CN115891527A - 一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人及其控制方法，包括机器人主体、感知模块、控制模块、远程操控模块、执行模块和电源模块，感知模块用于检测环境信息和状态信息；控制模块用于接收指令并控制机器人的移动与结构变换，远程操控模块用于远程信息监视和指令下达，执行模块用于接收由控制模块下达的指令，并进行相应操作；执行模块包括护舷充放气机构、艇式推进机构、履带收放机构和履带车式推进机构。在本申请中,控制方法通过远程操控模块显示数据，判断感知模块采集的环境信息，根据环境信息通过执行模块切换机器人的工作模式，在深水环境采用船式工作模式，在无水或浅水环境采用车式工作模式，以实现管涵内的在水检测。

Description

一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及检修和维护机器人技术领域，尤其涉及一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人及其控制方法。

背景技术

近年来，随着城市洪涝灾害的不断出现，地下排水***(包括管网和箱涵)的检测与修复成为亟待解决的问题，现有地下排水管网和箱涵检测机器人可分为三类：

第一类是轮式机器人，如申请号：CN202120578657.1，一种轮式管道检测机器人，包括：主腔体、通过升降装置设在主腔体上的摄像装置、设在主腔体上的尾部组件、通过驱动装置设在主腔体上的轮胎；机器人通过摄像装置检测管道内环境情况，通过尾部组件进行电缆的布线，最后通过驱动装置驱动轮胎进而带动管道检测机器人运动。这类机器人的特点是结构简单，便于维护，运动灵活，可以实现较好的速度和方向控制，但轮式结构在管道中行走时会出现打滑现象，并且在沉积物中行走困难。

第二类是履带式机器人，如申请号：CN202111657271.0，一种履带式管道检测机器人，通过对行走机构相对主壳体的角度改变以适应不同直径管道；配有抬升机构以应对卡死、打滑等问题；配有检测装置以观测管道内环境状态与管道情况。该机器人采用履带式结构设计，增加了机器人的触地面积，为机器人提供了更多摩擦力，克服了轮式管道检测机器人容易陷在沉积物和淤泥中的问题。

虽然履带式管道检测机器人相比于轮式管道检测机器人具有较强的越障能力，可适应多种复杂地形，但两者都需在管道检测前对管道截流，尤其是轮式管道检测机器人，需要将管道中的垃圾和淤泥等杂物清理干净才能正常工作。

第三类是螺旋推进全地形式机器人，如申请号：CN202210128557，螺旋式推进全地形管道检测机器人，通过改变传统的移动结构，在壳体的两侧安装有螺旋推进器，可以在有大量沉积物的环境中工作，同时适用于淤泥较多或水位较高的环境；全地形机器人的优点是工作时无需截流清淤，相比于前两种结构的机器人，可适用于多种复杂地形，缺点则是螺旋式结构的设计容易造成机器人被管道内的垃圾缠绕，且推进效率较低，越障能力差。

针对轮式管道检测机器人出现的易打滑、在沉积物中行走困难，履带式机器人出现的工作前需截流以及全地形式机器人出现的推进效率、越障能力差等问题，本发明提出一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人及其控制方法，汲取了履带式管道检测机器人的优点，具有履带车式和艇式两种结构，可实现在管道中全水深、全地形工作。

为了实现上述目的，本发明提出一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人，包括机器人主体、感知模块、控制模块、远程操控模块、执行模块和电源模块，其中：

所述机器人主体作为载体包括船体和密封舱；

所述感知模块和执行模块分别设置在所述机器人主体上，且所述控制模块和电源模块均设置在所述密封舱内部；

所述感知模块用于检测所述机器人主体周围的环境信息和所述机器人主体自身的状态信息；

所述控制模块用于接收并传送由所述感知模块采集的信息，对信息进行处理，并作出自主控制的决策，所述控制模块也用于接收由所述远程操控模块下达的指令，并控制所述机器人主体的结构变形与移动；

所述远程操控模块用于信息的整合和指令的下达，即所述远程操控模块通过所述控制模块接收由所述感知模块采集的信息，所述远程操控模块通过所述控制模块向所述执行模块发送结构变形指令和推进指令；

所述执行模块用于接收由所述控制模块下达的指令，并根据指令控制所述机器人主体进行相应操作；

所述执行模块包括护舷充放气机构、艇式推进机构、履带收放机构和履带车式推进机构，所述护舷充放气机构用于提高所述机器人主体的浮力和缩小所述机器人主体的体积，所述艇式推进机构用于控制艇式结构所述机器人主体的推进移动，所述履带收放机构用于将所述机器人主体在车式结构和艇式结构之间的相互转换，所述履带车式推进机构用于控制车式结构所述机器人主体的推进移动；

所述电源模块用于给所述感知模块、控制模块、远程操控模块和执行模块供电。

进一步地，所述远程操控模块包括操纵手柄、显示屏、控制器和无线通讯模块A，其中：

所述操纵手柄用于发送控制所述机器人主体的结构变形指令和推进指令；

所述显示屏用于可视化工作过程中由所述感知模块检测到的信息；

所述控制器通过所述显示屏监视所述机器人主体的环境信息和状态信息，并通过所述操纵手柄下达对所述机器人主体动作决策的指令；

所述无线通讯模块A用于所述远程操控模块的远程数据的收发；

所述控制模块包括主控制器和无线通讯模块B，其中：

所述主控制器根据所述感知模块采集的信息或所述控制器发送的指令，半自动的控制所述执行模块进行对应操作，即所述主控制器通过无线通讯模块B与所述控制器数据连接，与所述感知模块数据连接，与所述执行模块控制连接；

