[發(fā)明專利]一種水下仿生球形/半球形機(jī)器人及其運動控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110450058.6
• 申請日: 2021-04-25
• 公開（公告）號: CN113148076B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邢會明;葉秀芬;陳尚澤;劉文智;李海波;王璘;梅新奎
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: B63C11/52
• 分類號: B63C11/52
• 代理公司: 北京睿派知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11597
• 代理人: 劉鋒

本發(fā)明提出一種水下仿生球形/半球形機(jī)器人及其運動控制方法，所述方法包括：沿機(jī)器人周向?qū)臻g進(jìn)行區(qū)域劃分；計算機(jī)器人與期望航跡點的距離，并與距離閾值比較；若距離大于距離閾值，啟動巡航模式；否則，啟動位置控制模式。在巡航模式下，驅(qū)動水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，將至少部分腿部機(jī)構(gòu)的第一連桿調(diào)整至指向航跡點所在區(qū)域的對角區(qū)域。在位置控制模式下，將各個腿部機(jī)構(gòu)的第一連桿調(diào)整至圍繞赤道面中心軸中心對稱。在不同模式下，控制推進(jìn)器、第一垂直轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、第二垂直轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)實現(xiàn)機(jī)器人的水平方向運動和/或垂直方向運動。還提出一種水下仿生球形/半球形機(jī)器人。采用本發(fā)明實施例，機(jī)器人能夠根據(jù)期望航跡點的位置切換模式，實現(xiàn)更優(yōu)的運動性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水下機(jī)器人控制領(lǐng)域，具體涉及一種水下仿生球形/半球形機(jī)器人及其運動控制方法。

背景技術(shù)

隨著海洋開發(fā)活動越來越頻繁和深入，對海洋探測技術(shù)和設(shè)備的需求也越來越高。常規(guī)AUV、UUV等魚雷狀流線型水下航行器，適合遠(yuǎn)距離快速運動的任務(wù)設(shè)定，無法滿足狹窄空間內(nèi)的高精度的位置和位姿控制應(yīng)用需求。針對水下狹窄空間環(huán)境，大量研究人員開始研發(fā)小型水下機(jī)器人。2012年，英國曼徹斯特大學(xué)和牛津大學(xué)合作研制出了“MK”系列球形水下球形機(jī)器人。該球形機(jī)器人的赤道面外部安裝了六個對稱的推進(jìn)器，球殼直徑僅0.15m，該研究團(tuán)隊針對該機(jī)器人采用滑模方法對其運動控制進(jìn)行了研究，以提高其執(zhí)行任務(wù)的穩(wěn)定性和抗擾性。北京郵電大學(xué)孫漢旭教授團(tuán)隊多年來致力于球形機(jī)器人的研制工作，己研制出BYSQ-1、BYSQ-2和BYSQ-3三代水下機(jī)器人樣機(jī)。

近年來，國內(nèi)外對基于矢量運動控制的水下機(jī)器人研究較多。2016年，美國國際水下機(jī)器人大賽中，康內(nèi)爾大學(xué)代表隊研制的水下機(jī)器人Thor采用了矢量化推進(jìn)系統(tǒng)。該機(jī)器人采用四個常規(guī)推進(jìn)器和四個360度旋轉(zhuǎn)推進(jìn)器，在前進(jìn)運動中，機(jī)器人最多采用六個推進(jìn)器提供前進(jìn)動力，四個推進(jìn)器實現(xiàn)垂直運動，兩個推進(jìn)器實現(xiàn)航向調(diào)節(jié)，極大提高了推進(jìn)器的利用率。

2015年，韓國首爾國立大學(xué)設(shè)計了一款水下機(jī)器人，該機(jī)器人采用四傾斜推進(jìn)器，可以實現(xiàn)原地六自由度高難度的姿態(tài)控制。由于機(jī)器人推進(jìn)器采用對角線方向布置，在快速遠(yuǎn)距離運動中存在能量的內(nèi)耗，從而降低了機(jī)器人效率。

2013年，Torres等人完成一款微型四可傾斜螺旋槳的水下機(jī)器人，該機(jī)器人重2.2kg，四個推進(jìn)器只能繞同一軸旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人在前進(jìn)和垂直方向上運動容易實現(xiàn)，但是在橫向運動中機(jī)器人無法完成。

2011年，Ngoc-Huy Tran等人設(shè)計了一款新型蝶形水下機(jī)器人UDR (anunderwater disk robot)，可以實現(xiàn)六個自由度運動。機(jī)器人在水平方向上有三個對稱推進(jìn)器分布在圓形底盤周圍，各推進(jìn)器夾角為120度，且該推進(jìn)器可繞垂直方向左右旋轉(zhuǎn)30度，可實現(xiàn)矢量化控制。該機(jī)器人在垂直方向上采用三個推進(jìn)器，可實現(xiàn)深度調(diào)節(jié)。

常規(guī)水下機(jī)器人難以同時滿足遠(yuǎn)程高速運動與近程低速高精度姿態(tài)控制需求，因此需要提出一種新型水下機(jī)器人，并對機(jī)器人的控制方式進(jìn)行優(yōu)化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提出一種水下仿生球形/半球形機(jī)器人及其運動控制方法，能夠基于區(qū)域分割與航跡點分析，切換小型水下仿生球形/半球形機(jī)器人在不同目標(biāo)要求下的運動控制模式，動態(tài)調(diào)整推力矢量分配，實現(xiàn)更優(yōu)的運動性能。

有鑒于此，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了一種水下仿生球形/半球形機(jī)器人的運動控制方法，所述機(jī)器人赤道面周向分布至少四組腿部機(jī)構(gòu)，每組所述腿部機(jī)構(gòu)至少包括依次連接的第一水平轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、第一連桿、第一垂直轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)及遠(yuǎn)端連接的推進(jìn)器，其特征在于，所述方法包括：

步驟1，以所述機(jī)器人為中心，沿機(jī)器人周向?qū)臻g進(jìn)行區(qū)域劃分；

步驟2，確定期望航跡點位置，計算所述機(jī)器人與所述期望航跡點的距離，比較所述距離與距離閾值；