本发明专利技术涉及一种复合动力式水下人形机器人，包括躯干模块、腿部模块、脚蹼、浮力调节模块、充气瓶、感知模块和控制模块；所述腿部模块能够相对躯干模块在躯干模块的左右方向和前后方向上摆动；所述浮力调节模块包括浮力气囊组和充放气控制机构；还包括水下推进模块，所述水下推进模块包括上推进器和下推进器，所述上推进器安装在躯干模块上，所述下推进器安装在腿部模块上；所述控制模块分别与上推进器和下推进器都控制相连；所述感知模块中的腿部运动检测组件设置于腿部模块，能够获取腿部模块的运动情况，并能够获取下推进器的推进力相对躯干模块的角度关系；所述浮力气囊组在充放气时总浮心始终处于一个浮心波动空间范围内。
1、海上资源开采平台、海上牧场养殖平台、海上光电、风电平台、各类大型船舶数量与日俱增，并且已经集中进入维护期，这些类平台生产建设与保养维护任务受海洋恶劣环境的影响，水面平台维护装备和技术发展已经进入技术瓶颈期。目前这类生产、维护操作过于依赖人工操作，受风浪流影响水上作业的窗口期短、坠落风险高，同时人员水下作业难以维持定位稳定。因此，用于水下作业的水下机器人也越来越重要，并且随着自主水下机器人不断的研究创新与应用，自主水下机器人承担任务复杂性越来越高，自主水下机器人要求也越来越高。
2、目前很多水下机器人通常采用推进器的方式进行水下航行和转向，并通过气囊充气来控制浮力，来实现沉浮控制，例如申请号为cn202410042358.4和cn202410133592.8的专利中所提供的水下机器人，采用对称式的六个或八个推进器，能够在保持机器人水平平稳的前提实现4个自由度的运动能力。但是这种设计难以实现机器人复杂的姿态控制，难以满足复杂的水下作业需要。申请号为cn202410801374.7的专利中公开了一种基于气动浮力控制的水下蹼式人形机器人，通过浮力调节模块的浮力气囊组改变浮力大小和浮心，并通过腿部的脚蹼产生的水动力，来控制机器人在水下的姿态和运动，具有操作能力好，但是这种设计的机器人，通过腿部及其上的脚蹼产生动力，动力有限，适合小范围活动的场合，游动速度低，因此不适合长距离的游动，存在使用限制条件，同时也难以实现机器人姿态的快速调整。
/>技术实现思路
1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术要解决的技术问题在于提供一种复合动力式水下人形机器人，通过浮力控制、矢量推进器和脚蹼摆动的复合式动力系统实现灵活的水下运动，并且能够在水下形成快速运动矢量控制，实现机器人系统快速转场能力和姿态调整能力。
2、为实现上述目的，本专利技术提供一种复合动力式水下人形机器人，包括躯干模块、腿部模块、脚蹼、浮力调节模块、充气瓶、感知模块和控制模块；所述充气瓶固定安装在躯干模块上；所述腿部模块连接在躯干模块上，且底部连接有脚蹼，所述腿部模块能够运动并驱动脚蹼产生水动力；所述腿部模块能够相对躯干模块在躯干模块的左右方向和前后方向上摆动；所述浮力调节模块包括浮力气囊组和充放气控制机构，所述浮力气囊组安装于躯干模块，包括若干个气囊，所述充放气控制机构连接气囊和充气瓶；所述感知模块包括腿部运动检测组件；所述控制模块与感知模块通讯相连，所述控制模块分别与腿部模块和浮力调节模块都控制相连；还包括水下推进模块，所述水下推进模块包括上推进器和下推进器，所述上推进器安装在躯干模块上，所述下推进器安装在腿部模块上；所述控制模块分别与上推进器和下推进器都控制相连；所述腿部运动检测组件设置于腿部模块，能够获取腿部模块的运动情况，并能够获取下推进器的推进力相对躯干模块的角度关系；所述浮力气囊组在充放气时总浮心始终处于一个浮心波动空间范围内。
3、进一步地，所述上推进器为两个，且关于躯干模块在左右方向的中间平面相对称，所述上推进器的推进力方沿着躯干模的上下方向，所述腿部模块也为两个，每个腿部模块上安装有一个下推进器。
4、进一步地，所述上推进器设置在躯干模块后背的顶部处。
5、进一步地，所述上推进器具有正推和反推功能，所述上推进器通过桨叶旋转提供推力，并且两个上推进器都为正推或者都为反推时两者桨叶旋转方向相反。