所述无线通讯模块B用于所述控制模块的远程数据的收发；

所述无线通讯模块A与所述无线通讯模块B信号连接。

进一步地，所述感知模块包括惯导、星导传感器、相机、激光雷达和红外水位传感器，其中：

所述惯导用于获得所述机器人主体在空间中的状态信息；

所述星导传感器用于获得所述机器人主体在管道井口的位置信息；

所述相机用于采集管道中的高清视频图像；

所述激光雷达用于获得水面以上的空间点云信息；

所述红外水位传感器用于获取所述机器人主体浸入水面的深度；

所述惯导、相机和激光雷达均设置在所述密封舱的外侧顶部，所述红外水位传感器设置在所述船体下方。

进一步地，所述感知模块还包括声呐，所述声呐用于探测管道内的水深和水下环境；所述执行模块还包括声呐伸缩机构，所述主控制器通过所述声呐伸缩机构控制所述声呐收入或伸出所述机器人主体。

进一步地，所述护舷充放气机构包括护舷充放气***和护舷，所述护舷设于所述机器人主体的周侧，用于保护所述机器人主体并提供浮力，所述护舷充放气***用于监测所述护舷内气体压强并进行充气和放气工作；

所述艇式推进机构包括船用推进器驱动装置和船用推进器，通过所述船用推进器驱动装置控制所述船用推进器工作，从而实现艇式结构所述机器人主体的移动和转向；

所述履带收放机构包括旋转电机和履带机臂，通过所述旋转电机带动设于所述机器人主体的两侧的所述履带机臂进行旋转，使所述履带机臂旋转回收至所述机器人主体的甲板上或旋转伸展至所述机器人主体的外侧；

所述履带车式推进机构包括履带电机驱动装置、履带电机和履带，通过所述履带电机驱动装置控制所述履带电机工作，从而实现车式结构所述机器人主体的移动和转向。

进一步地，所述履带机臂的一端设有固定孔，另一端设有所述履带，所述固定孔的两侧通过机械密封装置与所述船体连接，且所述固定孔的一侧设有所述旋转电机，另一侧为所述船体的进线孔，所述旋转电机和履带电机均与所述控制模块控制连接，所述履带机臂的中空结构内设有与所述履带电机连接的履带电缆，所述履带电机置于所述履带与所述履带机臂的相接处。

进一步地，所述护舷充放气***包括气泵、连接装置和气压传感器，所述气泵通过所述连接装置与所述护舷连接，以进行所述护舷的充气和放气工作；所述气压传感器与所述气泵连接，以进行所述护舷的实时检测压强工作；所述气泵和气压传感器均与所述控制模块控制连接。

本发明还提出一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人的控制方法，采用上述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人，包含以下步骤：

S1：将机器人主体从井口放入管道中，启动并完成相应模块的初始化，且所述机器人主体处于车式结构状态，进入步骤S2；

S2：感知模块启动，控制模块通过所述感知模块采集管道内的环境信息，远程操控模块接收由所述控制模块整合后传来的画面信息，进入步骤S3；

S3：所述控制模块通过履带车式推进机构控制所述机器人主体在管道内移动,且所述控制模块根据所述感知模块采集到的信息进行自主决策判断，即通过相机、激光雷达或红外水位传感器分析管道内水位是否过低：

若水位过低时，判断所述机器人主体未漂浮，重复步骤S3；

若水位不低时，判断所述机器人主体漂浮，进入步骤S4；

S4：所述控制模块控制声呐伸缩机构将声呐伸出所述机器人主体，通过声呐检测当前水位的实际水位高度和水下环境，将测得的实际水位高度与提前设定的使所述机器人主体漂浮的预设高度进行对比：

若实际水位高度小于预设高度时，判断所述机器人主体不满足以艇式结构进行工作，进入步骤S5；

若实际水位高度大于预设高度时，判断所述机器人主体漂浮，进入步骤S6；

S5：所述控制模块控制声呐伸缩机构将声呐重新收入所述机器人主体，且所述控制模块控制艇式推进机构启动，将所述机器人主体推动前进，直至移动至地面后停止所述艇式推进机构工作，所述机器人主体再次通过履带车式推进机构采用车式结构在管道内移动，进入步骤S3；

S6：将所述机器人主体停止在当前位置，并通过所述控制模块将所述机器人主体由车式结构转换成艇式结构，进入步骤S7；

S7：进入工作状态，所述控制模块通过艇式推进机构控制所述机器人主体在管道内移动，且所述控制模块通过感知模块将采集到的数据信息传送给所述远程操控模块，进入步骤S8；

S8：当所述声呐检测到当前水位的实际高度满足所述机器人主体进行模式结构的转换，且前进方向的水位高度不满足所述机器人主体以艇式结构进行工作时，将所述机器人主体停止在当前位置，并通过所述控制模块将所述机器人主体由艇式结构转换成车式结构，进入步骤S9；

