一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人及其控制方法技术

本发明专利技术提出一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，包括框架、浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置和作业扩展模块；浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置以及作业扩展模块均安装在框架上，且水下作业机器人的重心位于浮心正下方。采用本发明专利技术能够使水下作业机器人能够适应不同类别，不同姿态工作面的作业需求，而且能够适应在不同工作面上的全向机动和越障能力的需求，从而可以为水下作业机器人完成各种水下作业任务提供技术支持。

Underwater robot with combined movement of bionic blade leg and omnidirectional wheel and control method thereof

The invention provides a mix of bionic blade legs and walk underwater combined Omni wheel robot, which comprises a frame, a floating body module, hanger, sealed cabin, motion component, sensor detection component, visual positioning device and the operation module; floating body module, hanger, sealed cabin, motion component, sensor detection component, visual positioning device and operation module are installed on the frame, and the focus of underwater robot is located just below the center of buoyancy. The invention can make underwater robot can adapt to different categories, different attitude to the work needs, and can adapt to different working surface of the omnidirectional maneuvering and obstacle capability of the demand, which can complete a variety of underwater robot underwater task to provide technical support.

【技术实现步骤摘要】
一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人及其控制方法
本专利技术涉及水下机器人
，具体为一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人及其控制方法。
技术介绍
随着我国海洋强国战略的实施，海洋经济和海洋军事都对水下作业机器人提出了迫切的要求。在海洋经济方面，我国正在大力开展水产养殖、海底资源开采、海底设施建设等活动，同时我国是一个海洋运输和水利设施建设的大国，大量的船舶需要定期清洗或进行安全性能检查，也需要定期对水利大坝进行安全性能检测；在海洋安全方面，我国正在不断提升水下港口的预警、水下猎雷、水下排爆等能力，同时随着我国航母、大型军舰、潜艇的不断服役，都需要水下机器人完成清洗和安全检测。这些任务若采用传统人工作业的方式进行，不仅风险大，而且作业成本高，因此水下作业机器人应运而生。目前，常见的水下作业机器人是纯粹游动型的作业机器人，这种机器人不仅航行海域和作业范围小，而且位置固定性能差，容易受海流和自身动作反作用力影响而发生漂移。因此，这类作业水下机器人在作业时，通常需要两个以上的机械手配合才能完成作业，其中一个机械手用于机器人位置的固定，另一个机械手用于对作业目标实施作业，这就增加了作业难度。此外，大部分水下机器人采用正方体式的钢制框架，重量和航行阻力较大，不利于水下作业。近年来，国内外出现了少量基于履带式或万向轮式的游走混合的水下作业机器人，这类机器人通过大范围游动来寻找作业目标，寻找到目标后，通过在作业面上的行走来接近目标。再通过声/光对作业目标准确定位后，由作业扩展模块对作业目标实施作业。这种机器人在作业时其自身的状态处于保持状态，具有位置固定性能好，不易受海流和自身动作反作用力影响而发生漂移的缺陷，降低了作业难度。但是，由于对水下作业机器人的需求不同，导致水下作业机器人的作业面也存在着千差万别，既有像水库大坝、船舶侧舷等这样平坦的工作面，也有像海底、船舶底部等这样非平坦的工作面。这就要求水下作业机器人不仅能适应不同类别、不同姿态工作面的作业需求，而且能适应在不同工作面上的全向机动和越障能力的需求，目前的水下作业机器人不能同时很好地满足这样的需求。
技术实现思路
为解决现有技术存在的问题，本专利技术提出了一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人及其控制方法，使水下作业机器人能够适应不同类别，不同姿态工作面的作业需求，而且能够适应在不同工作面上的全向机动和越障能力的需求，从而可以为水下作业机器人完成各种水下作业任务提供技术支持。