机器人系统的制作方法

本发明涉及机器人领域、水下探索领域，具体地，涉及一种机器人系统。

背景技术

深海区是指水深在2000～10000米左右的海域。在深海中海水特别冷，而且没有一丝阳光。深海区域环境非常恶劣，水温低，压力大。但是深海中有许多待开发资源与考察对象，而且还有许多待打捞物品。因此，亟待一种能够适应深海高压、黑暗环境的水下机器人，同时需要能够实现精确定位定向，快速响应控制指令以及操作工具的高效更换，以适应高精度、多种类的水下作业需求。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种机器人系统。

根据本发明提供的机器人系统，水下机器人与控制终端；所述水下机器人包含框架构件、传感器、推进器模组以及电子舱模组；传感器、推进器模组以及电子舱模组均安装在框架构件上；

电子舱模组包含水下控制器，控制终端与水下控制器所包含的通信模块相连；

水下控制器包含卡尔曼滤波器与模糊控制器，传感器、卡尔曼滤波器、模糊控制器、推进器模组依次相连。

优选地，所述水下控制器还包含以下模块：

控制信号获取模块：获取来自控制终端的控制指令；

检测信号获取模块：获取来自传感器的监测数据；

数据处理模块：对监测数据进行卡尔曼滤波，获得滤波数据；

执行指令生成模块：根据滤波数据、控制指令以及设定的模糊规则，生成执行机构动作指令。

优选地，所述推进器模组包含水平推进器与垂直推进器这两种水下推进器；

执行机构动作指令包含垂直推进器动作指令和/或水平推进器动作指令。

优选地，所述控制指令包含以下任一个或任多个内容：定深模式控制指令、定向模式控制指令、定姿态控制指令；

所述控制信号获取模块包含以下任一个或任多个模块：

--定深模式指令获取模块：获取来自控制终端的定深模式控制指令；当获取定深模式控制指令时，检测信号获取模块中获取来自深度传感器与惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成垂直推进器动作指令；

--定向模式指令获取模块：获取来自控制终端的定向模式控制指令；当获取定向模式控制指令时，检测信号获取模块中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成水平推进器动作指令；

--定姿态模式指令获取模块：获取来自控制终端的定姿态模式控制指令；当获取定姿态控制指令时，检测信号获取模块中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成水平推进器动作指令与垂直推进器动作指令。

优选地，所述模糊规则满足：

h＝f(δh),(a≤δh＜b)

式中：h为执行机构动作指令对应的状态参数调整值；

δh为控制指令对应的状态参数目标值与滤波数据对应的状态参数实际值的差值；

f(δh)为关于δh的模糊计算函数；

a、b为设定阈值；

所述状态参数包含以下任一个或任多个参数：深度值、俯仰角、翻滚角、偏航角。

优选地，所述水下控制器还包含以下任一个或任多个模块：

--阈值自调整模块：根据评价指标，调整a和/或b；

--模糊函数自调整模块：根据评价指标，调整f(δh)；

所述评价指标包含以下任一项或任多项内容：

--执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的平均值与执行机构动作指令对应的状态参数调整值的差值；