S9：所述控制模块控制艇式推进机构启动，将所述机器人主体继续推动前进，直至移动至地面后停止所述艇式推进机构工作，所述机器人主体再次通过履带车式推进机构采用车式结构在管道内移动，进入步骤S10；

S10：重复进行步骤S3至S9，直至所述感知模块检测到所述机器人主体驶出管道或者到达指定位置，完成整个检测工作，并将机器人主体回收。

进一步地，在步骤S3中，为了判断所述机器人主体是否漂浮，具有以下三种方法：

1)根据激光雷达所检测并传回的数据拟合出水平面，以确定所述激光雷达距离水平面的当前距离，并将当前距离与提前设定的使所述机器人主体漂浮的预设距离进行对比；

2)根据相机所检测并传回的数据拟合出管道的形状，通过分析水面与管道构成的圆心角的角度，以确定水位的高度；

3)根据红外水位传感器所检测并传回的数据传送至远程操控模块，以确定水位的高度。

进一步地，控制器通过控制模块获取由所述感知模块所采集到的各项数据信息，在进行水位高低的判断时，由于所述感知模块会因光线或其他因素的影响，在因获得存在误差的数据而影响判断结构时，人工通过控制器控制所述机器人主体的进行相应地结构变形和移动，即优先响应控制器发送人工控制指令，将所述机器人主体推进至合适位置再进行模式转换，当人工控制指令响应结束后，再转变为控制模块完全自主决策的控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：本发明中车式结构的设计不易被垃圾缠绕，且推进效率和越障能力更强；艇式结构的设计则可以使得机器人在管道内水位较高的时候在水面航行；尤其是机器人通过模式转换模块将两种结构结合起来，在艇式工作模式下将履带收缩回船体，可避免水中垃圾对履带收放结构的影响，减小机器人工作时受到的阻力；当机器人处于履带车式工作模式下，可以通过减少两侧浮体的伸缩长度减小机器人的体积，提高机器人的灵活性，从而使其适应不同的环境，提高工作效率。

既能用于管道检测，也可用于其他工程领域，例如抗洪、抢险以及潮间带风力发电的检修和维护等场景。

附图说明

图1为本发明中变结构的履带式全水深推进两栖机器人各模块间连接示意图；

图2至图4为本发明中变结构的履带式全水深推进两栖机器人的立体结构示意图；

图5为本发明中变结构的履带式全水深推进两栖机器人车式结构时的结构示意图；

图6为图5中A-A部的剖面示意图；

图7为本发明中变结构的履带式全水深推进两栖机器人艇式结构时的结构示意图；

图8为图7中B-B部的剖面示意图；

图9为本发明中护舷充放气***的连接结构示意图；

图10至图11为本发明中变结构的履带式全水深推进两栖机器人车式结构时的结构示意图；

图12至图13为本发明中变结构的履带式全水深推进两栖机器人艇式结构时的结构示意图；

图14为本发明中变结构的履带式全水深推进两栖机器人的控制方法的工作流程框图。

其中：感知模块100、惯导110、星导传感器120、相机130、激光雷达140、红外水位传感器150、声呐160、控制模块200、主控制器210、无线通讯模块B220、远程操控模块300、操纵手柄310、显示屏320、控制器330、无线通讯模块A340、执行模块400、护舷充放气机构410、护舷411、气泵412、连接装置413、气压传感器414、换气孔415、艇式推进机构420、船用推进器驱动装置421、船用推进器422、履带收放机构430、旋转电机431、履带机臂432、履带车式推进机构440、履带电机驱动装置441、履带电机442、履带443、固定孔444、履带电缆445、声呐伸缩机构450、电源模块500、船体610、密封舱620。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的变结构的履带式全水深推进两栖机器人及其控制方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语“中心”，“横向、“纵向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1所示，本发明提出一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人及其控制方法，包括机器人主体、感知模块100、控制模块200、远程操控模块300、执行模块400和电源模块500，其中：

所述机器人主体作为载体包括船体610和密封舱620，船体610内部为空心结构，为机器人主体在水面行驶提供主要浮力；

所述感知模块100用于检测所述机器人主体周围的环境信息和所述机器人主体自身的状态信息；

所述控制模块200用于接收并传送由所述感知模块100采集的信息，对信息进行处理，并作出自主控制的决策，所述控制模块200也用于接收由所述远程操控模块300下达的指令，并控制所述机器人主体的结构变形与移动；

所述远程操控模块300用于信息的整合和指令的下达，即所述远程操控模块300通过所述控制模块200接收由所述感知模块100采集的信息，所述远程操控模块300通过所述控制模块200向所述执行模块400发送结构变形指令和推进指令；

所述执行模块400用于接收由所述控制模块200下达的指令，并根据指令控制所述机器人主体进行相应操作；

所述电源模块500用于给所述感知模块100、控制模块200、远程操控模块300和执行模块400供电。

进一步地，如图1所示，所述远程操控模块300包括操纵手柄310、显示屏320、控制器330和无线通讯模块A340，主要在机器人工作时放置于岸边，属于岸基设备，其中：

