CN103358305A - 可闭环控制的多功能水中蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，主要解决现有水中蛇形机器人不能进行运动姿态调整的问题。其包括蛇头(1)、蛇尾(2)和蛇身(5)，蛇身(5)由多个刚性关节(3)和多个柔性关节(4)交替连接组成；蛇身(5)的两端分别与蛇头和蛇尾相连组成蛇体；蛇头(1)内装摄像头(11)，蛇身(5)内装有舵机(51)、主控制器(52)、电池组模块(53)、十自由度传感器(56)、舵机控制器(57)、太阳能充电模块(58)和电量检测模块(59)；十自由度传感器将实时测得的数据发送给主控制器进行数据融合，主控制器通过舵机控制器控制舵机，以调整蛇体的运动姿态。本发明具有可矫正蛇体的运动姿态、检测蛇体气密性，以及太阳能充电的优点，可用于输油管道检查、钻井平台水下结构检修和军事侦察。

Description

可闭环控制的多功能水中蛇形机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体地说是一种内部装有多种传感器可进行闭环控制的多功能水中蛇形机器人，可用于输油管道检查、钻井平台水下结构检修、军事侦察、电缆检查、水下考古、海上养殖及江河水库的大坝检查等领域。

背景技术

水中环境恶劣，人的潜水深度有限，而且载人潜水器安全系数低，所以无人遥控潜水器已经成为了输油管道检查、水库排污检查、水下考古、海上养殖、军事侦察等领域的重要工具。但传统的无人遥控潜水器都具有一定的局限性，它们大都是鱼雷状外形且体积庞大，用涡轮机驱动，这种形状不仅限制了其进入管道工作的能力，而且限制了其驱动性，尤其是途径海岸浅摊时，推进器会卷起沉淀物或被海草缠绕，这样会对推进器造成损伤，同时螺旋桨噪声较大，隐蔽性低，容易被敌人发现并捕获，为了解决这一问题，南京航空航天大学研制出了基于多自由度柔性运动单元的水陆两栖蛇形机器人，中国专利，公开（公告）号：CN102837307A。

水中蛇形机器人具有独特的运动方式和仿生机械结构，它能够通过蛇体与水流摩擦产生前进的动力，因而具有噪声低的特点，作为一种高冗余度机器人，它具有多于确定机器人空间位置和姿态所需的自由度，其柔韧的蛇体可以更加灵活地适应各种复杂的水下环境。但是目前已有的水中蛇形机器人多数是侧重于关节模块的机械结构，功能较为单一，很少考虑在水中作业时的充电问题，导致续航能力低，连续工作时间有限，同时由于采用开环控制的工作方式，故不能对机器人的运动姿态进行实时采集和反馈，使机器人的运动姿态得不到及时调整，使其在水流发生变化时，行进方向易发生改变，影响监测的正常进行，导致效果不佳。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，以实时采集并反馈蛇形机器人的运动信息，及时调整工作状态，提高续航能力和监测效果。

为实现上述目的，本发明包括：

蛇头、蛇尾和蛇身，蛇身由多个刚性关节和多个柔性关节交替连接组成；蛇身的两端分别与蛇头和蛇尾相连组成蛇体；蛇头内装有无线摄像头，蛇身内装有舵机、主控制器、电池组模块和温湿度传感器组，其特征在于：蛇身内还装有：

十自由度传感器，用于获得蛇体的加速度、俯仰角和内部气压，以实时采集蛇体的运动姿态信息，监控其气密信息；

十六路舵机控制器，用于发送控制信息给舵机；

十自由度传感器将测得的数据发送给主控制器进行数据融合，主控制器对数据进行判断后，通过十六路舵机控制器控制舵机，以调整蛇体的运动姿态，从而实现了对蛇体的闭环控制。

太阳能充电模块，用于将太阳能转换为电能，为电池组模块充电；

电量检测模块，用于实时检测电池组模块的电量，当电池组模块电压低于10伏时，向主控制器发送信号，控制蛇体浮出水面，通过太阳能充电模块为电池组模块充电。

作为优选，所述的蛇头，包括无线摄像头、蛇头外壳、透明罩和蛇头关节公头；透明罩固定在蛇头外壳前端，蛇头外壳的后端固定在蛇头关节公头的外测，无线摄像头固定在蛇头关节公头的内侧。

