一种模拟UVMS运动控制和水下作业的实验方法及装置

本发明涉及uvms技术领域，具体来说，是一种模拟水下机器人-机械手系统运动控制和水下作业的实验方法及其实验装置。

背景技术：

水下机器人-机械手系统主要由水下运动艇体和作业机械手两部分组成，是人类进行海洋环境探索和开发的智能设备，广泛应用于深海科学探索、海底资源勘测和水下作业等领域。由于复杂的环境因素和水下机器人自身的特性，开展水下机器人-机械手系统运动控制和水下作业的实际实验十分困难，对于刚研制的水下机器人-机械手系统，如果直接在海洋中实验，也会产生很大的风险。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种模拟uvms运动控制和水下作业的实验方法及装置，以模拟uvms系统在水下环境中的运行情况。

本发明的目的是这样实现的：一种模拟uvms运动控制和水下作业的实验方法，至少包括如下步骤：

造波步骤：在水槽中储存一定深度的海水，通过控制造波部件中造波驱动电机的运动以带动水槽中的造波推板沿水槽边缘的导轨进行周期性的往复运动以激发水体产生波浪，来模拟具有水流和波浪的水下真实环境；

机械手运动步骤：预设控制系统，在水槽上方安装用以驱使uvms系统整体进行xyz三方向运动的三坐标运动机构，在三坐标运动机构输出侧的z向升降座上安装水下机器人，在z向升降座上安装伺服驱动电机，uvms系统设置旋转座和安装在旋转座上的两个水下机械手，利用旋转座模拟水下艇体，通过三坐标运动机构的变位驱动动作和/或伺服驱动电机带动旋转座进行的旋转动作，驱使uvms系统整体产生xyz三方向的直线移动和/或围绕z轴进行的自旋运动；

实验执行步骤：设计具体的运动控制策略和设置具体的水下作业任务，使uvms系统在水槽中进行相应的运动，完成水下作业模拟实验。

作为本发明的另一方面，提出了一种模拟uvms运动控制和水下作业的实验装置，包括：

水槽，其上部为开口结构，其内盛装有水体；

固定在水槽上的造波部件，用于以预设的频率输出往复运动来激发水槽中的水体产生波浪；

由旋转座和水下机械手构成的uvms系统，所述旋转座用于模拟水下艇体，所述水下机械手连接旋转座，在实验时旋转座和水下机械手均处于水槽的水体中；

三坐标运动机构和支撑三坐标运动机构的外基座，所述三坐标运动机构用以驱使uvms系统整体进行xyz三方向运动。

其中，外基座独立于水槽固定设置，并具有两个，两个外基座分别正对水槽两长边侧；

所述三坐标运动机构的x向部分有两个，并分别对应两个外基座，每个x向部分均包括x向导轨座、x向驱动电机、x向丝杆，所述x向导轨座水平架设在外基座上并平行于水槽的长边侧，所述x向驱动电机安装在x向导轨座上，所述x向丝杆平行于x向导轨座，所述x向丝杆一端同轴传动连接x向驱动电机的输出轴，所述x向丝杆另一端旋转连接x向导轨座；

所述三坐标运动机构的y向部分包括y向导轨座、y向驱动电机、y向丝杆，所述y向导轨座两端分别滑动连接两x向导轨座，所述y向导轨座水平延伸并垂直于水槽的长边侧，所述y向驱动电机安装在y向导轨座上，所述y向丝杆平行于y向导轨座，所述y向丝杆一端同轴传动连接y向驱动电机的输出轴，所述y向丝杆另一端转动连接y向导轨座；

所述三坐标运动机构的z向部分包括z向导轨座、z向驱动电机、z向丝杆、z向升降座，所述z向导轨座竖直延伸并处于水槽之中，所述z向导轨座套装y向丝杆并与y向丝杆传动配合，所述z向驱动电机安装在z向导轨座上端，所述z向丝杆竖直延伸，其上端同轴传动连接z向驱动电机的输出轴，其下端转动连接z向导轨座，所述z向升降座套装z向丝杆并滑动连接z向导轨座；

所述z向升降座顶部安装有受控制系统控制的伺服驱动电机，所述z向升降座底部转动连接旋转座，所述旋转座的转动轴与伺服驱动电机的输出轴同轴传动连接，在伺服驱动电机的驱动下所述旋转座和水下机械手一同在整体上进行水平的自转。

本发明的有益效果在于：

1、可以用于水下机器人-机械手系统(uvms系统)进行前期的水下模拟实验，减少在真实水下环境实验带来的相应损失和风险；

2、造波部件可以实现在水槽中产生水流和波浪，一定程度上模拟了uvms系统在水下作业的水下真实环境；

3、在三坐标运动机构的驱使下，uvms系统整体可以进行xyz三方向上的直线移动，由于设置了伺服驱动电机，可以模拟uvms系统的偏航运动，使得uvms系统整体的变位自由度设置能够满足真实使用工况。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是造波部件的结构示意图。

图3是uvms系统的安装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-3和具体实施例对本发明进一步说明。

如图1-3所示，提出了一种模拟uvms运动控制和水下作业的实验装置，包括：

水槽6，其上部为开口结构，其内盛装有水体，底部有可启闭的、用于排水的出水口，水槽6整体设为长方体框架结构并在其侧壁形成若干矩形窗，水槽6侧壁的每一个矩形窗均设为透明的、且便于在水槽6外观察水槽6内实验情况的钢化玻璃6a，在实验过程中，科研人员可以通过钢化玻璃6a在外观察到水槽6内的实验情况，以便观察、判断；