所述操纵手柄310用于发送控制所述机器人主体的结构变形指令和推进指令，或通过控制器330中的上位机软件下达控制指令；

所述显示屏320用于可视化工作过程中由所述感知模块100检测到的信息；

所述控制器330通过所述显示屏320监视所述机器人主体的环境信息和状态信息，并通过所述操纵手柄310下达对所述机器人主体动作决策的指令；

所述无线通讯模块A340用于所述远程操控模块300的远程数据的收发，接收由所述控制模块200数据转换并传输的环境信息及状态信息，向所述控制模块200发送控制所述执行模块400进行结构变形和推进的指令。

具体地，如图1所示，所述控制模块200包括主控制器210和无线通讯模块B220，其中：

所述主控制器210根据所述感知模块100采集的信息或所述控制器330发送的指令，半自动的控制所述执行模块400进行对应操作，即所述主控制器210通过无线通讯模块B220与所述控制器330数据连接，与所述感知模块100数据连接，与所述执行模块400控制连接；

所述无线通讯模块B220用于所述控制模块200的远程数据的收发，接收由远程操控模块300所传达的结构转换指令和推进指令，并将主控制器210整合后的信息数据传输给远程操控模块300。

具体地，所述无线通讯模块A340与所述无线通讯模块B220之间进行双向数据传输与指令收发。

进一步地，如图1至图4所示，所述感知模块100包括惯导110、星导传感器120、相机130、激光雷达140、红外水位传感器150和声呐160，其中：

所述惯导110用于获得所述机器人主体在空间中的状态信息；

所述星导传感器120用于获得所述机器人主体在管道井口的位置信息；

所述相机130用于采集管道中的高清视频图像，采用云台相机，可在水平和竖直方向上转动；

所述激光雷达140用于获得水面以上的空间点云信息；

所述红外水位传感器150用于获取所述机器人主体浸入水面的深度；红外水位传感器150设置在所述船体610下方，分为前后两部分，且每部分由10个单独的红外水位传感器组成，均匀的分布在船体的左右两侧。红外水位传感器的基本原理是通过光电原理来检测有水和无水的，其内部包含一个红外发光二极管和一个光敏接收器，当液体未浸没红外水位传感器时，红外二极管发出的光线穿过空气，在管壁反射后被接收器接收；当液体浸没红外水位传感器后，红外线折射到水中被水吸收，没有反射回接收器，所以红外传感器在两种不同的情况下输出不同的电平信号，主控制器210可以通过检测电平信号来确定被水浸没的红外水位传感器的个数从而判断水位的高低，以配合其他模块完成模式转换。

所述惯导110、相机130和激光雷达140均设置在所述密封舱620的外侧顶部，所述红外水位传感器150设置在所述船体610下方；

所述声呐160用于获取水面以下的声呐图像，探测管道内的水深和水下环境。

同时，所述惯导110、星导传感器120、相机130和激光雷达140均设置在所述密封舱620外部顶侧，所述控制模块200和电源模块500均设置在所述密封舱620内部，执行模块400设置在所述船体610上；

具体地，如图1至图4所示，所述执行模块400包括护舷充放气机构410、艇式推进机构420、履带收放机构430、履带车式推进机构440和声呐伸缩机构450，根据控制模块200的控制指令实现护舷411的充放气、履带443的收放、声呐160的伸缩以及机器人主体的推进等功能，其中：

如图7所示，所述主控制器210通过所述声呐伸缩机构450控制所述声呐160收入或伸出所述机器人主体，声呐160的伸缩长度可自主设定，通过舵角传感器来检测声呐伸缩机构450伸缩杆的伸缩长度，其伸缩式的设计可以减少机器人主体在车式结构的工作模式下的阻力，也在两栖结构变形时，对声呐160起到保护作用，防止声呐160对机器人的运动造成障碍。

所述护舷充放气机构410包括护舷充放气***和护舷411，所述护舷411设于所述机器人主体的周侧，用于保护所述机器人主体并提供浮力，所述护舷充放气***用于自动监测所述护舷411内气体压强，并进行充气和放气工作，以及长时间保持护舷411内气压，且充气、放气的压强可设定。在变形时，充气用于提高机器人整体浮力，减少船体610在碰撞时受到的损伤。放气用于缩小机器人在车式结构的工作模式下的体积，减少机器人所受到的阻力。

如图7至图8所示，所述护舷充放气***包括气泵412、连接装置413和气压传感器414，所述气泵412通过所述连接装置413与所述护舷411连接，以进行所述护舷411的充气和放气工作；所述气压传感器414通过软管与所述气泵412连接，以进行所述护舷411的实时检测压强工作；所述气泵412和气压传感器414均与所述控制模块200控制连接。护舷充放气***具有设置在船体610顶部的换气孔415，气泵412的进/出气口与换气孔415相连接，实现机器人内部与外界的气体交换。气泵412具有充气和抽气两种功能，连接装置413包括管路和电磁阀。主控制器210根据控制指令，通过气压传感器414传输的护舷411中压强数据，控制气泵412工作，最终实现对护舷411中压强的实时控制。

如图7至图8所示，所述艇式推进机构420用于控制艇式结构所述机器人主体的推进移动，实现艇式结构机器人主体前进、后退和转向的功能。所述艇式推进机构420包括船用推进器驱动装置421和船用推进器422，通过所述船用推进器驱动装置421控制所述船用推进器422工作，从而实现艇式结构所述机器人主体的移动和转向；通过主控制器210控制两侧的船用推进器422的转速和转向，进而控制机器人主体的转向和速度，为机器人在船式结构的工作状态下提供动力。