作为优选，所述的蛇尾，包括蛇尾外壳、USB接口模块、和蛇尾关节公头，蛇尾外壳前端固定在蛇尾关节公头外侧，USB接口模块固定在蛇尾关节公头内侧。

作为优选，所述的每个刚性关节，由壳体、两个关节母头和两个铝合金固定片构成，两个关节母头分别固定在壳体的两端，铝合金固定片对称固定在关节母头内侧。

作为优选，所述的每个柔性关节，由钢丝软管、正交舵机组和两个关节公头构成，两个关节公头分别固定在钢丝软管的两端，正交舵机组放置于钢丝软管内，并固定在关节公头内侧。

作为优选，所述的每个正交舵机组包括两个舵机、两个舵机支架和两个L型支架；每个舵机的前端固定在一个舵机支架上，每个舵机的后端与一个L型支架连接，两个L型支架之间正交连接，以实现蛇体的三维运动。

作为优选，所述的十自由度传感器，包括：

三轴陀螺仪，用于检测蛇体转向时的角速度；

三轴加速度计，用于检测蛇体的加速度大小和方向；

三轴磁力计，用于检测蛇体所处的方位；

气压计，用于检测蛇体内部气压。

作为优选，所述的主控制器，包括：

数据接收模块，用于接收十自由度传感器、温湿度传感器组和电量检测模块检测到的数据；

数据融合模块，用于对数据接收模块接收到的三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁力计的数据进行融合，得出蛇体航向角及其三轴的速度分量；

气压分析模块，用于用于对数据接收模块接收到的气压计的数据进行运算,得到蛇体内部的气压值，以检测蛇体密闭性；

数据发送模块，用于对无线摄像头、十六路舵机控制器、温湿度传感器组发送控制指令。

作为优选，所述的太阳能充电模块，包含升压器和六块柔性太阳能电池板，六块柔性太阳能电池板串联后将获得的电压经升压器提升后，输送给电池组模块。

本发明具有如下的优点：

1.本发明由于采用由三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴磁力计和气压计组成的十自由度传感器，获得蛇体的加速度、俯仰角和内部气压，所以能够实时采集蛇体的运动姿态信息并监控其气密信息。

2.本发明由于采用的主控制器对十自由度传感器测得的数据进行融合，并对数据进行判断后，再通过十六路舵机控制器控制舵机，可以实时调整蛇体的运动姿态，实现对蛇体的闭环控制。

3.本发明的蛇体，由于采用的电量检测模块，能够实时检测电池组模块的电量，当电池组模块电压低于10伏时，向主控制器发送信号，控制蛇体浮出水面，从而通过太阳能充电模块为电池组模块充电，保证足够的续航时间。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的蛇头外部结构示意图；

图3是图2蛇头内部结构示意图；

图4是本发明蛇尾外部结构示意图；

图5是蛇尾内部结构示意图；

图6是本发明的刚性关节结构示意图；

图7是图6中的关节母头放大示意图；

图8是本发明的柔性关节外部结构示意图；

图9是本发明的柔性关节内部结构示意图；

图10是图8中的关节公头放大示意图；

图11是图9中的正交舵机组结构示意图；

图12是本发明的电原理框图。

具体实施方式

参照图1，本发明包括蛇头1、蛇尾2、多个刚性关节3和多个柔性关节4，本实例的刚性关节设为七个但不限于七个，柔性关节设为六个但不限于六个。这些刚性关节3和这些柔性关节4交替连接，组成蛇身5；蛇身5的两端分别与蛇头1和蛇尾2相连，组成蛇体6。其中各部件的结构如下：

参照图2和图3，所述的蛇头1，包含无线摄像头11、蛇头外壳12、透明罩13、蛇头关节公头14和固定支架15。其中蛇头关节公头14的前端设有蛇头关节公头凹槽141，透明罩13固定在蛇头外壳12的前端，并用塑钢泥在透明罩13周围进行防水密封，蛇头外壳12的后端***到蛇头关节公头14外侧的蛇头关节公头凹槽141内，并在紧固后用硅胶密封。无线摄像头11固定在固定支架15上，固定支架15固定在蛇头关节公头14的内侧。

所述的蛇头关节公头14采用但不限于ABS工程塑料，经3D打印机加工而成；所述蛇头外壳12采用但不限于塑料；所述透明罩13采用但不限于有机玻璃板加工而成。

参照图4和图5，所述的蛇尾2，包含蛇尾外壳21、USB接口模块22和蛇尾关节公头23。其中蛇尾关节公头23的前端外侧设有蛇尾关节公头凹槽231，蛇尾外壳21的***到该蛇尾关节公头凹槽231内，并在紧固后用硅胶密封；USB接口模块22紧固在蛇尾关节公头23的内侧。

