一种重构水下机器人及其控制方法

本发明涉及一种机器人及其控制方法，尤其涉及一种重构水下机器人及其控制方法。

背景技术：

1、水下机器人常用于海底探索、海洋安全和资源开发等相关领域中，现有水下机器人技术中，主要采用螺旋推进和仿生推进两种形式，其中仿生推进相较于其他传统推进方法具有推进效率高、噪音小、对环境扰动性小的特点；但现有的用于水下探测相关的仿生机器人大多结构和推进形式较为单一，对海底暗礁、岩石等复杂环境的适应性差，通过单一构型难以满足不同的作业要求。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的第一目的是提供了一种能够在水下变形重构、推进形式多样且适应性强的重构水下机器人及其控制方法。

2、本发明的第二目的是提供一种重构水下机器人的控制方法。

3、技术方案：本发明公开的一种重构水下机器人，包括机器人主体，还包括通过连接组件对称设置在机器人主体两侧的仿生波动鳍组件，所述连接组件包括与机器人主体转动连接的第一关节轴和与仿生波动鳍组件转动连接的第二关节轴，所述第一关节轴带动仿生波动鳍组件绕着机器人主体长度方向转动，第二关节轴带动仿生波动鳍组件绕着机器人主体高度方向转动，重构水下机器人的构型。

4、进一步的，所述水下机器人的构型包括h形构型、x形构型、菱形构型和v形构型。

5、进一步的，所述机器人主体包括主体外壳，所述主体外壳内设有第一驱动舵机、与第一驱动舵机的输出轴相连的花键轴、开设于第一关节轴上且与花键轴配合的花键孔、第一配置槽、电池仓和端侧配重槽，所述主体外壳设有用于穿设第一关节轴的安装孔。

6、进一步的，所述仿生波动鳍组件包括连接壳、位于连接壳内的第二驱动舵机、与连接壳相连的第一连接座、与第二驱动舵机的输出轴相连且架设在第一连接座内的主动锥齿轮、与主动锥齿轮啮合连接且架设在第一连接座内的从动锥齿轮以及与从动锥齿轮的输出轴两端相连且铰接在第一连接座上的第二连接座，所述第二连接座与第二关节轴的末端固定连接。

7、进一步的，所述仿生波动鳍组件还包括位于连接壳内的驱动电机、与驱动电机的输出轴相连的主动齿轮、与主动齿轮啮合连接的从动齿轮、与从动齿轮同轴设置且与连接壳转动连接的驱动轴、多个等间距套设在驱动轴上的鳍条连接块以及穿设多个鳍条连接块且与驱动轴平行设置的固定轴，多个所述鳍条连接块的一端均伸出连接壳并与同一个仿生波动鳍相连接。

8、进一步的，所述仿生波动鳍由柔性材料制成，且仿生波动鳍的外边沿波形为正弦波形，所述仿生波动鳍内设置有刚性鳍条，且鳍条连接块与刚性鳍条固定连接。

9、进一步的，所述第一关节轴的轴心线为第一旋转中心线，第二关节轴的轴心线为第二旋转中心线，垂直于第一旋转中心线和第二旋转中心线的辅助轴心线为第三旋转中心线，第一旋转中心线、第二旋转中心线和第三旋转中心线构成空间坐标系；第一关节轴绕第一旋转中心线转动，且第一关节轴的旋转角度为-66°至66°；所述第二关节轴绕第三旋转中心线转动，且第二关节轴的旋转角度为0°至90°。

10、基于同样的发明构思，本发明还提供一种重构水下机器人的控制方法，所述水下机器人由h形构型重构为x形构型的步骤为：

11、启动机器人主体斜对角的两个第一驱动舵机，使与之对应的两个第一关节轴相对机器人主体正向转动预设角度，

12、启动机器人主体另一斜对角的两个第一驱动舵机，使与之对应的两个第一关节轴相对机器人主体反向转动相同的预设角度，

13、启动四个第二驱动舵机，使四个第二关节轴分别朝向机器人主体的方向转动，直至仿生波动鳍组件与机器人主体的长度方向平行；

14、所述水下机器人由h形构型重构为菱形构型的步骤为：

15、启动位于机器人主体长度方向同一侧的两个仿生波动鳍组件的第二驱动舵机，使与之对应的第二关节轴相向转动，直至两个仿生波动鳍组件的自由端之间的距离达到相同的预设长度，

16、启动机器人主体长度方向另一侧的两个仿生波动鳍组件的第二驱动舵机，使与之对应的第二关节轴相向转动，直至两个仿生波动鳍组件的自由端之间的距离达到相同的预设长度；