如图5至图6所示，所述履带收放机构430用于将所述机器人主体在车式结构和艇式结构之间的相互转换，所述履带收放机构430包括旋转电机431和履带机臂432，履带机臂432通过机械密封装置与船体610内部的旋转电机431相连接，主控制器210通过通过所述旋转电机431带动设于所述机器人主体的两侧的所述履带机臂432进行旋转，使所述履带机臂432旋转回收至所述机器人主体的甲板上或旋转伸展至所述机器人主体的外侧，配合控制模块实现两栖结构的变形；且旋转角度可设定，有助于机器人工作在不同口径的管道中。

如图6所示，所述履带车式推进机构440用于控制车式结构所述机器人主体的推进移动，所述履带车式推进机构440包括履带电机驱动装置441、履带电机442和履带443，履带电机驱动装置441置于船体610内部，通过所述履带电机驱动装置441控制所述履带电机442工作，从而实现车式结构所述机器人主体的移动和转向；通过主控制器210控制履带电机驱动装置441控制履带电机442工作，并带动履带443，进而控制机器人主体的转向和速度，为机器人在车式结构的工作状态下提供动力。

同时，两个履带电机442共同驱动一条履带443，驱动方式为主从驱动，即在机器人工作时只有一个履带电机442工作为机器人提供前进的动力，另外一个履带电机442起到从动轮和支撑履带443的作用，该种设置方式可以保证机器人在其中一个履带电机442控制失效后依然可以通过另外一个履带电机442提供前进动力。

进一步地，如图6所示，所述履带机臂432的一端设有固定孔444，另一端设有所述履带443，所述固定孔444的两侧通过机械密封装置与所述船体610连接，且所述固定孔444的一侧设有所述旋转电机431，另一侧为所述船体610的进线孔，所述履带机臂432的中空结构内设有与所述履带电机442连接的履带电缆445，所述旋转电机431和履带电机442均与所述控制模块200控制连接，所述履带电机442置于所述履带443与所述履带机臂432的相接处。旋转电机431其由角度传感器、位置开关以及步进电机构成，角度传感器作为步进电机的反馈输入，位置开关则保证旋转电机431工作的可靠性。

同时，如图6所示，履带机臂432固定孔444一侧通过机械密封装置与旋转电机431相连接，主控制器210根据控制指令控制旋转电机431工作，实现控制履带机臂432旋转至不同的角度，进而实现履带收放机构430的收放功能；履带电缆445从履带电机442接出，穿过履带机臂432的中空结构，在进线孔处收拢后接入船体610内，进而在密封舱620内部接入控制模块200和电源模块500。由于船体610的进线孔是由履带机臂432固定孔444通过机械密封装置与船体610相连接，与旋转电机431的转轴同轴心，所以该种走线方式可保证机器人在模式转换的过程中履带电缆的状态不受影响。

进一步地，在本实施例中，如图9所示，护舷411被分为了8个气室，Q_j(j＝1,2,…,n)是由护舷411分割而成的相互独立的气室,气泵412连接软管通过电磁阀来连接各气室，J_i(i＝1,2,…,n)和C_i(i＝1,2,…,n)为连接各个气室电磁阀的进气口和出气口,K_i(i＝1,2,…,n)为连接各个电磁阀的继电器。主控制器210通过气压传感器414来检测各气室的气压强度，通过继电器驱动模块控制继电器的通断,从而控制电磁阀的打开和关闭。在该结构中，电磁阀和继电器K_i一一对应，两个电磁阀对应一个气室Q_j,一个电磁阀连接气泵412的充气端，气泵412可通过该电磁阀对护舷411进行充气；另一个电磁阀连接气泵412的放气端，气泵412可通过该电磁阀对护舷411进行放气操作；在护舷411充放气的过程中，主控制器210可以通过控制继电器K_i来打开或关闭相应的电磁阀来对其对应的气室Q_j进行充放气操作。

这种可单独对护舷411中的气室进行充放气的操作，可以在机器人工作行驶的过程中调节机器人的重心，从而越过障碍，提高机器人的工作效率。

本发明提出一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人的控制方法，采用上述变结构的履带式全水深推进两栖机器人，根据机器人不同的工作状态可分为三种控制方法，分别为完全自主决策、人工干预下的自主决策和远程遥控，以下三种控制方法的实施例中分别举例三种不同的水位检测方式来具体介绍控制方法。

如图14所示，完全自主决策的控制方法包含以下步骤：

S1：将机器人主体从井口放入管道中，启动并完成相应模块的初始化，且所述机器人主体处于车式结构状态，进入步骤S2；

S2：感知模块100启动，控制模块200通过所述感知模块100采集管道内的环境信息，远程操控模块300接收由所述控制模块200整合后传来的画面信息，进入步骤S3；

S3：所述控制模块200通过履带车式推进机构440控制所述机器人主体在管道内移动,且所述控制模块200根据所述感知模块100采集到的信息进行自主决策判断，即通过相机130、激光雷达140或红外水位传感器150分析管道内水位是否过低：

若水位过低时，判断所述机器人主体未漂浮，重复步骤S3；

若水位不低时，判断所述机器人主体漂浮，进入步骤S4；

S4：所述控制模块200控制声呐伸缩机构450将声呐160伸出所述机器人主体，通过声呐160检测当前水位的实际水位高度和水下环境，将测得的实际水位高度与提前设定的使所述机器人主体漂浮的预设高度进行对比：

