本发明涉及水下机器人技术领域，具体涉及一种水下机器人-水下机械臂系统。
背景技术
随着海洋开发程度的日益加深，人类更加希望其可以完成更多的任务，发挥更重要的作用，这就带来的许多新的技术上的挑战。水下作业必须在作业工具和机器人协调配合良好的基础上完成，这一技术目前并不是很成熟，国内外许多相关领域的学者正在攻坚克难，力争早日实现水下机器人的完全自主作业。水下机器人-机械臂系统正是在这种环境中诞生。该系统自主完成所有的任务，并且自动返航，具有体积小、运动灵活、易于投放回收、不受铠装电缆限制、适合各种海况等优点，在海洋作业中可以发挥非常重要的作用。
水下机器人-机械臂系统作为目前水下作业方面的研究热点，有很多的国内外高校、科研院所、企业等都大力投身于该类系统的研制当中，这其中的数个拥有优秀成果的研究机构引领着未来水下机器人-机械臂系统的研究和发展方向，一些早期的研究成果均为机密，并不向外界公布。直至20世纪80年代初期，一些研究数据和相关的仿真结果才被陆续公布出来。
在国家发展战略的布局与规划下，我国的水下机器人-机械臂系统起步探索较早，但是在研究成果方面相较于一些欧美老牌海工装备强国略显单薄。中科院沈阳自动化所是国内水下机器人领域较早的先行者和探索者。在国内资源有限，国际资源与产品被封锁时，沈自所的工程研究人员们凭借着不屈不挠的精神与顽强的斗志，先后攻克多项技术难点，为我国水下机器人-机械臂系统的发展贡献出很多的力量。沈自所的张奇峰博士开展的水下机器人-机械臂系统研究课题，但是受制于当时传感器以及其他相关硬件资源的限制，张奇峰博士仅在姿态控制方面进行了一些探索性的研究。华中科技大学在国家相关部门的支持下前后承担了四种类型的水下机器人-机械臂系统的研制工作，并且将研究成果应用于到了哈尔滨工程大学等单位合作研发的水下机器人平台“智水”上，并进行了相关的工作，安装在auv本体上的三自由度机械手成功完成了静水中剪缆的作业任务。
技术实现要素：
针对目前现有技术中存在的不足，本发明旨在提供一种水下机器人和水下机械臂系统，该系统具有适配比高、运动灵活、作业能力强、智能化较高等优点，能够完成海底智能勘探，还能进行海底目标物抓取和采样。
一种水下机器人-水下机械臂系统，由水下机器人本体、水下机械臂(5)和辅助调节系统(6)、运动规划与控制系统、导航系统、视觉系统和电源系统组成；具体包括十字舵(1)、艉(2)、auv主体(3)、艏(4)、水下机械臂(5)、辅助调节装置(6)及推进器(7)；电源系统由电池组供电，视觉系统包括摄像头，导航系统包括捷联惯导多普勒计程仪，运动规划与控制系统包括推进器(7)与十字舵；水下机械臂(5)控制系统由通信系统、机械臂控制器、伺服电机驱动器、机械臂本体以及测速传感器共同构成；水下机械臂(5)由四个关节组成，包括一个底部的回转关节、大臂的摆动关节、小臂的摆动关节以及腕部的回转关节；单推进器(7)安装在水下机器人艉(2)部水平方向上；十字舵安装在水下机器人艉(2)部，推进器(7)前方；水下机械臂(5)安装在水下机器人正下方，靠近艏(4)部的位置；在其末端安装一个机械手抓，通过伺服电机驱动各个关节，辅助调节系统由丝杠滑块机构组成，通过伺服电机驱动滑块移动，辅助调节装置(6)安装在水下机器人正下方，靠近艉(2)部的位置。
所述的水下机械臂(5)控制系统具体包括：通信总线由主控中心出发，建立主控中心与各模块之间的通信联系，传输指令与数据；机械臂控制器接收由主控中心发送来的指令并进行解码，根据解码结果按照对机械臂关节进行驱动控制；伺服电机驱动器驱动每个关节伺服电机；转速测量传感器对实时反馈伺服电机的转动情况进行测量。
所述的水下机械臂(5)具体包括：水下机械臂(5)的制作材料选用抗腐蚀且重量较轻的材料作为制作原料，选择含有1％锡的海军黄铜最作为齿轮制作原材料；水下机械臂(5)在零位状态时，能够完全回收到水下机器人底部；该水下机械臂(5)具有四个自由度，分别是两个回转关节、两个摆动关节，底部的回转关节(5.2)与底座(5.1)通过轴承相连，大臂的摆动关节(5.3)一端与底部的回转关节(5.2)相连，另一端与机械杆相连，机械杆的另一端通过轴承与小臂摆动关节(5.4)相连，小臂摆动关节(5.4)的尾端与腕部回转关节(5.5)，腕部回转关节(5.5)的末端安装有伺服驱动的一个机械手抓(5.6)；水下机器人-水下机械臂(5)系统的运动学模型为：
