一种具有主动波浪补偿功能的机器人系统的制作方法

本发明涉及海上船舶作业领域，尤其涉及一种具有主动补偿功能的波浪补偿机器人系统。

背景技术：

随着我国海洋工程产业不断的发展，海洋平台或船舶越来越频繁地进行着海上的作业，其作业范围从近海走向深海，甚至超深海，作业的难度也随之增大。由于风浪的影响，在海上作业和行驶途中的船舶都会随着风浪做无规律的摇摆，这些摇摆会导致船舶的相对位置发生变化。同时，也会产生作业效率低下，人员安全存在隐患等问题。所以，如何去除风浪引起的扰动即风浪引起的横摇、纵摇和升沉，提高海上作业的安全平稳和高效，对实际工程和科学研究有着重大的意义。

目前，波浪补偿技术主要运用于海上补给、海上货物起吊和运送作业人员登靠风电塔等。并且，大多数采用体积较大的并联平台形式进行波浪补偿，串联形式的波浪补偿装置主要以具有波浪补偿功能的起重机为主。并联平台的自身质量较大，工作范围较小。并联平台和波浪补偿起重机在海上作业过程中，对于完成物体的抓取和运送的功能还需要不断开发和完善。同时，二者由于体积较大安装完成之后，不易于移动也无法放进防腐蚀的壳体内。现有装置能够实现的功能比较单一，现阶段上还未有一种具有波浪补偿功能的通用装置或系统，能够同时实现船舶行进途中吊放货物、运送人员和海上补给等功能。

如中国专利201610617770.x所述的一种波浪补偿专用机器人，具有小臂、手腕机构、末端执行器驱动器和末端执行机构，小臂前端连接手腕机构后端，手腕机构前端刚性连接末端执行器驱动器，末端执行器驱动器连接末端执行机构，初始位置时的手腕机构平行于舰船甲板，手腕机构前端指向船头正前方向，其特征是：手腕机构的后端包含第一、第二驱动器，前端包含一个差动机构和两个支撑臂，中间是支撑架，支撑架与小臂前端固接，支撑架的中间位置固联驱动框架，第一、第二驱动器在驱动框架的左、右两侧相对布置且共同连接驱动框架，第一、第二驱动器的中心轴均左右水平布置；支撑架的前侧方固接一左一右布置的两个支撑臂，两个支撑臂之间是差动机构；差动机构由四个锥齿轮、一个偏转轴和两个俯仰主动轴组成，偏转轴上下垂直布置，第一、第二俯仰主动轴中心线共线、与偏转轴的中心线相垂直且一左一右对称布置在偏转轴的两侧，第一、第二俯仰主动轴的一端共同能转动地连接差动机构支撑块，另一端支撑在同侧对应的支撑臂上，偏转轴的中间段同轴间隙穿过差动机构支撑块的中心孔，偏转轴的上段上通过轴承同轴连接第三锥齿轮，偏转轴的下段上同轴固定连接第一锥齿轮；第一俯仰主动轴上同轴固定套装相互固接在一起的第二锥齿轮和第一带轮，第二俯仰主动轴上同轴固定套装相互固接在一起的第四锥齿轮和第三带轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮、第四锥齿轮均相啮合，第三锥齿轮与第二锥齿轮、第四锥齿轮也均相啮合；第一驱动器的输出轴同轴固定连接第四带轮，第二驱动器的输出轴同轴固定连接第二带轮，第一带轮通过第一齿形皮带连接第二带轮，第三带轮通过第二齿形皮带连接第四带轮；锥齿轮通过连接件固接末端执行器驱动器。

上述专利中采用带轮式的传送结构，导致传动机构复杂，工作空间狭小，维护麻烦且使用寿命低，带轮式的传动精度差；

针对上述技术问题，本发明旨在提供一种串联的多自由度波浪补偿机器人系统和该系统的控制方法。该系统是一个通用系统，具有结构简单、操作方便、使用范围广、效率高和功能多等优点。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种具有主动波浪补偿功能的机器人系统，该系统和控制方法能够解决船舶在海上行驶或者作业过程中，因风浪造成的横摇、纵摇和升沉等给机器人末端执行器带来的影响问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种具有主动波浪补偿功能的机器人系统，该有主动波浪补偿功能的机器人系统安装在船舶上；其创新点在于：包括横向导轨、纵向导轨、底盘、微惯导、机械臂、计算机和控制器；

所述横向导轨与纵向导轨互相垂直设置在同一水平面上，且横向导轨与纵向导轨铺设在船舶甲板上；所述底盘通过驱动电机可沿着互相垂直的横向导轨与纵向导轨往复移动；所述机械臂通过螺栓组固定连接在底盘上，机械臂跟随底盘沿着横向导轨或纵向导轨移动；所述微惯导位于机械臂的旁侧且连接固定在底盘上，实时测量因风浪引起的数据变换并向计算机发送所测试的数据；所述计算机与微惯导之间通过传感器进行数据交换，计算机处理微惯导输出的数据并进行处理以及建立模型、预测和输出数据；所述控制器的一端与计算机进行数据交换，控制器的另一端与机械臂相连并控制机械臂进行补偿运动。