若实际水位高度小于预设高度时，判断所述机器人主体不满足以艇式结构进行工作，进入步骤S5；

若实际水位高度大于预设高度时，判断所述机器人主体漂浮，机器人于当前所处位置可进行模式转换，进入步骤S6；

S5：所述控制模块200控制声呐伸缩机构450将声呐160重新收入所述机器人主体，且所述控制模块200控制艇式推进机构420启动，将所述机器人主体推动前进，直至移动至地面后停止所述艇式推进机构420工作，所述机器人主体再次通过履带车式推进机构440采用车式结构在管道内移动，进入步骤S3；

同时，所述控制模块200通过所述履带车式推进机构440的配合，辅助判断所述机器人主体是否漂浮。即通过所述履带车式推进机构440工作时电流的大小判断当前力矩的大小，将所述机器人主体在当前工作时产生的实际力矩与在地面行驶时产生的原始力矩进行对比，若实际力矩小于原始力矩，判断所述机器人主体漂浮；或者，通过所述履带车式推进机构440工作时负载转矩的大小来综合判定船体是否漂浮。

S6：将所述机器人主体停止在当前位置，并通过所述控制模块200将所述机器人主体由车式结构转换成艇式结构；所述控制模块200控制履带车式推进机构440停止工作，启动护舷充放气机构410，为护舷411进行充气，提高机器人整体的浮力，当气压传感器414检测到护舷411中的气压达到设定强度时，护舷充放气机构410自动停止充气，充气后的护舷411还可以减少船体610在碰撞时受到的损伤；控制声呐伸缩机构450将声呐160伸出所述机器人主体，启动履带收放机构430，带动履带机臂432向内旋转至预设角度，将履带443旋转回收至甲板上，进入步骤S7；

S7：进入工作状态，所述控制模块200通过艇式推进机构420控制所述机器人主体在管道内移动，且所述控制模块200通过感知模块100将采集到的数据信息传送给所述远程操控模块300，进入步骤S8；

S8：当所述声呐160检测到当前水位的实际高度满足所述机器人主体进行模式结构的转换，且前进方向的水位高度不满足所述机器人主体以艇式结构进行工作时，将所述机器人主体停止在当前位置，并通过所述控制模块200将所述机器人主体由艇式结构转换成车式结构；所述控制模块200控制履带收放机构430工作，带动履带机臂432向外旋转至预设角度，将履带443旋转伸展至外侧；控制声呐伸缩机构450将声呐160收入所述机器人主体，启动护舷充放气机构410，将护舷411中的气体放至预设压强，以便缩小机器人在车式结构工作模式下的体积，减少机器人所受到的阻力，进入步骤S9；

S9：所述控制模块200控制艇式推进机构420启动，将所述机器人主体继续推动前进，直至移动至地面后停止所述艇式推进机构420工作，所述机器人主体再次通过履带车式推进机构440采用车式结构在管道内移动，进入步骤S10；

S10：重复进行步骤S3至S9，直至所述感知模块100检测到所述机器人主体驶出管道或者到达指定位置，完成整个检测工作，并将机器人主体回收。

进一步地，在步骤S3中，为了判断所述机器人主体是否漂浮，具有以下三种方法：

1)根据激光雷达140所检测并传回的数据拟合出水平面，以确定所述激光雷达140距离水平面的当前距离，并将当前距离与提前设定的使所述机器人主体漂浮的预设距离进行对比；

2)根据相机130所检测并传回的数据拟合出管道的形状，通过分析水面与管道构成的圆心角的角度，以确定水位的高度；

3)根据红外水位传感器150所检测并传回的数据，其数字量的结果结合感知模块100中采集的其他数据，综合来判断水位的高低。

此外，人工干预下的自主决策的控制方法中，控制器330通过控制模块200获取由所述感知模块100所采集到的各项数据信息，在进行水位高低的判断时，由于所述感知模块100会因光线或其他因素的影响，在因获得存在误差的数据而影响判断结构时，人工通过控制器330控制所述机器人主体的进行相应地结构变形和移动，即优先响应控制器330发送人工控制指令，将所述机器人主体推进至合适位置再进行模式转换，当人工控制指令响应结束后，再转变为控制模块200完全自主决策的控制方法。

此外，远程遥控的控制方法中，主控制器210将检测到的数据传送到远程操控模块300，控制器330接收到数据后，使用数字量的方式将其显示在远程操控模块300的显示屏320上，工作人员通过观察显示的数字并结合感知模块100中传输的其他数据来判断水位的高低，并根据需要控制两栖机器人进行变形和检测工作。

综上，在本实施例中，提出的变结构的履带式全水深推进两栖机器人及其控制方法，根据机器人不同的工作状态设定了三种不同的控制方法，分别是完全自主决策、人工干预下的自主决策以及远程遥控；在不同的检测工作中，可以使用不同的控制方法来辅助工作人员进行检测工作，且机器人独特的护舷多气室设置的方式，可以让工作人员根据需要设置气室的数量，并通过对各气室单独充放气来调节机器人的重心，从而辅助机器人在工作中越过障碍，提高机器人的工作效率。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人，其特征在于，包括机器人主体、感知模块(100)、控制模块(200)、远程操控模块(300)、执行模块(400)和电源模块(500)，其中：