6、进一步地，所述下推进器具有正推和反推功能，所述下推进器通过桨叶旋转提供推力，并且两个下推进器都为正推或者都为反推时两者桨叶旋转方向相反。
7、进一步地，所述浮力气囊组的气囊为三个，分别为主浮力气囊、左气囊和右气囊，所述主浮力气囊的前侧面靠近躯干模块的后背面，所述左气囊和右气囊分别设置在主浮力气囊的后侧面的左半部区域和右半部区域。
8、进一步地，所述左气囊和右气囊都通过胶接结构连接在主浮力气囊的后侧面。
9、进一步地，所述浮力调节模块还包括气囊组安装架，所述气囊组安装架包括固定连接于躯干模块的左支架和右支架、以及设置在左支架和右支架之间的弹性联接束缚带，所述浮力气囊组的左右两侧分别伸入到左支架和右支架的容纳腔中，所述弹性联接束缚带压紧在浮力气囊组的后侧。
10、进一步地，所述浮力调节模块的充放气控制机构包括总气源管、总排气管、以及若干充放气单元，每个充放气单元用于一个气囊的充放气，所述总气源管与充气瓶相连，所述充放气单元包括进气电磁阀和放气电磁阀，所述进气电磁阀的入口通过管路与总气源管相连、出口通过管路与气囊相连，所述进气电磁阀的入口通过管路与气囊相连、出口通过管路与总排气管相连；所述控制模块分别与进气电磁阀和放气电磁阀都控制相连。
11、进一步地，所述腿部模块包括髋关节机构、大腿连杆、膝关节机构、小腿连杆、踝关节机构和足部末端法兰，所述大腿连杆上端通过髋关节机构与躯干模块连接，所述髋关节机构能够带动大腿连杆相对躯干模块在前后方向和左右方向上摆动；所述大腿连杆下端与小腿连杆上端通过膝关节机构连接，所述膝关节机构能够带动小腿连杆相对大腿连杆绕g转动轴线转动，所述g转动轴线垂直于大腿连杆轴线；所述足部末端法兰通过踝关节机构与小腿连杆下端连接，所述踝关节机构能够带动足部末端法兰绕h转动轴线，且h转动轴线垂直于小腿连杆轴线；所述脚蹼固定连接于足部末端法兰；所述控制模块分别与髋关节机构、膝关节机构和踝关节机构都控制相连；所述下推进器固定安装在大腿连杆。
12、进一步地，所述小腿连杆包括小腿上杆、小腿下杆、以及连接小腿上杆和小腿下杆的小腿回转关节，所述小腿回转关节能够带动小腿上杆和小腿下杆相对旋转。
13、如上所述，本专利技术涉及的复合动力式水下人形机器人，具有以下有益效果：
14、1、通过浮力气囊组的可控浮力、水下推进模块的可调推力、以及脚蹼摆动组成的复合式动力系统实现灵活的水下运动，并且在长距离大范围运动时，通过水下推进模块的推进器实现，并且能够灵活调整推进力角度，在水下形成快速运动矢量控制，能够驱动机器人快速运动，实现快速转场。
15、2、通过控制模块与感知模块实现机器人的状态估计与运动轨迹控制，系统具备支持运动规划优化和作业任务决策的边缘计算能力。
16、3、浮力控制模块能够快速调配机器人水下浮力、构建中性浮力，从而优化水下推进器功耗与脚蹼推进的稳定性。
17、4、采用人形双臂结构拓扑，每个手臂模块具有仿生肩、肘、腕的运动能力，通过关节力矩感知与运动控制实现水下双臂协作能力，完成复杂工具操纵与操作任务的同时避免机械臂对水下协同人员和设备造成机械性损伤；腿部模块具备髋、膝、踝关节仿生运动能力，结合脚蹼能够最大程度还原水肺潜水各类踢水步态，进而使得机器人能够实现水下悬停、前进、后退、左偏、右偏、左回滚、右回滚等动作。
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【技术保护点】