所述蛇尾关节公头23采用但不限于ABS工程塑料，经3D打印机加工而成；所述蛇尾外壳21采用但不限于塑料。

参照图6和图7，所述的刚性关节3，包含壳体31、两个关节母头32和两个铝合金固定片33。其中每个关节母头32的外侧设有关节母头凹槽321，内表面设有节母头螺丝孔322；壳体31的两端分别***到两个关节母头32的关节母头凹槽321内，并在紧固后用硅胶密封；两个铝合金固定片33对称放置在关节母头32内侧，并用螺丝在关节母头螺丝孔322处紧固，用于放置电路。

所述关节母头32，采用但不限于ABS工程塑料，经3D打印机加工而成；所述壳体31采用但不限于塑料。

参照图8、图9和图10，所述的柔性关节4，包含钢丝软管41、正交舵机组42和两个关节公头43。其中，每个关节公头43的外侧设有关节公头凹槽431，内表面设有关节公头螺丝孔432，钢丝软管41的两端分别***到两个关节公头43外侧的关节公头凹槽431内，在关节公头螺丝孔432处用螺丝紧固，并用硅胶密封；正交舵机组42放置于钢丝软管41内，并固定在关节公头43内侧。

所述关节公头43采用但不限于ABS工程塑料，经3D打印机加工而成。

参照图11，所述的正交舵机组42，包括两个舵机51、两个舵机支架421和两个L型支架422。其中每个舵机51的后端设有舵盘423，前端紧固在在舵机支架421上，每个舵盘423固定在一个L型支架422上，两个L型支架422之间正交连接。

每个刚性关节3外侧的关节母头32固定在每个柔性关节4外侧的关节公头43上，交替连接，蛇头关节公头23的后端固定在第一个刚性关节3的关节母头32的内侧，蛇尾关节公头23的后端固定在第最后一个刚性关节3的关节母头32的内侧，形成蛇体6。

参照图12，本发明的电路包括无线摄像头11、十自由度传感器56、舵机51、十六路舵机控制器57、主控制器52、电池组模块53、温湿度传感器组54、太阳能充电模块58和电量检测模块59。其中：主控制器52包括数据接收模块521、数据融合模块522、气压分析模块523和数据发送模块524；太阳能充电模块58包括升压器582和柔性太阳能电池板581；十自由度传感器56包括三轴陀螺仪561、三轴加速度计562、三轴磁力计563和气压计564。

数据接收模块521，采用异步串口通信方式，接收十自由度传感器56和温湿度传感器组54，以及电量检测模块59检测到的数据；

数据融合模块522，用于对数据接收模块521接收到十自由度传感器56中的三轴陀螺仪561、三轴加速度计562和三轴磁力计563的数据进行融合；

气压分析模块523，用于对数据接收模块521接收到的气压计564的数据进行运算,得到蛇体6内部的气压值；

数据发送模块524，采用异步串口通信方式，对无线摄像头11、十六路舵机控制器57发送控制指令；

十六路舵机控制器57，通过发送脉宽调制波控制舵机51；

电池组模块53，将正负极接入电量检测模块59，电量检测模块59将电压信息转换成AD信号输送到数据接收模块521；

柔性太阳能电池板581，将阳光照射产生的电压，经升压器582提升后，进入到电池组模块53，为电池组模块53充电。

本发明可以实现姿态矫正、气密性检测以及太阳能充电的基本功能，其工作原理如下：

一．姿态矫正工作原理

蛇体6在进行水下作业时，三轴陀螺仪561、三轴加速度计562和三轴磁力计563对蛇体6转向时的角速度、蛇体6加速度大小和方向、蛇体6所处的方位信息进行实时采集，并将采集到的数据，输出给数据接收模块521，经过数据接收模块521调理和转换后，输入给数据融合模块522，经过数据融合模块522融合并判断后，通过数据发送模块524，进入十六路舵机控制器57，经过十六路舵机控制器57处理后，进入舵机51，以调整蛇体6的运动姿态，从而实现了对蛇体6的闭环控制。

二．气密性检测工作原理：

下水前，向蛇体6内部充气加压，并静置一段时间，气压计564会对蛇体6内部的气压值进行实时采集，发送到数据接收模块521，经过数据接收模块521调理和转换后，进入气压分析模块523，经过气压分析模块对数据进行处理并判断后，得出蛇体6的密闭性是否良好，如果气密性良好，则说明蛇体6可以下水，否则不能下水。

