利索能及
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专利号: 2022106337668
申请人: 浙江理工大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种水波主动适应水上作业机器人,包括机身本体、机械臂、旋翼组件和浮力组件,其特征在于:所述的机械臂包括舵机一、舵机二、连接件一、连接件二和连接件三;所述舵机一的机座通过连接件一与机身本体固定,连接件二与舵机一的输出轴固定;舵机二的机座通过连接件三与连接件二固定;所述舵机一的输出轴竖直设置,舵机二的输出轴水平设置;

所述的浮力组件包括浮筒、球铰和脚踝套筒组件;所述的浮筒包括气垫和固定在气垫上的浮筒架;浮筒架上固定有多个力传感器;所述的球铰包括梁、球头和球壳;所述的球头与浮筒架通过三根梁固定连接,并与球壳构成球面副;所述的梁上固定有孔环;所述的脚踝套筒组件包括套筒、舵机三、舵机架和摇杆;所述的套筒通过球壳架与球壳固定;套筒内固定有三个舵机架,每个舵机架上固定有一个舵机三;每个舵机三的输出轴与一根摇杆一端固定,每根摇杆另一端与一根梁上的孔环通过一根绳索连接;绳索穿过球壳架开设的过孔;所述的机械臂设有阵列排布的四个,每个机械臂中舵机二的输出轴与一个浮力组件的套筒通过连接件四固定;每个浮力组件的球头上设有一个旋翼组件;所述的旋翼组件包括电机、电机架和旋翼;所述的电机架内置在球头中,并与球头固定;所述电机的机座与电机架固定;所述的旋翼与电机的输出轴固定。

2.根据权利要求1所述一种水波主动适应水上作业机器人的水波适应方法,其特征在于:该方法具体如下:

浮力组件上的力传感器实时检测力的变化,并将检测信号传给控制器,控制器根据各浮力组件上力传感器的检测值,计算得到各浮力组件所受浮力大小;其中,某个浮力组件所受浮力大小为该浮力组件上各力传感器的检测值均值;所有浮力组件所受浮力均小于时,视为无水波经过该水波主动适应水上作业机器人,其中,G0为该水波主动适应水上作业机器人整机的重力,η为误差值,在0.01~0.05之间取值;

若某个浮力组件所受浮力大于 视为有水波经过该浮力组件,该浮力组件

被向上抬升,导致机身本体倾斜,此时,控制器控制与该浮力组件连接的机械臂中舵机二,使该浮力组件外摆并抬高,减小浮力组件排水体积,直到该浮力组件所受浮力小于而某个浮力组件所受浮力小于 时,视为水波已经越过该浮力组件,此时,控制器控制与该浮力组件连接的机械臂中舵机二,使该浮力组件内摆并降低;其中,浮力组件外摆或内摆过程中,该浮力组件中各舵机三调整浮筒位姿,使浮筒始终保持竖直状态,浮力组件外摆时,浮筒内摆且与整个浮力组件摆角相等,浮力组件内摆时,浮筒外摆且与整个浮力组件摆角相等;而当某个浮力组件中有两个力传感器的检测值差值超过阈值,且该浮力组件未在抬高或降低过程中,也未处于抬高状态时,控制器控制该浮力组件中各舵机三调整浮筒位姿,使浮筒位于力传感器检测值较大的一侧向上倾斜,位于力传感器检测值较小的一侧向下倾斜,以此使该浮力组件各侧所受浮力大小相等。

3.根据权利要求2所述一种水波主动适应水上作业机器人的水波适应方法,其特征在于:机械臂中舵机二的转动角度k计算如下:浮力组件受水波影响过程中浮力变化值ΔFM表达式为:

ΔFM=ρgΔVM=ρgSMΔhM

式中,ρ为工作环境中水的密度,g为重力加速度,ΔVM为浮力组件受水波影响过程中排水体积的改变量,SM为浮筒竖直状态下在水平面上的投影面积大小,ΔhM为浮筒的高度变化量;由于ΔFM通过浮筒上各力传感器在水波影响过程中检测值变化直接计算得到,且SM已知,求得ΔhM;

根据三角函数,求解得到机械臂中舵机二的转动角度k:

式中,lNP为点N与点P的距离,其中,N为机械臂调整前浮筒的几何中心位置,P为舵机二与连接件四连接处中心轴线在竖直面的投影。

4.根据权利要求2所述一种水波主动适应水上作业机器人的水波适应方法,其特征在于:舵机三调整浮筒位姿的过程如下:某个舵机三带动对应摇杆向上摆动时,通过对应绳索拉动对应的梁,从而带动浮筒对应侧向上倾斜;某个舵机三带动对应摇杆向下摆动时,对应绳索放松,浮筒对应侧向下倾斜。

5.根据权利要求2所述一种水波主动适应水上作业机器人的水波适应方法,其特征在于:舵机三的转角d计算如下:浮筒某一侧在水波影响过程中受力变化值ΔFO表达式为:

ΔFO=ρgΔVO

其中,ΔVO为浮筒一侧在水波影响前后排水体积的改变量,计算式为:

式中,r1为浮筒外径,r2为浮筒内径,x和y分别为浮筒上的点在水平面上相互垂直的两个轴上的坐标,z为浮筒上的点在竖直轴上的坐标;

将ΔVO计算式代入ΔFO表达式中,且由于ΔFO通过浮筒上某个力传感器在水波影响过程中检测值变化直接得到,则求解得到浮筒受水波影响时所需调整的角度a;

设d为摇杆所需转动的角度,D为浮力组件调整前梁与绳索连接点,A为浮力组件调整后梁与绳索连接点,C为浮力组件调整前摇杆与绳索连接点,B为浮力组件调整后摇杆与绳索连接点,F为舵机与摇杆连接处中心轴线在竖直面上的投影,G为球铰的回转中心;c为点A与点G连线AG和点D与点G连线DG之间的夹角,c=a,e为点A与点F连线AF和点B与点F连线BF之间的夹角,f为点C与点F连线CF和点A与点F连线AF之间的夹角,g为点A与点G连线AG和点F与点G连线FG之间的夹角,h为点A与点G连线AG和点C与点G连线CG之间的夹角,则点C与点F连线CF和点B与点F连线BF之间的夹角d计算如下:其中 ,点A与点F的 距离 点A与点C的 距离

g=j‑c=j‑a,h=i‑c=i‑a,j为点D与点G连线DG和点F与

点G连线FG之间的夹角,i为点D与点G连线DG和点C与点G连线CG之间的夹角,j、i为已知量;

lBF为点B与点F的距离,lFC为点F与点C的距离,lBF=lFC;lFC为点F与点C的距离,为已知量;lAB为点A与点B的距离,lAB=lCD;lCD为点C与点D的距离,为已知量;lAG为点A与点G的距离,lAG=lDG;lDG为点D与点G的距离,为已知量;lGF为点G与点F的距离,为已知量;lGC为点G与点C的距离,为已知量。

6.根据权利要求2至5中任一项所述一种水波主动适应水上作业机器人的水波适应方法,其特征在于:机身本体上固定有摄像头或雷达;在水面上摄像头或雷达检测到障碍物时,控制器控制舵机一旋转,带动旋翼组件和浮力组件躲避障碍物;该水波主动适应水上作业机器人通过四个旋翼组件飞行到达或离开水面,在飞行过程中摄像头或雷达检测到障碍物时,舵机一旋转带动旋翼组件和浮力组件躲避障碍物。