本专利技术的技术方案为：所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：包括框架、浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置和作业扩展模块；浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置以及作业扩展模块均安装在框架上，且水下作业机器人的重心位于浮心正下方；所述浮体模块用于提供浮力；所述吊架用于水下作业机器人的起吊；所述控制密封舱内部安装水下作业机器人控制和信息传输所需的非防水设备，并采用水密接插件作为外部接线口；所述运动组件包括游动驱动装置和行走与驱动装置；所述游动驱动装置包括不少于四个垂直推进器和不少于两个水平推进器；垂直推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的沉浮、俯仰和滚转运动以及提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力功能；水平推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的前后和偏航运动；所述行走与驱动装置包括仿生刀锋腿行走与驱动装置、全向轮行走与驱动装置以及升降装置；当水下作业机器人在非平坦的作业面上工作时，采用仿生刀锋腿行走与驱动装置；当水下作业机器人在平坦的作业面上工作时，采用全向轮行走与驱动装置；通过升降装置实现在水下切换仿生刀锋腿行走与驱动装置和全向轮行走与驱动装置；所述传感探测组件能够感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度、感知水下作业机器人周围环境，并将感知信息发送给水下作业机器人控制设备；所述视觉定位装置能够在水下作业机器人作业时对目标进行定位；所述作业扩展模块能够实现水下作业机器人作业任务。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿行走与驱动装置包括安装在水下作业机器人两侧的仿生刀锋腿，以及对应每个仿生刀锋腿的驱动装置；所述驱动装置能够驱动仿生刀锋腿绕其一端转轴转动；水下作业机器人一侧的仿生刀锋腿个数不少于三个。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿为半圆形仿生腿，外轮廓表面设有凸起橡胶垫。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述全向轮行走与驱动装置包括至少四个全向轮以及对应每个全向轮的驱动装置；所述全向轮采用麦卡纳姆轮。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述升降装置包括升降装置支架、升降电机、减速器、锥齿轮换向器和蜗轮丝杆升降机；升降电机、减速器、锥齿轮换向器和蜗轮丝杆升降机均安装在升降装置支架上，升降电通过减速器带动锥齿轮换向器，锥齿轮换向器带动蜗轮转动，蜗轮再带动丝杆完成升降，每个蜗轮丝杆升降机对应一个全向轮以及相应驱动装置。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述传感探测组件包括摄像及照明装置、前视图像声呐、深度和高度一体化传感器和姿态传感器；所述深度和高度一体化传感器感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度；所述姿态传感器感应水下作业机器人的姿态；所述摄像及照明装置由一个穹顶式摄像头、一个广角摄像头、两个水下LED灯组成；穹顶式摄像头装在水下作业机器人前端的穹顶摄像头支架上，用于全向观测水下作业环境；广角摄像头安装在机器人后端的广角摄像头支架上，用于定向观测后方水下作业环境；两个照明灯分别安装在所述穹顶摄像头支架左右，用于水下照明；所述前视图像声呐位于水下作业机器人前端。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述框架为聚丙烯框架，包括由四块横梁组成的横梁组件、二块推进器支架板、二块侧板、控制密封仓后挡板、定位装置支架板和多个摄像头支架板。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述浮体模块采用空心玻璃微珠材料，并具有流线型外形结构，安装在框架上部，且浮体模块上开有安放垂直推进器的通孔。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述吊架由两片钢架结构组成，固定在横梁组件上，下端环抱控制密封舱，上端从浮体模块中伸出。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述游动驱动装置由四个垂直推进器和两个水平推进器组成；四个垂直推进器分别置于浮体模块四个对称分布的圆形开孔中，并通过固定件对称固定在横梁组件上；二个水平推进器分别通过固定件固定二块推进器支架板外侧。进一步的优选方案，所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述视觉定位装置采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：包括框架、浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置和作业扩展模块；浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置以及作业扩展模块均安装在框架上，且水下作业机器人的重心位于浮心正下方；所述浮体模块用于提供浮力；所述吊架用于水下作业机器人的起吊；所述控制密封舱内部安装水下作业机器人控制和信息传输所需的非防水设备，并采用水密接插件作为外部接线口；所述运动组件包括游动驱动装置和行走与驱动装置；所述游动驱动装置包括不少于四个垂直推进器和不少于两个水平推进器；垂直推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的沉浮、俯仰和滚转运动以及提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力功能；水平推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的前后和偏航运动；所述行走与驱动装置包括仿生刀锋腿行走与驱动装置、全向轮行走与驱动装置以及升降装置；当水下作业机器人在非平坦的作业面上工作时，采用仿生刀锋腿行走与驱动装置；当水下作业机器人在平坦的作业面上工作时，采用全向轮行走与驱动装置；通过升降装置实现在水下切换仿生刀锋腿行走与驱动装置和全向轮行走与驱动装置；所述传感探测组件能够感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度、感知水下作业机器人周围环境，并将感知信息发送给水下作业机器人控制设备；所述视觉定位装置能够在水下作业机器人作业时对目标进行定位；所述作业扩展模块能够实现水下作业机器人作业任务。...