其中机器人-水下机械臂(5)系统末端执行器在惯性坐标系下和运动坐标系下的位姿向量为ηe＝[ipetiret]t∈r6×1及ηve＝[vpetvret]t∈r6×1；水下机械臂(5)在运动坐标系下的运动方程写为
所述的辅助调节装置(6)具体包括：辅助调节装置(6)的滑块质量和滑杆长度根据水下机器人与水下机械臂(5)的质量配比关系确定；辅助调节装置(6)为单自由度，在平行水下机器人艏(4)艉(2)方向上运动，辅助调节装置(6)可以对纵倾方向的扰动进行调整和补偿。
所述的auv主体(3)具体包括：auv最大直径为0.26m，整体长度为1.6m，采用全身碳纤维结构。
本发明与现有技术相比，具有以下突出实质性的优点和有益效果：
(1)本发明确定一种水下机器人-水下机械臂系统，该系统具有适配比高、运动灵活、作业能力强、智能化较高，能够完成海底智能勘探，能够进行海底目标物抓取和采样。
(2)本发明增加了辅助调节装置，能够补偿水下机械臂运动过程中，对水下机器人本体姿态和运动的干扰和影响，能够有效保证系统工作的可靠性。
(3)本发明的机械臂采用四自由度形式，能够在三维空间内进行水下作业任务，同时该机械臂在侧向海流较大情况下能够弥补水下机器人在侧向的运动能力不足缺点，能够辅助进行水下机器人姿态调整。
(4)本发明充分考虑到水下机器人-水下机械臂系统的复杂性，进行系统建模，为智能化控制奠定基础。
附图说明
图1为水下机器人-机械臂系统整体系统图；
图2为水下机器人设计结构图；
图3为水下机器人控制系统组成图；
图4为机械臂的设计示意图；
图5为机械臂控制系统组成图；
图6为水下机器人-机械臂系统的辅助调节装置布置图；
图7为水下机器人-机械臂系统运动模型图；
图8为机械臂各关节功能。
具体实施方式
本发明由三部分组成：水下机器人本体、水下机械臂(5)和辅助调节装置(6)。本系统采用的水下机器人是自主式水下机器人auv，利用电池组进行供电。为了提高续航能力，该水下机器人采用欠驱动系统完成对水下机器人的姿态和位置控制。单推进器(7)安装在水下机器人艉(2)部水平方向上，实现对水下机器人前进后退方向的位移控制。十字舵安装在水下机器人艉(2)部，推进器(7)前方，实现对水下机器人航向角和俯仰角的控制。水下机械臂(5)安装在水下机器人正下方，靠近艏(4)部的位置，该水下机械臂(5)具有四个自由度，分别是两个回转关节、两个摆动关节；在其末端安装一个机械手抓(5.6)，通过伺服电机驱动各个关节，可以实现五功能的水下作业任务。水下机械臂(5)在零位状态时，能够完全回收到水下机器人底部，可以减小该水下机器人-机械臂系统受到的水流阻力。辅助调节装置(6)由丝杠滑块机构组成，并通过伺服电机驱动滑块移动，来调节水下机器人的重心在纵向方向上的变化。该辅助调节装置(6)安装在水下机器人正下方，靠近艉(2)部的位置。由于水下机器人在进行水下作业时，会对水下机器人本体产生较大的干扰，使得水下机器人的姿态产生波动。然而，水下机器人的姿态波动又会对水下机械臂(5)的水下作业精度产生一定干扰。该装置主要用来补偿水下机器人的纵向姿态，实现水下机器人姿态稳定，以提高水下机械臂(5)作业精度。
1、水下机器人
该水下机器人本体最大直径为0.26m，整体长度为1.6m，采用全身碳纤维结构提高本体的强度与抗腐蚀能力，以便在条件恶劣的环境中保持较高的稳定性。该水下机器人外型较长，整体圆润光滑，目的是为了减小其在水中受到的水阻力。本文所设计的水下机器人可以完成水下200m以内的作业任务，能够满足常规作业任务的需求。
水下机器人系统分为以下四个子系统。
运动规划与控制系统：根据水下机器人及机械臂(5)上传感器的信息，完成海底作业环境的信息感知，从而进行系统实时的任务规划以及路径规划，再根据规划结果对机械臂及水下机器人进行协调控制，以确保系统可以顺利、安全的完成任务。动力驱动方面，该水下机器人采用欠驱动方式，该方式由于采用推进器(7)的数量较少，可以节约能量，提高水下机器人的续航时长。在水下机器人在艉(2)部配置一个推进器(7)，负责水下机器人前进后退方向的推进动力提供，并且在推进器(7)的前方安装一个尾部十字舵用来进行航向角和俯仰角的姿态控制。