三．太阳能充电工作原理：

蛇体6在进行水下作业的过程中，电量检测模块59将电池组模块53的电压信息转换成AD信号后，进入数据接收模块521，经过主控制器52判断电池组电压是否低于10伏后，若低于10伏，则发送控制指令给十六路舵机控制器57，经过十六路舵机控制器57处理后，进入舵机51，使蛇体6浮出水面后，柔性太阳能电池板581将阳光照射产生的电压，经升压器582提升后，进入到电池组模块53，为电池组模块53充电。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，不构成对本发明的任何限制。显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，包括蛇头（1）、蛇尾（2）和蛇身（5），蛇身(5)由多个刚性关节(3)和多个柔性关节(4)交替连接组成；蛇身(5)的两端分别与蛇头（1）和蛇尾（2）相连组成蛇体；蛇头（1）内装有无线摄像头（11），蛇身（5）内装有舵机（51）、主控制器（52）、电池组模块（53）和温湿度传感器组（54），其特征在于：蛇身（5）内还装有：

十自由度传感器（56），用于获得蛇体的加速度、俯仰角和内部气压，以实时采集蛇体的运动姿态信息，监控其气密信息；

十六路舵机控制器（57），用于发送控制信息给舵机（51）；

十自由度传感器（56）将测得的数据发送给主控制器（52）进行数据融合，主控制器（52）对数据进行判断后，通过十六路舵机控制器（57）控制舵机（51），以调整蛇体的运动姿态，从而实现了对蛇体的闭环控制。

太阳能充电模块（58），用于将太阳能转换为电能，为电池组模块（53）充电；

电量检测模块（59），用于实时检测电池组模块（53）的电量，当电池组模块（53）电压低于10伏时，向主控制器(52)发送信号，控制蛇体浮出水面，通过太阳能充电模块（58）为电池组模块（53）充电。

2.按照权利要求1所述的可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，其特征在于所述的蛇头（1），包括无线摄像头（11）、蛇头外壳（12）、透明罩（13）和蛇头关节公头（14）；透明罩（13）固定在蛇头外壳（12）前端，蛇头外壳（12）的后端固定在蛇头关节公头（14）的外侧，无线摄像头（11）固定在蛇头关节公头（14）的内侧。

3.按照权利要求1所述的可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，其特征在于所述的蛇尾（2），包括蛇尾外壳（21）、USB接口模块（22）、和蛇尾关节公头（23），蛇尾外壳（21）前端固定在蛇尾关节公头（23）外侧，USB接口模块（22）固定在蛇尾关节公头（23）内侧。

4.按照权利要求1所述的可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，其特征在于每个刚性关节（3），由壳体（31）、两个关节母头（32）和两个铝合金固定片（33）构成，两个关节母头（32）分别固定在壳体（31）的两端，铝合金固定片（33）对称固定在关节母头（32）内侧。

5.按照权利要求1所述的可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，其特征在于所述的每个柔性关节（4），由钢丝软管（41）、正交舵机组（42）和两个关节公头（43）构成，两个关节公头（43）分别固定在钢丝软管（41）的两端，正交舵机组（42）放置于钢丝软管（41）内，并固定在关节公头（43）内侧。

6.按照权利要求5所述的可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，其特征在于所述的每个正交舵机组（42）包括两个舵机（51）、两个舵机支架（421）和两个L型支架（422）；每个舵机（51）的前端固定在一个舵机支架（421）上，每个舵机（51）的后端与一个L型支架（422）连接，两个L型支架（422）之间正交连接，以实现蛇体的三维运动。

7.按照权利要求1所述的可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，其特征在于所述的十自由度传感器（56），包括：

三轴陀螺仪（561），用于检测蛇体转向时的角速度；

三轴加速度计（562），用于检测蛇体的加速度大小和方向；

三轴磁力计（563），用于检测蛇体所处的方位；

气压计（564），用于检测蛇体内部气压。

8.按照权利要求5所述的可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，其特征在于所述的主控制器（52），包括：

数据接收模块（521），用于接收十自由度传感器（56）、温湿度传感器组（54）和电量检测模块（59）检测到的数据；

数据融合模块（522），用于对数据接收模块（521）接收到的三轴陀螺仪（561）、三轴加速度计（562）和三轴磁力计（563）的数据进行融合，得出蛇体航向角及其三轴的速度分量；

气压分析模块（523），用于对数据接收模块（521）接收到的气压计（564）的数据进行运算,得到蛇体内部的气压值，以检测蛇体密闭性；

数据发送模块（524），用于对无线摄像头（11）、十六路舵机控制器（57）发送控制指令。

9.按照权利要求1所述的可闭环控制的多功能水中蛇形机器人，其特征在于所述太阳能充电模块（58），包含升压器（582）和六块柔性太阳能电池板（581），六块柔性太阳能电池板（581）串联后将获得的电压经升压器（582）提升后，输送给电池组模块（53）。

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