[发明专利]一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法

说明书

本发明提出一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法，所述方法包括：沿机器人周向对空间进行区域划分；计算机器人与期望航迹点的距离，并与距离阈值比较；若距离大于距离阈值，启动巡航模式；否则，启动位置控制模式。在巡航模式下，驱动水平转动关节，将至少部分腿部机构的第一连杆调整至指向航迹点所在区域的对角区域。在位置控制模式下，将各个腿部机构的第一连杆调整至围绕赤道面中心轴中心对称。在不同模式下，控制推进器、第一垂直转动关节、第二垂直转动关节实现机器人的水平方向运动和/或垂直方向运动。还提出一种水下仿生球形/半球形机器人。采用本发明实施例，机器人能够根据期望航迹点的位置切换模式，实现更优的运动性能。

技术领域

本发明属于水下机器人控制领域，具体涉及一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法。

背景技术

随着海洋开发活动越来越频繁和深入，对海洋探测技术和设备的需求也越来越高。常规AUV、UUV等鱼雷状流线型水下航行器，适合远距离快速运动的任务设定，无法满足狭窄空间内的高精度的位置和位姿控制应用需求。针对水下狭窄空间环境，大量研究人员开始研发小型水下机器人。2012年，英国曼彻斯特大学和牛津大学合作研制出了“MK”系列球形水下球形机器人。该球形机器人的赤道面外部安装了六个对称的推进器，球壳直径仅0.15m，该研究团队针对该机器人采用滑模方法对其运动控制进行了研究，以提高其执行任务的稳定性和抗扰性。北京邮电大学孙汉旭教授团队多年来致力于球形机器人的研制工作，己研制出BYSQ-1、BYSQ-2和BYSQ-3三代水下机器人样机。

近年来，国内外对基于矢量运动控制的水下机器人研究较多。2016年，美国国际水下机器人大赛中，康内尔大学代表队研制的水下机器人Thor采用了矢量化推进系统。该机器人采用四个常规推进器和四个360度旋转推进器，在前进运动中，机器人最多采用六个推进器提供前进动力，四个推进器实现垂直运动，两个推进器实现航向调节，极大提高了推进器的利用率。

2015年，韩国首尔国立大学设计了一款水下机器人，该机器人采用四倾斜推进器，可以实现原地六自由度高难度的姿态控制。由于机器人推进器采用对角线方向布置，在快速远距离运动中存在能量的内耗，从而降低了机器人效率。

2013年，Torres等人完成一款微型四可倾斜螺旋桨的水下机器人，该机器人重2.2kg，四个推进器只能绕同一轴旋转，机器人在前进和垂直方向上运动容易实现，但是在横向运动中机器人无法完成。

2011年，Ngoc-Huy Tran等人设计了一款新型蝶形水下机器人UDR (anunderwater disk robot)，可以实现六个自由度运动。机器人在水平方向上有三个对称推进器分布在圆形底盘周围，各推进器夹角为120度，且该推进器可绕垂直方向左右旋转30度，可实现矢量化控制。该机器人在垂直方向上采用三个推进器，可实现深度调节。

常规水下机器人难以同时满足远程高速运动与近程低速高精度姿态控制需求，因此需要提出一种新型水下机器人，并对机器人的控制方式进行优化。

发明内容

本发明的目的是提出一种水下仿生球形/半球形机器人及其运动控制方法，能够基于区域分割与航迹点分析，切换小型水下仿生球形/半球形机器人在不同目标要求下的运动控制模式，动态调整推力矢量分配，实现更优的运动性能。

有鉴于此，根据本发明的一个方面，本发明提供了一种水下仿生球形/半球形机器人的运动控制方法，所述机器人赤道面周向分布至少四组腿部机构，每组所述腿部机构至少包括依次连接的第一水平转动关节、第一连杆、第一垂直转动关节及远端连接的推进器，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，以所述机器人为中心，沿机器人周向对空间进行区域划分；

步骤2，确定期望航迹点位置，计算所述机器人与所述期望航迹点的距离，比较所述距离与距离阈值；