所述机器人主体作为载体包括船体(610)和密封舱(620)；

所述感知模块(100)和执行模块(400)分别设置在所述机器人主体上，且所述控制模块(200)和电源模块(500)均设置在所述密封舱(620)内部；

所述感知模块(100)用于检测所述机器人主体周围的环境信息和所述机器人主体自身的状态信息；

所述控制模块(200)用于接收并传送由所述感知模块(100)采集的信息，对信息进行处理，并作出自主控制的决策，所述控制模块(200)也用于接收由所述远程操控模块(300)下达的指令，并控制所述机器人主体的结构变形与移动；

所述远程操控模块(300)用于信息的整合和指令的下达，即所述远程操控模块(300)通过所述控制模块(200)接收由所述感知模块(100)采集的信息，所述远程操控模块(300)通过所述控制模块(200)向所述执行模块(400)发送结构变形指令和推进指令；

所述执行模块(400)用于接收由所述控制模块(200)下达的指令，并根据指令控制所述机器人主体进行相应操作；

所述执行模块(400)包括护舷充放气机构(410)、艇式推进机构(420)、履带收放机构(430)和履带车式推进机构(440)，所述护舷充放气机构(410)用于提高所述机器人主体的浮力和缩小所述机器人主体的体积，所述艇式推进机构(420)用于控制艇式结构所述机器人主体的推进移动，所述履带收放机构(430)用于将所述机器人主体在车式结构和艇式结构之间的相互转换，所述履带车式推进机构(440)用于控制车式结构所述机器人主体的推进移动；

所述电源模块(500)用于给所述感知模块(100)、控制模块(200)、远程操控模块(300)和执行模块(400)供电。

2.根据权利要求1所述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人，其特征在于，所述远程操控模块(300)包括操纵手柄(310)、显示屏(320)、控制器(330)和无线通讯模块A(340)，其中：

所述操纵手柄(310)用于发送控制所述机器人主体的结构变形指令和推进指令；

所述显示屏(320)用于可视化工作过程中由所述感知模块(100)检测到的信息；

所述控制器(330)通过所述显示屏(320)监视所述机器人主体的环境信息和状态信息，并通过所述操纵手柄(310)下达对所述机器人主体动作决策的指令；

所述无线通讯模块A(340)用于所述远程操控模块(300)的远程数据的收发；

所述控制模块(200)包括主控制器(210)和无线通讯模块B(220)，其中：

所述主控制器(210)根据所述感知模块(100)采集的信息或所述控制器(330)发送的指令，半自动的控制所述执行模块(400)进行对应操作，即所述主控制器(210)通过无线通讯模块B(220)与所述控制器(330)数据连接，与所述感知模块(100)数据连接，与所述执行模块(400)控制连接；

所述无线通讯模块B(220)用于所述控制模块(200)的远程数据的收发；

所述无线通讯模块A(340)与所述无线通讯模块B(220)信号连接。

3.根据权利要求1所述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人，其特征在于，所述感知模块(100)包括惯导(110)、星导传感器(120)、相机(130)、激光雷达(140)和红外水位传感器(150)，其中：

所述惯导(110)用于获得所述机器人主体在空间中的状态信息；

所述星导传感器(120)用于获得所述机器人主体在管道井口的位置信息；

所述相机(130)用于采集管道中的高清视频图像；

所述激光雷达(140)用于获得水面以上的空间点云信息；

所述红外水位传感器(150)用于获取所述机器人主体浸入水面的深度；

所述惯导(110)、相机(130)和激光雷达(140)均设置在所述密封舱(620)的外侧顶部，所述红外水位传感器(150)设置在所述船体(610)下方。

4.根据权利要求1所述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人，其特征在于，所述感知模块(100)还包括声呐(160)，所述声呐(160)用于探测管道内的水深和水下环境；所述执行模块(400)还包括声呐伸缩机构(450)，所述主控制器(210)通过所述声呐伸缩机构(450)控制所述声呐(160)收入或伸出所述机器人主体。

5.根据权利要求1所述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人，其特征在于，所述护舷充放气机构(410)包括护舷充放气***和护舷(411)，所述护舷(411)设于所述机器人主体的周侧，用于保护所述机器人主体并提供浮力，所述护舷充放气***用于监测所述护舷(411)内气体压强并进行充气和放气工作；

所述艇式推进机构(420)包括船用推进器驱动装置(421)和船用推进器(422)，通过所述船用推进器驱动装置(421)控制所述船用推进器(422)工作，从而实现艇式结构所述机器人主体的移动和转向；

所述履带收放机构(430)包括旋转电机(431)和履带机臂(432)，通过所述旋转电机(431)带动设于所述机器人主体的两侧的所述履带机臂(432)进行旋转，使所述履带机臂(432)旋转回收至所述机器人主体的甲板上或旋转伸展至所述机器人主体的外侧；

所述履带车式推进机构(440)包括履带电机驱动装置(441)、履带电机(442)和履带(443)，通过所述履带电机驱动装置(441)控制所述履带电机(442)工作，从而实现车式结构所述机器人主体的移动和转向。