1.一种复合动力式水下人形机器人，包括躯干模块(1)、腿部模块(2)、脚蹼(4)、浮力调节模块(5)、充气瓶(7)、感知模块和控制模块；所述充气瓶(7)固定安装在躯干模块(1)上；所述腿部模块(2)连接在躯干模块(1)上，且底部连接有脚蹼(4)，所述腿部模块(2)能够运动并驱动脚蹼(4)产生水动力；所述腿部模块(2)能够相对躯干模块(1)在躯干模块(1)的左右方向和前后方向上摆动；所述浮力调节模块(5)包括浮力气囊组(51)和充放气控制机构，所述浮力气囊组(51)安装于躯干模块(1)，包括若干个气囊，所述充放气控制机构连接气囊和充气瓶(7)；所述感知模块包括腿部运动检测组件；所述控制模块与感知模块通讯相连，所述控制模块分别与腿部模块(2)和浮力调节模块(5)都控制相连；其特征在于：还包括水下推进模块(6)，所述水下推进模块(6)包括上推进器(61)和下推进器(62)，所述上推进器(61)安装在躯干模块(1)上，所述下推进器(62)安装在腿部模块(2)上；所述控制模块分别与上推进器(61)和下推进器(62)都控制相连；所述腿部运动检测组件设置于腿部模块(2)，能够获取腿部模块(2)的运动情况，并能够获取下推进器(62)的推进力相对躯干模块(1)的角度关系；
2.根据权利要求1所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述上推进器(61)为两个，且关于躯干模块(1)在左右方向的中间平面相对称，所述上推进器(61)的推进力方沿着躯干模的上下方向，所述腿部模块(2)也为两个，每个腿部模块(2)上安装有一个下推进器(62)。
3.根据权利要求2所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述上推进器(61)具有正推和反推功能，所述上推进器(61)通过桨叶旋转提供推力，并且两个上推进器(61)都为正推或者都为反推时两者桨叶旋转方向相反。
4.根据权利要求2所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述下推进器(62)具有正推和反推功能，所述下推进器(62)通过桨叶旋转提供推力，并且两个下推进器(62)都为正推或者都为反推时两者桨叶旋转方向相反。
5.根据权利要求1所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述浮力气囊组(51)的气囊为三个，分别为主浮力气囊(511)、左气囊(512)和右气囊(513)，所述主浮力气囊(511)的前侧面靠近躯干模块(1)的后背面，所述左气囊(512)和右气囊(513)分别设置在主浮力气囊(511)的后侧面的左半部区域和右半部区域。
6.根据权利要求5所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述左气囊(512)和右气囊(513)都通过胶接结构(514)连接在主浮力气囊(511)的后侧面。
7.根据权利要求1或5所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述浮力调节模块(5)还包括气囊组安装架(52)，所述气囊组安装架(52)包括固定连接于躯干模块(1)的左支架(521)和右支架(522)、以及设置在左支架(521)和右支架(522)之间的弹性联接束缚带(523)，所述浮力气囊组(51)的左右两侧分别伸入到左支架(521)和右支架(522)的容纳腔(524)中，所述弹性联接束缚带(523)压紧在浮力气囊组(51)的后侧。
8.根据权利要求1所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述浮力调节模块(5)的充放气控制机构包括总气源管(53)、总排气管(54)、以及若干充放气单元(55)，每个充放气单元(55)用于一个气囊的充放气，所述总气源管(53)与充气瓶(7)相连，所述充放气单元(55)包括进气电磁阀(551)和放气电磁阀(552)，所述进气电磁阀(551)的入口通过管路与总气源管(53)相连、出口通过管路与气囊相连，所述进气电磁阀(551)的入口通过管路与气囊相连、出口通过管路与总排气管(54)相连；所述控制模块分别与进气电磁阀(551)和放气电磁阀(552)都控制相连。
