYZ坐标系下的轴向位移与轴向旋转，通过水下机器人主体1自身集成的导航传感器8实现位置、姿态的闭环控制，但是存在一定控制偏差，该偏差主要以位姿扰动形式传递至自解耦装置的固定基座，由于自解耦装置属于六自由度并联机构，通过第一连杆11、第二连杆13和电机14反解运算，得出结构装置六个直角的伸缩位移，通过水平姿态观测装置10上的标记物16偏离中心点的角度和距离，计算出与机械臂基座连接的与机械臂固定连接的固定平台9水平位姿偏离数据，自解耦装置控制器基于反馈的数据电机14再次调整第一连杆11和第二连杆13六个直角的伸缩位移，实现运动平台姿态变化的情况下，与机械臂基座连接的与机械臂固定连接的固定平台9位姿保持不变，由于，机械臂基座与与机械臂固定连接的固定平台9硬性连接，所以基座位姿同样保持初始平衡状态，在此基础上，机械臂末端在轨迹规划过程中可不用考虑基座位姿变化带来的扰动影响，从而实现机械臂实时高精度末端轨迹控制。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种自解耦水下动平衡作业机器人，包括水下机器人主体（1），所述水下机器人主体（1）端部连接端部推进器（6），水下机器人主体（1）侧方连接两侧推进器（7）和导航传感器（8），其特征在于，所述水下机器人主体（1）侧方分别设置右机械臂（2）和左机械臂（4），右机械臂（2）底部设置右自解藕装置（3），左机械臂（4）底部设置左自解藕装置（5）；
所述右自解藕装置（3）和左自解藕装置（5）结构相同，右自解藕装置（3）包括与机械臂固定连接的固定平台（9）、水平姿态观测装置（10）、第一连杆（11）、观测相机（12）、第二连杆（13）、电机（14）、与水下机器人固定连接的固定平台（15）和标记物（16），右机械臂（2）底部连接与机械臂固定连接的固定平台（9），与机械臂固定连接的固定平台（9）底部设置第一连杆（11），与机械臂固定连接的固定平台（9）底部连接水平姿态观测装置（10），第一连杆（11）远离与机械臂固定连接的固定平台（9）一端连接第二连杆（13），第二连杆（13）远离第一连杆（11）一端连接电机（14）的输出端，电机（14）底部连接与水下机器人固定连接的固定平台（15），与水下机器人固定连接的固定平台（15）底部连接水下机器人主体（1），与水下机器人固定连接的固定平台（15）顶部设置观测相机（12），水平姿态观测装置（10）内部设置与观测相机（12）配合感应的标记物（16）。
2.根据权利要求1所述的一种自解耦水下动平衡作业机器人，其特征在于，所述电机（14）是防水减速电机，采用三相220V/380V/40W60W/90W120W200W小型调速定速马达。
3.根据权利要求1所述的一种自解耦水下动平衡作业机器人，其特征在于，所述水下机器人主体（1）顶部连接4个端部推进器（6），水下机器人主体（1）底部连接4个端部推进器（6）。
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