固定在水槽6上的造波部件，用于以预设的频率输出往复运动来激发水槽6中的水体产生波浪；

由旋转座19和水下机械手20构成的uvms系统，旋转座19用于模拟水下艇体，水下机械手20连接旋转座19，在实验时旋转座19和水下机械手20均处于水槽6的水体中，本实施例中，水下机械手20有两个；

三坐标运动机构和支撑三坐标运动机构的外基座7，三坐标运动机构用以驱使uvms系统整体进行xyz三方向运动。

其中，造波部件包括：

底座4，固定架设在水槽6的短边侧之上；

造波驱动电机1，安装在底座4上；

横移丝杆2，其长度方向平行于水槽6的长边侧，横移丝杆2一端与造波驱动电机1的输出轴同轴传动对接，横移丝杆2另一端转动连接底座4；

移动台3，移动台3滑动连接底座4，移动台3套装横移丝杆2并在横移丝杆2转动时沿其长度方向直线运动；

造波推板5，造波推板5与移动台3固定连接并竖直插入水槽6的水体中，其板面与其移动方向相互垂直。

其中，上述造波部件设有一对，并且并排布置，具有相同的规格并在控制时步调一致，两个造波部件的移动台3同时固定连接造波推板5沿水槽6的长边侧水平移动，并驱使造波推板5在水槽6的水体中按预设频率进行往复运动。

上述水槽6内壁的两个长边侧上沿均设有导轨6b，导轨6b沿水槽6的长边侧方向水平延伸，造波推板5上侧两端分别与两侧的导轨6b滑动配合。

上述外基座7独立于水槽6固定设置，并具有两个，两个外基座7分别正对水槽6两长边侧。

上述三坐标运动机构的x向部分有两个，并分别对应两个外基座7，每个x向部分均包括x向导轨座8、x向驱动电机9、x向丝杆10，x向导轨座8水平架设在外基座7上并平行于水槽6的长边侧，x向驱动电机9安装在x向导轨座8上，x向丝杆10平行于x向导轨座8，x向丝杆10一端同轴传动连接x向驱动电机9的输出轴，x向丝杆10另一端旋转连接x向导轨座8。

上述三坐标运动机构的y向部分包括y向导轨座11、y向驱动电机12、y向丝杆13，y向导轨座11两端分别滑动连接两x向导轨座8，y向导轨座11水平延伸并垂直于水槽6的长边侧，y向驱动电机12安装在y向导轨座11上，y向丝杆13平行于y向导轨座11，y向丝杆13一端同轴传动连接y向驱动电机12的输出轴，y向丝杆13另一端转动连接y向导轨座11。

上述三坐标运动机构的z向部分包括z向导轨座14、z向驱动电机15、z向丝杆16、z向升降座17，z向导轨座14竖直延伸并处于水槽6之中，z向导轨座14套装y向丝杆13并与y向丝杆13传动配合，z向驱动电机15安装在z向导轨座14上端，z向丝杆16竖直延伸，其上端同轴传动连接z向驱动电机15的输出轴，其下端转动连接z向导轨座14，z向升降座17套装z向丝杆16并滑动连接z向导轨座14。

上述z向升降座17顶部安装有受控制系统控制的伺服驱动电机18，z向升降座17底部转动连接旋转座19，旋转座19的转动轴与伺服驱动电机18的输出轴同轴传动连接，在伺服驱动电机18的驱动下旋转座19和水下机械手20一同在整体上进行水平的自转，以模拟uvms系统在水中的偏航运动。

上述x向驱动电机9、y向驱动电机12、z向驱动电机15均为受控制系统控制的伺服电机。

本发明提及的导轨座与丝杆配合的方式，可以是螺纹配合，也可以是在导轨座内置丝母，通过丝母与丝杆配合，此为常识，在此不作赘述。

本实施例提出了一种模拟uvms运动控制和水下作业的实验方法，包括如下步骤：

造波步骤：在水槽6中储存一定深度的海水，通过控制造波部件中造波驱动电机1的运动以带动水槽6中的造波推板5沿水槽6边缘的导轨6b进行周期性的往复运动以激发水体产生波浪，来模拟具有水流和波浪的水下真实环境；

机械手运动步骤：预设控制系统，在水槽6上方安装用以驱使uvms系统整体进行xyz三方向运动的三坐标运动机构，在三坐标运动机构输出侧的z向升降座17上安装水下机器人，在z向升降座17上安装伺服驱动电机18，uvms系统设置旋转座19和安装在旋转座19上的两个水下机械手20，利用旋转座19模拟水下艇体，通过三坐标运动机构的变位驱动动作和/或伺服驱动电机18带动旋转座19进行的旋转动作，驱使uvms系统整体产生xyz三方向的直线移动和/或围绕z轴进行的自旋运动；

实验执行步骤：设计具体的运动控制策略和设置具体的水下作业任务，使uvms系统在水槽6中进行相应的运动，完成水下作业模拟实验。

其中，在造波步骤中，采用两个相同规格的、设为伺服电机的造波驱动电机1作为造波部件的动力部分，以丝杆传动的方式驱动造波推板5在水槽6的水体中按预设频率进行往复运动，通过改变造波驱动电机1的转速和圈数来改变造波推板5的运动速度和最大行程，最终产生不同波高和周期的类正弦波，达到造波的目的。

在机械手运动步骤中，控制系统根据预设的运动控制策略给三坐标运动机构的驱动部分相应的脉冲信号，控制uvms系统在三个方向上的位移和速度大小。

在机械手运动步骤中，通过伺服驱动电机18带动旋转座19进行旋转动作，对uvms系统的偏航运动进行模拟。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。