6.根据权利要求5所述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人，其特征在于，所述履带机臂(432)的一端设有固定孔(444)，另一端设有所述履带(443)，所述固定孔(444)的两侧通过机械密封装置与所述船体(610)连接，且所述固定孔(444)的一侧设有所述旋转电机(431)，另一侧为所述船体(610)的进线孔，所述旋转电机(431)和履带电机(442)均与所述控制模块(200)控制连接，所述履带机臂(432)的中空结构内设有与所述履带电机(442)连接的履带电缆(445)，所述履带电机(442)置于所述履带(443)与所述履带机臂(432)的相接处。

7.根据权利要求5所述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人，其特征在于，所述护舷充放气***包括气泵(412)、连接装置(413)和气压传感器(414)，所述气泵(412)通过所述连接装置(413)与所述护舷(411)连接，以进行所述护舷(411)的充气和放气工作；所述气压传感器(414)与所述气泵(412)连接，以进行所述护舷(411)的实时检测压强工作；所述气泵(412)和气压传感器(414)均与所述控制模块(200)控制连接。

8.一种变结构的履带式全水深推进两栖机器人的控制方法，采用如权利要求1至7任意所述变结构的履带式全水深推进两栖机器人，其特征在于，包含以下步骤：

S1：将机器人主体从井口放入管道中，启动并完成相应模块的初始化，且所述机器人主体处于车式结构状态，进入步骤S2；

S2：感知模块(100)启动，控制模块(200)通过所述感知模块(100)采集管道内的环境信息，远程操控模块(300)接收由所述控制模块(200)整合后传来的画面信息，进入步骤S3；

S3：所述控制模块(200)通过履带车式推进机构(440)控制所述机器人主体在管道内移动,且所述控制模块(200)根据所述感知模块(100)采集到的信息进行自主决策判断，即通过相机(130)、激光雷达(140)或红外水位传感器(150)分析管道内水位是否过低：

若水位过低时，判断所述机器人主体未漂浮，重复步骤S3；

若水位不低时，判断所述机器人主体漂浮，进入步骤S4；

S4：所述控制模块(200)控制声呐伸缩机构(450)将声呐(160)伸出所述机器人主体，通过声呐(160)检测当前水位的实际水位高度和水下环境，将测得的实际水位高度与提前设定的使所述机器人主体漂浮的预设高度进行对比：

若实际水位高度小于预设高度时，判断所述机器人主体不满足以艇式结构进行工作，进入步骤S5；

若实际水位高度大于预设高度时，判断所述机器人主体漂浮，进入步骤S6；

S5：所述控制模块(200)控制声呐伸缩机构(450)将声呐(160)重新收入所述机器人主体，且所述控制模块(200)控制艇式推进机构(420)启动，将所述机器人主体推动前进，直至移动至地面后停止所述艇式推进机构(420)工作，所述机器人主体再次通过履带车式推进机构(440)采用车式结构在管道内移动，进入步骤S3；

S6：将所述机器人主体停止在当前位置，并通过所述控制模块(200)将所述机器人主体由车式结构转换成艇式结构，进入步骤S7；

S7：进入工作状态，所述控制模块(200)通过艇式推进机构(420)控制所述机器人主体在管道内移动，且所述控制模块(200)通过感知模块(100)将采集到的数据信息传送给所述远程操控模块(300)，进入步骤S8；

S8：当所述声呐(160)检测到当前水位的实际高度满足所述机器人主体进行模式结构的转换，且前进方向的水位高度不满足所述机器人主体以艇式结构进行工作时，将所述机器人主体停止在当前位置，并通过所述控制模块(200)将所述机器人主体由艇式结构转换成车式结构，进入步骤S9；

S9：所述控制模块(200)控制艇式推进机构(420)启动，将所述机器人主体继续推动前进，直至移动至地面后停止所述艇式推进机构(420)工作，所述机器人主体再次通过履带车式推进机构(440)采用车式结构在管道内移动，进入步骤S10；

S10：重复进行步骤S3至S9，直至所述感知模块(100)检测到所述机器人主体驶出管道或者到达指定位置，完成整个检测工作，并将机器人主体回收。

9.根据权利要求8所述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人的控制方法，其特征在于，在步骤S3中，为了判断所述机器人主体是否漂浮，具有以下三种方法：

1)根据激光雷达(140)所检测并传回的数据拟合出水平面，以确定所述激光雷达(140)距离水平面的当前距离，并将当前距离与提前设定的使所述机器人主体漂浮的预设距离进行对比；

2)根据相机(130)所检测并传回的数据拟合出管道的形状，通过分析水面与管道构成的圆心角的角度，以确定水位的高度；

3)根据红外水位传感器(150)所检测并传回的数据传送至远程操控模块(300)，以确定水位的高度。

10.根据权利要求8所述的变结构的履带式全水深推进两栖机器人的控制方法，其特征在于，控制器(330)通过控制模块(200)获取由所述感知模块(100)所采集到的各项数据信息，在进行水位高低的判断时，由于所述感知模块(100)会因光线或其他因素的影响，在因获得存在误差的数据而影响判断结构时，人工通过控制器(330)控制所述机器人主体的进行相应地结构变形和移动，即优先响应控制器(330)发送人工控制指令，将所述机器人主体推进至合适位置再进行模式转换，当人工控制指令响应结束后，再转变为控制模块(200)完全自主决策的控制方法。

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