进一步的，该系统的控制方法为：

s1：首先通过驱动电机将底盘、微惯导和机械臂通过横向导轨和纵向导轨移动到工作位置，并且明确目标点的位置；

s2：利用微惯导实时检测出船舶因风浪引起的变化，并将这些数据通过传感器输入到计算机中，并向计算机提供一个预测算法；

s3：根据微惯导输送的数据在计算机中进行滤波预处理和数据归一化处理并建立模型，计算机根据建立的模型和微惯导检测到的数据，预测波浪的情况；

s4：计算机根据预测的波浪情况确定目标点的在波浪作用下位置坐标，并与实际所明确的目标点坐标进行对比，计算出补偿数据；

s5：计算机将处理好的补偿数据发送给控制器，控制器驱动末端的机械臂进行补偿运动。

进一步的，所述微惯导能够实时检测出横摇、纵摇、艏摇、纵荡、横荡、垂荡以及纵荡、横荡和垂荡的速度数据。

进一步的，所述s2中建立模型为通过将微惯导输送的数据在零均值和平稳化处理后通过计算机计算出自相关函数acf和偏相关函数pacf,根据函数曲线判定的ar模型，根据判定的ar模型通过计算机识别出模型参数对船舶进行连续预测。

进一步的，所述微惯导、计算机、控制器和机械臂分别对应整个机器人系统的检测系统、补偿系统、控制系统和执行系统。

本发明的优点在于：

1）本发明装置中的机器人与普通机器人相比较，通过横向导轨和纵向导轨有了更大的工作空间，方便移动，便于存放在船舱和防腐蚀的壳体中。这样，增加了其使用寿命，更加便于维护。

2）本发明装置中采用的是串联形式的机构，与传统并联的波浪补偿平台相比较更加容易得到位置正解，精度更高。

3）本发明装置和控制方法可以有效的替代功能单一的传统波浪补偿装置，使整个补偿系统的结构更加简单、操作更加便捷，工作效率更高。在船舶行进过程中，也可以在甲板上作业进行货物的吊放和运送。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为具有主动波浪补偿功能的机器人系统的整体结构示意图。

图2为模型识别与参数化过程。

图3为具有主动波浪补偿功能的机器人系统的控制原理图。

图4为末端执行机构未来运动的预测与补偿过程。

图5为主动波浪补偿控制方法流程图。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

如图1所示的一种具有主动波浪补偿功能的机器人系统，该有主动波浪补偿功能的机器人系统安装在船舶上；包括横向导轨1、纵向导轨2、底盘3、微惯导4、机械臂5、计算机6和控制器7组成；所述横向导轨1和纵向导轨2安装在船舶的甲板上，用于增加机械臂5的工作空间，方便其移出和移入船舱或者防腐蚀壳体中；机械臂5通过螺栓固连在底盘3上，底盘3下方安装有滑轮，通过滑轮在横向导轨1和纵向导轨2上进行滑动；根据微惯导4的工作方式、数据精度和安装要求，需要将微惯导4通过螺栓固连在机械臂5的基座上，可以测量出因风浪引起的实时数据并且发送所测量出的数据；计算机6用于接受微惯导4输出的数据、处理数据、建立模型、预测和输出数据；控制器7接受计算机6发出的数据，控制机械臂5进行补偿运动。

如图2所示，具有主动波浪补偿功能的机器人系统中船舶运动模型识别与参数化过程，设计该过程的目的在于弥补系统的滞后性；微惯导在船舶行驶过程中，能够实时检测到由于风浪引起的船舶运动数据；微惯导将数据传输到计算机中，对所检测到的数据进行滤波预处理及数据归一化处理；接着将处理后的数据进行零均值和平稳化处理，再进行分析。分别计算出自相关函数acf和偏相关函数pacf,通过相应的函数曲线判定为ar模型；通过公式识别出ar模型的模型参数；最后利用建立的ar预测模型对船舶的运动进行连续预测。

如图3所示，为具有主动波浪补偿功能的机器人系统的控制原理图；整个系统可以分为四个子系统，它们分别是检测系统、补偿系统、控制系统和执行系统；检测系统对应的是微惯导4，补偿系统对应的是计算机6，控制系统对应的是控制器7，执行系统对应的是机械臂5；在不需要进行补偿的情况下，例如无风浪时，则不发送补偿指令；当船舶在行进过程中遇到风浪且需要作业的情况下，则发送补偿工作指令使整个系统开始工作。

如图4所示，为末端执行机构未来运动的预测与补偿过程；首先通过微惯导4获取船舶实时检测数据之后，设定一段时间为一个周期，令这个周期为采样周期；通过历史数据对船舶运动进行建模，利用建立的预测模型对船舶运动进行连续预测；同时利用微惯导4获得的数据和串联机械臂5的坐标转换，求出末端执行机构的位姿；接着，根据连续预测和获得的位姿进行数据综合处理；最后将综合数据发送给控制器7；从微惯导4中输出的数据到得到综合数据这个部分对应图3中的补偿系统部分；控制器7驱动机械臂5中的驱动器，每隔采样周期和控制器7发送数据的最小公倍数对末端执行器的位姿进行一次补偿。

如图5所示，为主动波浪补偿控制方法流程图；该方法用于需要进行波浪补偿的工作状态中；首先，利用微惯导4实时检测在海上作业的船舶的运动状态；微惯导4以固定的采样周期采集数据；一段时间后，存储船舶历史运动状态；再根据图2中船舶运动模型识别与参数化过程，对数据处理分析、建立模型和进行连续预测；由于微惯导4安装在基座处，所以需要利用坐标转换求出机械臂5末端执行机构的位姿。接下来，根据预测参数和末端执行器的位姿以及之前确定的目标点的位姿，进行数据综合；利用采样周期和控制器7发送命令的周期，选取二者最小公倍数为补偿周期；最后，根据综合得到的数据，明确机械臂7中的补偿控制控制程序或者操作指令；通过这些程序和指令进行补偿。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。