导航系统：为系统提供航行与作业过程中的位置、速度与姿态角等相关信息，作为重要的系统量测机构之一，导航系统的精度、稳定性以及环境适应能力会对系统产生很大的影响。
视觉系统：自主式水下机器人的作业过程中，通过对摄像头传回的图像进行视觉图像处理，获得视角范围内的图像信息，就可以进行物体种类信息分析、障碍物的判断等工作，提高水下机器人的安全保障。
电源系统：该水下机器人通过电池组进行供电，最大续航时间为5个小时。
2、水下机械臂(5)
水下机械臂(5)由四个关节组成，包括了一个底部的回转关节(5.2)、大臂的摆动关节(5.3)、小臂的摆动关节(5.4)以及腕部回转关节(5.5)；底部的回转关节(5.2)与底座(5.1)通过轴承相连，大臂的摆动关节(5.3)一端与底部的回转关节(5.2)相连，另一端与机械杆相连，机械杆的另一端通过轴承与小臂摆动关节(5.4)相连，小臂摆动关节(5.4)的尾端与腕部回转关节(5.5)，腕部回转关节(5.5)的末端安装有伺服驱动的一个机械手抓(5.6)。
机械臂制作材料选用能抵抗腐蚀的材料作为制作原料，本发明选择2a12高强度铝合金作为机械臂的制作材料，选择含有1％锡的海军黄铜最作为齿轮制作原材料。高强度铝合金可在满足机械臂连杆强度以及抗腐蚀能力需求的前提下降低一定的连杆重量。
水下机械臂(5)控制系统由通信系统、机械臂控制器、伺服电机驱动器、机械臂本体以及测速传感器共同构成。通信总线由主控中心出发，负责建立主控中心与各模块之间的通信联系，进行指令与数据的传输。机械臂控制器负责接收由主控中心发送来的指令并进行解码，根据解码结果按照对机械臂关节进行驱动控制。伺服电机驱动器负责每个关节伺服电机的驱动，以完成计划任务。转速测量传感器用于实时反馈伺服电机的转动情况，为电机控制器提供反馈信息，以更好的进行电机控制。
3、辅助调节装置(6)
根据水下机器人与水下机械臂(5)的质量配比关系，确定辅助调节装置(6)的滑块质量和滑杆长度。由于水下机械臂(5)的主要工作面是在水下机器人的垂直面内，水下机器人在升沉方向的面积相对较大，维持自身的惯性也较大，本发明设计的辅助调节装置(6)为单自由度，仅能够在平行水下机器人艏(4)艉(2)方向上运动。这样水下机械臂(5)在运动作业时，辅助调节装置(6)可以对纵倾方向的扰动进行调整和补偿。
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
如图1所示，该系统由三部分组成：水下机器人、水下机械臂(5)和辅助调节装置(6)。水下机器人是无缆型的自主式水下机器人，采用单推进器(7)和十字舵组合的方式来完成水下机器人姿态和运动的控制，而在垂直方向和侧向不布置推进器(7)，是一种欠驱动系统。水下机械臂(5)是一种四自由度五功能的水下机械臂(5)，由两个回转关节、两个摆动关节和一个机械手抓(5.6)组成，当水下机械臂(5)不使用的时候可以完全回收到水下机器人底部，使得本体所受阻力最小。辅助调节装置(6)安装在水下机器人的后侧下方的一个丝杠滑块机构，由一个伺服电机驱动，滑块上安装重物，能够进行往复运动，实现补偿水下机械臂(5)在运动过程时对水下机器人重心纵向变化影响，进而稳定水下机器人姿态。
水下机械臂(5)的底部两端有安装孔，该安装孔与水下机器人内部的水下机械臂(5)放置的骨架相连，其位置在水下机器人舱内的前部空间里，其余关节通过控制能够从水下机器人底端展开，不工作时能够隐藏在水下机器人的底部舱内。辅助调节系统安装在水下机器人本体后方舱内，该调节系统的电机及丝杠与水下机器人骨架通过螺钉固连，如图1所示。
如图2所示，该水下机器人外型较长，整体圆润光滑，目的是为了减小其在水中受到的水阻力。动力驱动方面，水下机器人在尾部配置一个推进器(7)，负责整体的推进动力提供，并且设计一个尾部十字舵用来进行姿态及转向运动等控制。这样做的目的可以节约能量，提高水下机器人的续航时长。该机器人本体最大直径为0.26m，整体长度为1.6m，采用全身碳纤维结构，提高本体的强度与抗腐蚀能力，以便在条件恶劣的环境中保持较高的稳定性。本发明设计的水下机器人可以完成水下200m以内的作业任务，最大续航时间为5个小时，能够满足常规作业任务的需求。