--执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的方差；

--执行机构动作指令生成后，滤波数据对应的状态参数实际值稳定在执行机构动作指令对应的状态参数调整值设定范围内所需的时间。

优选地，还包含云服务器，控制终端与云服务器相连；所述云服务器包含以下模块：

云端数据收集模块：获取来自多个控制终端的自调整数据，所述自调整数据包含以下任一个或任多个内容：a、b、f(δh)；

预设值生成模块：计算多个自调整数据的众数或平均值，将所述众数或平均值作为预设值；

报警模块：当来自控制终端的自调整数据位于预设值的设定范围之外时，生成报警信号。

优选地，通信模块通过设置的脐带缆连接到控制终端上；

脐带缆包含线缆防护套，线缆防护套内部形成走线空间；所述线缆防护套包含沿径向从外到内设置的聚乙烯外护套、双面覆塑钢带层；

走线空间中设置有以下任一个或任多个结构：电源线、光纤、填充绳、金属加强件。

优选地，电子舱模组还包含耐压控制舱，所述水下控制器安装在耐压控制舱中；

框架构件上还设置有电池模组，所述电池模组包含耐压电池舱与电池，所述电池安装在耐压电池舱中；

所述耐压控制舱和/或耐压电池舱中填充满等压液体；耐压控制舱和/或耐压电池舱为钛合金结构。

优选地，水下机器人还包含浮力件模组与功能件模组；浮力件模组安装在框架构件上；

所述功能件模组包含以下任一个或任多个结构：摄像头、探照灯、机械手、金属探测器、声呐；

以下任一个部件或全部部件为蓝宝石玻璃结构：摄像头的镜头、探照灯的灯罩。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用模组化设计，开发新产品时，只需更换特定的某一个或多个模组，可以缩短研发周期，提高产品使用的可靠性，方便后期的维护与零件更换。

2、采用的钛合金耐压结构具有极大的耐压与抗腐蚀性，探照灯、摄像头以及蓝宝石玻璃的设置，使得本发明能够在无光黑暗环境下也可以正常工作。

3、本发明采用了零浮力光电复合的脐带缆，同时解决电力、信号传输以及线缆重力浮力影响的问题；采用的光纤通讯不受磁场，强电，和雷电等一些因素影响，而且具有容量大，衰减小，扩容便捷等众多优点。

4、通过模糊算法，可以在一定范围内减小整个系统的超调量，进而可以有效提高整个系统的反应速度以及控制精度。

5、水下机器人上的模糊控制器既能够根据自身实际调节效果对模糊算法进行自适应调整，还能够接收来自云端的预设值对模糊算法进行预设，极大提高了控制的精准度。

6、模糊算法中的某一参数偏离常规值较多时，能够产生报警信号，提醒使用者传感器或模糊控制器可能存在缺陷，需要及时进行修复。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例中水下机器人立体图；

图2为本发明提供的机器人系统整体结构框图。

图3为脐带缆横截面示意图；

图4为水下机器人上信号采集、模糊计算及调节流程图；

图5为包含云服务器的机器人系统结构框图。

图中示出：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描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、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图2所示，本发明提供的机器人系统，其特征在于，水下机器人600与控制终端700；所述水下机器人600包含框架构件400、传感器、推进器模组610以及电子舱模组630；传感器、推进器模组610以及电子舱模组630均安装在框架构件400上；电子舱模组630包含水下控制器，控制终端700与水下控制器所包含的通信模块相连；水下控制器包含卡尔曼滤波器与模糊控制器，传感器、卡尔曼滤波器、模糊控制器、推进器模组610依次相连。优选地，如图4所示，所述水下控制器还包含ad转换器与da转换器，ad转换器将来自传感器的电压信号转换成数字信号后，经卡尔曼滤波器滤波送入到模糊控制器，生成的数字指令由da转换器转换成电压指令。优选地，所述传感器包含压力传感器、深度传感器、惯性传感器等，所述惯性传感器包含三轴加速度传感器、三轴陀螺仪、三轴磁力计。实际使用过程中，所述控制终端700实质为位于水面上的控制器。

所述水下控制器还包含以下模块：控制信号获取模块：获取来自控制终端700的控制指令；检测信号获取模块：获取来自传感器的监测数据；数据处理模块：对监测数据进行卡尔曼滤波，获得滤波数据；执行指令生成模块：根据滤波数据、控制指令以及设定的模糊规则，生成执行机构动作指令。

实施例中，所述推进器模组610包含水平推进器与垂直推进器这两种水下推进器；执行机构动作指令包含垂直推进器动作指令和/或水平推进器动作指令。所述控制指令包含以下任一个或任多个内容：定深模式控制指令、定向模式控制指令、定姿态控制指令。所述控制信号获取模块包含以下任一个或任多个模块：定深模式指令获取模块：获取来自控制终端700的定深模式控制指令；当获取定深模式控制指令时，检测信号获取模块中获取来自深度传感器与惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成垂直推进器动作指令；定向模式指令获取模块：获取来自控制终端700的定向模式控制指令；当获取定向模式控制指令时，检测信号获取模块中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成水平推进器动作指令；定姿态模式指令获取模块：获取来自控制终端700的定姿态模式控制指令；当获取定姿态控制指令时，检测信号获取模块中获取来自惯性传感器的监测数据，执行指令生成模块中，生成水平推进器动作指令与垂直推进器动作指令。