9.根据权利要求1所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述腿部模块(2)包括髋关节机构(21)、大腿连杆(22)、膝关节机构(23)、小腿连杆(24)、踝关节机构(25)和足部末端法兰(26)，所述大腿连杆(22)上端通过髋关节机构(21)与躯干模块(1)连接，所述髋关节机构(21)能够带动大腿连杆(22)相对躯干模块(1)在前后方向和左右方向上摆动；所述大腿连杆(22)下端与小腿连杆(24)上端通过膝关节机构(23)连接，所述膝关节机构(23)能够带动小腿连杆(24)相对大腿连杆(22)绕G转动轴线转动，所述G转动轴线垂直于大腿连杆(22)轴线，；所述足部末端法兰(26)通过踝关节机构(25)与小腿连杆(24)下端...
【技术特征摘要】
1.一种复合动力式水下人形机器人，包括躯干模块(1)、腿部模块(2)、脚蹼(4)、浮力调节模块(5)、充气瓶(7)、感知模块和控制模块；所述充气瓶(7)固定安装在躯干模块(1)上；所述腿部模块(2)连接在躯干模块(1)上，且底部连接有脚蹼(4)，所述腿部模块(2)能够运动并驱动脚蹼(4)产生水动力；所述腿部模块(2)能够相对躯干模块(1)在躯干模块(1)的左右方向和前后方向上摆动；所述浮力调节模块(5)包括浮力气囊组(51)和充放气控制机构，所述浮力气囊组(51)安装于躯干模块(1)，包括若干个气囊，所述充放气控制机构连接气囊和充气瓶(7)；所述感知模块包括腿部运动检测组件；所述控制模块与感知模块通讯相连，所述控制模块分别与腿部模块(2)和浮力调节模块(5)都控制相连；其特征在于：还包括水下推进模块(6)，所述水下推进模块(6)包括上推进器(61)和下推进器(62)，所述上推进器(61)安装在躯干模块(1)上，所述下推进器(62)安装在腿部模块(2)上；所述控制模块分别与上推进器(61)和下推进器(62)都控制相连；所述腿部运动检测组件设置于腿部模块(2)，能够获取腿部模块(2)的运动情况，并能够获取下推进器(62)的推进力相对躯干模块(1)的角度关系；
2.根据权利要求1所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述上推进器(61)为两个，且关于躯干模块(1)在左右方向的中间平面相对称，所述上推进器(61)的推进力方沿着躯干模的上下方向，所述腿部模块(2)也为两个，每个腿部模块(2)上安装有一个下推进器(62)。
3.根据权利要求2所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述上推进器(61)具有正推和反推功能，所述上推进器(61)通过桨叶旋转提供推力，并且两个上推进器(61)都为正推或者都为反推时两者桨叶旋转方向相反。
4.根据权利要求2所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述下推进器(62)具有正推和反推功能，所述下推进器(62)通过桨叶旋转提供推力，并且两个下推进器(62)都为正推或者都为反推时两者桨叶旋转方向相反。
5.根据权利要求1所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述浮力气囊组(51)的气囊为三个，分别为主浮力气囊(511)、左气囊(512)和右气囊(513)，所述主浮力气囊(511)的前侧面靠近躯干模块(1)的后背面，所述左气囊(512)和右气囊(513)分别设置在主浮力气囊(511)的后侧面的左半部区域和右半部区域。
6.根据权利要求5所述的复合动力式水下人形机器人，其特征在于：所述左气囊(512)和右气囊(513)都通过胶接结构(514)连接在主浮力气...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘积昊，林志良，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：
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