17、所述水下机器人由h形构型重构为v形构型的步骤为：

18、启动位于机器人主体长度方向同一侧的两个仿生波动鳍组件的第一驱动舵机，使与之对应的第一关节轴正向转动预设角度，

19、启动位于机器人主体长度方向另一侧的两个仿生波动鳍组件的第一驱动舵机，使与之对应的第一关节轴反向转动相同的预设角度，

20、且位于机器人主体长度方向同一侧的仿生波动鳍组件与另一侧相对应位置的仿生波动鳍组件形成一个锐角。

21、进一步的，建立xyz空间坐标系，x轴沿着机器人主体宽度方向，y轴沿着机器人主体高度方向，z轴沿着机器人主体长度方向；

22、所述h形构型机器人前后移动和转向的步骤如下：

23、设x轴负方向为前进方向，启动对应的驱动电机，带动机器人主体左侧前方的仿生波动鳍生成的推进力为f1、带动机器人主体右侧前方的仿生波动鳍生成的推进力为f2、带动机器人主体左侧后方的仿生波动鳍生成的推进力为f3、带动机器人主体右侧后方的仿生波动鳍生成的推进力为f4；

24、控制四个驱动电机，使f1、f2、f3和f4在同一水平面、f1与f3的合力方向与f2与f4的合力方向朝向x轴同一方向、f1与f3的合力与f2与f4的合力大小相等，实现h形构型机器人前后移动；

25、控制四个驱动电机，使f1、f2、f3和f4在同一水平面、f1与f3的合力与f2与f4的合力大小不等，实现h形构型机器人转向；

26、进一步的，所述x形构型机器人前后移动、转向、浮潜的步骤如下：

27、设z轴正方向为前进方向，启动对应的驱动电机，带动机器人主体左侧上方的仿生波动鳍生成的推进力为f1、带动机器人主体右侧上方的仿生波动鳍生成的推进力为f2、带动机器人主体左侧下方的仿生波动鳍生成的推进力为f3、带动机器人主体右侧下方的仿生波动鳍生成的推进力为f4，f1、f2、f3、f4均平行于z轴；

28、控制四个驱动电机，使f1、f2、f3、f4大小相等、f1、f2、f3、f4的合力方向为z轴正向或负向，实现x形构型机器人前后移动；

29、控制四个驱动电机，使f1与f3的合力与f2与f4的合力大小不等、f1与f3大小相等、f2与f4大小相等，实现x形构型机器人转向；

30、控制四个驱动电机，使f1与f2的合力与f3与f4的合力大小不等、f1与f2大小相等、f3与f4大小相等，实现x形构型机器人浮潜；

31、所述菱形构型机器人前后移动、左右移动、原地转向、向任意方向移动的步骤如下：

32、设x轴负方向为前进方向，启动对应的驱动电机，带动机器人主体前侧右方的仿生波动鳍生成的推进力为f1、带动机器人主体前侧左方的仿生波动鳍生成的推进力为f2、带动机器人主体后侧右方的仿生波动鳍生成的推进力为f3、带动机器人主体后侧左方的仿生波动鳍生成的推进力为f4，f1、f2、f3和f4在同一水平面；

33、控制四个驱动电机，使f1、f2、f3、f4大小相等、f1、f2、f3、f4均偏向x轴同一方向，实现菱形构型机器人前后移动；

34、控制四个驱动电机，使f1、f2、f3、f4大小相等、f1、f2、f3、f4均偏向z轴同一方向，实现菱形构型机器人左右移动；

35、控制四个驱动电机，使f1、f2、f3、f4大小相等、f1、f2、f3、f4的方向首尾相连，实现菱形构型机器人原地转向；

36、控制四个驱动电机，使f2与f3大小相等方向相同、f1与f4大小相等方向相同，实现整机的力矩平衡，改变f2与f4大小不等从而改变f1、f2、f3、f4合力方向，实现菱形构型机器人在水平面内向任意方向移动；

37、所述v形构型机器人浮潜的步骤如下：

38、设y轴正方向为上浮方向，启动四个驱动电机使对应的四个仿生波动鳍生成的推进力分别为f1、f2、f3和f4；

39、控制四个驱动电机，使f1、f2、f3、f4大小相等、f1、f2、f3、f4的方向均偏向y轴同一方向，f1、f2、f3、f4的合力方向朝向y轴正向或负向，实现v形构型机器人浮潜；

40、控制对应四个第一驱动舵机，使与之对应的第一关节轴带动仿生波动鳍组件转动，通过改变v形构型机器人所形成锐角的朝向，进而改变f1、f2、f3、f4的合力方向朝向y轴正向或负向，实现v形构型机器人浮潜。

41、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：本发明通过调整第一关节轴和第二关节轴，可以改变仿生波动鳍组件与机器人主体的相对位置，重构机器人构型，以满足不同作业需求；

42、本发明的水下机器人可重构为h形构型、x形构型、菱形构型和v形构型，h形构型能实现水下的直线与转向推进，x形构型结构紧凑，外形尺寸小利于在狭小的空间内灵活作业，菱形构型能实现在一个水平面内任意方向的推进，v形构型能够实现机器人仅在竖直方向的快速浮潜运动，即本发明能够以不同的构型实现不同的推进形态，机动性高，可适应多种复杂的水下环境。