优选地，所述模糊规则满足：

h＝f(δh),(a≤δh＜b)

式中：h为执行机构动作指令对应的状态参数调整值；δh为控制指令对应的状态参数目标值与滤波数据对应的状态参数实际值的差值；f(δh)为关于δh的模糊计算函数；a、b为设定阈值；所述状态参数包含以下任一个或任多个参数：深度值、俯仰角、翻滚角、偏航角。

所述水下控制器还包含以下任一个或任多个模块：阈值自调整模块：根据评价指标，调整a和/或b；模糊函数自调整模块：根据评价指标，调整f(δh)。评价指标包含以下任一项或任多项内容：执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的平均值与执行机构动作指令对应的状态参数调整值的差值；执行机构动作指令生成后的设定时间段内，所有滤波数据对应的状态参数实际值的方差；执行机构动作指令生成后，滤波数据对应的状态参数实际值稳定在执行机构动作指令对应的状态参数调整值设定范围内所需的时间。

如图5所示，优选例中，本发明提供的机器人系统中还包含云服务器，控制终端700与云服务器相连；所述云服务器包含以下模块：云端数据收集模块：获取来自多个控制终端700的自调整数据，所述自调整数据包含以下任一个或任多个内容：a、b、f(δh)；预设值生成模块：计算多个自调整数据的众数或平均值，将所述众数或平均值作为预设值；报警模块：当来自控制终端700的自调整数据位于预设值的设定范围之外时，生成报警信号。

实施例中，通信模块通过设置的脐带缆660连接到控制终端700上。如图3所示，脐带缆660包含线缆防护套，线缆防护套内部形成走线空间；所述线缆防护套包含沿径向从外到内设置的聚乙烯外护套661、双面覆塑钢带层662；走线空间中设置有以下任一个或任多个结构：电源线663、光纤664、填充绳665、金属加强件666。本发明提供的脐带缆660能够实现零浮力与光电复合的功能，结实耐用，信号传输稳定，耐海水腐蚀。优选地，所述通信模块与控制终端700还可以是通过无线方式进行数据传输的。

电子舱模组630还包含耐压控制舱631，所述水下控制器安装在耐压控制舱631中。框架构件400上还设置有电池模组640，所述电池模组640包含耐压电池舱641与电池，所述电池安装在耐压电池舱641中。所述耐压控制舱631和/或耐压电池舱641中填充满等压液体；耐压控制舱631和/或耐压电池舱641为钛合金结构。由于水下机器人600在深海中要承受足够大的压力，所以对机器人本体材料的强度，结构密封有较大的要求。本发明在选取满足材料强度基础上运用深海等压密封方式，压力补偿密封方式来提高机器人的抗压能力，使机器人能够在下潜更深区域下也能够正常工作。具体方式为向水下机器人600的耐压控制舱631和/或耐压电池舱641灌入液体，使得水下机器人600无论在何种深度舱体内外压力差相差很小，这样就可以使水下机器人600下潜深度提高，在深海区作业。优选地，耐压控制舱631和/或耐压电池舱641还可以是具有一定弹性的壳体，例如橡胶等，自身能够承受一定的外压，在深水高压环境下会产生一定的形变，进而使得等压液体的压力增加，但不至于太增加太多，形成一定的压力梯度，防止内部的水下控制器或电池受到过大的外压。优选地，所述电池采用750w大功率电池模块为水下机器人600提供充足续航能力与面对险恶环境的强劲动力，使水下机器人600能够在深海中正常工作。所述等压液体可以是液体油，提供内压的同时实现内部电绝缘。

如图1所示，水下机器人600还包含浮力件模组620与功能件模组；浮力件模组620安装在框架构件400上；所述功能件模组包含以下任一个或任多个结构：摄像头、探照灯681、机械手、金属探测器、声呐；以下任一个部件或全部部件为蓝宝石玻璃结构：摄像头的镜头、探照灯681的灯罩。蓝宝石玻璃结构表面进行精细打磨，有较高的光亮度，保证水下机器人600在深海无光条件下稳定作业。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。