【技术特征摘要】
1.一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：包括框架、浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置和作业扩展模块；浮体模块、吊架、控制密封舱、运动组件、传感探测组件、视觉定位装置以及作业扩展模块均安装在框架上，且水下作业机器人的重心位于浮心正下方；所述浮体模块用于提供浮力；所述吊架用于水下作业机器人的起吊；所述控制密封舱内部安装水下作业机器人控制和信息传输所需的非防水设备，并采用水密接插件作为外部接线口；所述运动组件包括游动驱动装置和行走与驱动装置；所述游动驱动装置包括不少于四个垂直推进器和不少于两个水平推进器；垂直推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的沉浮、俯仰和滚转运动以及提供水下作业机器人在作业面上工作所需附着力功能；水平推进器至少能够受控实现水下作业机器人游动过程的前后和偏航运动；所述行走与驱动装置包括仿生刀锋腿行走与驱动装置、全向轮行走与驱动装置以及升降装置；当水下作业机器人在非平坦的作业面上工作时，采用仿生刀锋腿行走与驱动装置；当水下作业机器人在平坦的作业面上工作时，采用全向轮行走与驱动装置；通过升降装置实现在水下切换仿生刀锋腿行走与驱动装置和全向轮行走与驱动装置；所述传感探测组件能够感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度、感知水下作业机器人周围环境，并将感知信息发送给水下作业机器人控制设备；所述视觉定位装置能够在水下作业机器人作业时对目标进行定位；所述作业扩展模块能够实现水下作业机器人作业任务。2.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿行走与驱动装置包括安装在水下作业机器人两侧的仿生刀锋腿，以及对应每个仿生刀锋腿的驱动装置；所述驱动装置能够驱动仿生刀锋腿绕其一端转轴转动；水下作业机器人一侧的仿生刀锋腿个数不少于三个。3.根据权利要求2所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述仿生刀锋腿为半圆形仿生腿，外轮廓表面设有凸起橡胶垫。4.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述全向轮行走与驱动装置包括至少四个全向轮以及对应每个全向轮的驱动装置；所述全向轮采用麦卡纳姆轮。5.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述升降装置包括升降装置支架、升降电机、减速器、锥齿轮换向器和蜗轮丝杆升降机；升降电机、减速器、锥齿轮换向器和蜗轮丝杆升降机均安装在升降装置支架上，升降电通过减速器带动锥齿轮换向器，锥齿轮换向器带动蜗轮转动，蜗轮再带动丝杆完成升降，每个蜗轮丝杆升降机对应一个全向轮以及相应驱动装置。6.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机器人，其特征在于：所述传感探测组件包括摄像及照明装置、前视图像声呐、深度和高度一体化传感器和姿态传感器；所述深度和高度一体化传感器感知水下作业机器人离海面的航行深度和离海底的高度；所述姿态传感器感应水下作业机器人的姿态；所述摄像及照明装置由一个穹顶式摄像头、一个广角摄像头、两个水下LED灯组成；穹顶式摄像头装在水下作业机器人前端的穹顶摄像头支架上，用于全向观测水下作业环境；广角摄像头安装在机器人后端的广角摄像头支架上，用于定向观测后方水下作业环境；两个照明灯分别安装在所述穹顶摄像头支架左右，用于水下照明；所述前视图像声呐位于水下作业机器人前端。7.根据权利要求1所述一种游走混合的仿生刀锋腿与全向轮组合的水下作业机...

【专利技术属性】
技术研发人员：严卫生，许晖，崔荣鑫，高剑，张福斌，张立川，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61