如图3所示，水下机器人系统分为如下几个子系统。
运动规划与控制系统：根据水下机器人及机械臂上传感器的信息，完成海底作业环境的信息感知，从而进行系统实时的任务规划以及路径规划，再根据规划结果对机械臂及水下机器人进行协调控制，以确保系统可以顺利、安全的完成任务。
导航系统：为系统提供航行与作业过程中的位置、速度与姿态角等相关信息，作为重要的系统量测机构之一，导航系统的精度、稳定性以及环境适应能力会对系统产生很大的影响。
视觉系统：自主式水下机器人的作业过程中，通过对摄像头传回的图像进行视觉图像处理，获得视角范围内的图像信息，就可以进行物体种类信息分析、障碍物的判断等工作，提高水下机器人的安全保障。
电源系统：该水下机器人通过电池组进行供电，最大续航时间为5个小时。
其余系统为机械臂和辅助调节系统。
如图4所示，水下机械臂(5)由4关节组成，包括了一个底部的回转关节、大臂的摆动关节、小臂的摆动关节以及腕部的回转关节。底座安装在水下机器人舱内，回转关节放置在底座内，回转关节连接大臂摆动关节，大臂摆动关节通过连杆连接小臂摆动关节，小臂摆动关节通过连杆连接腕部关节，腕部关节连接手爪。机械臂关节的电气连线通过充油管放置电缆连接，采用内部隐蔽走线的方式，机械臂关节功能如图8所示。机械臂制作材料选用能抵抗腐蚀的材料作为制作原料，本发明选择2a12高强度铝合金作为机械臂的制作材料，选择含有1％锡的海军黄铜最作为齿轮制作原材料。高强度铝合金可在满足机械臂连杆强度以及抗腐蚀能力需求的前提下降低一定的连杆重量。
如图5所示，水下机械臂(5)由通信系统、机械臂控制器、伺服电机驱动器、机械臂本体以及测速传感器共同构成。通信总线由主控中心出发，负责建立主控中心与各模块之间的通信联系，进行指令与数据的传输。机械臂控制器负责接收由主控中心发送来的指令并进行解码，根据解码结果按照对机械臂关节进行驱动控制。伺服电机驱动器负责每个关节伺服电机的驱动，以完成计划任务。转速测量传感器用于实时反馈伺服电机的转动情况，为电机控制器提供反馈信息，以更好的进行电机控制。
如图6所示，根据水下机器人与水下机械臂(5)的质量配比关系，确定辅助调节装置(6)的滑块质量和滑杆长度。由于水下机械臂(5)的主要工作面是在水下机器人的垂直面内，水下机器人在升沉方向的面积相对较大，维持自身的惯性也较大，本发明设计的辅助调节装置(6)为单自由度，仅能够在平行水下机器人艏(4)艉(2)方向上运动。这样水下机械臂(5)在运动作业时，辅助调节装置(6)可以对纵倾方向的扰动进行调整和补偿。
如图7所示，定义惯性坐标系下水下机器人-水下机械臂(5)系统的各个关节位置矢量为κ＝[x,y,z,φ,θ,ψ,θ1,θ2,θ3,θ4]t，运动坐标系下水下机器人-水下机械臂(5)系统的各个关节速度为
其中i4×4是单位矩阵，06×4和04×6是零阵。
进一步定义水下机器人-水下机械臂(5)系统末端执行器在惯性坐标系下和运动坐标系下的位姿向量为ηe＝[ipetiret]t∈r6×1及ηve＝[vpetvret]t∈r6×1。
描述水下机械臂(5)在运动坐标系下的运动方程写为：
水下机器人-水下机械臂(5)系统末端执行器到定系的变换矩阵如下所示：
式中，irv是动系与定系之间的转换矩阵，vre机械臂末端执行器与本体之间的转换关系矩阵，ipv表示本体在定系下的位置矢量，vpe是机械臂末端的在定系下的位置矢量。
水下机器人-水下机械臂(5)系统机械臂末端位置在定系中可表示为：
ipe＝ipv+irvvpe(5)
对上式求导得：
其中
其中[iwv×]为斜对称矩阵，即对于iwv＝[wxwywz[t有
同时，式(7)中用到了两条性质，即对于x,y为矩阵，[x×]y＝-[y×]x和x×y＝-y×x。
对姿态矩阵求导得：
上式推导过程中，用到了等式vri＝irv-1＝irvt,irv[vwe×]irvt＝[irvvwe×]。同时对于绕轴旋转运动有irv＝j2(η2)。
由式(9)得：
结合式(7)和式(10)即可得到水下机器人-水下机械臂(5)系统的运动学模型为：
其中jtask是水下机器人-水下机械臂(5)系统任务空间的雅克比矩阵。