一种水下机器人及平衡调整方法与流程

1.本发明涉及水下机器人领域，具体而言，涉及一种水下机器人及平衡调整方法。


背景技术：

2.目前，通常会使用水下机器人去水下进行作业，例如，通过水下机器人查看水下的情况。此外，在某些情况下，除了需要对水下情况进行查看，还需要对水中的杂物进行处理。例如，水下可以能会有些绳索或塑料袋的物品缠绕在水下工作的设备上，因此需要对这些杂物进行清理。现有水下作业机械手4通常设置的灵活度不好，夹取范围有限，且结构复杂。
3.例如，中国专利(cn202211009260.6)公开了一种水洗机器人的机械抓取装置，其结构仅可进行夹取动作，机械手4无法进行灵活角度调整，使得作业灵活度及抓取范围很大程度上收到限制。
4.因此，现有技术还存在不足，有待进一步发展。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种水下机器人及平衡调整方法，以解决现有的水下机器人无法灵活的调整夹取范围的问题。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.本发明提供的一种水下机器人，包括：
8.机器人本体；
9.纵向推进器，安装在机器人本体上，用于推动机器人上下运动；
10.横向推进器，安装在机器人本体上，用于推动机器人前后移动；
11.机械手，安装在机器人本体上，用于对物体进行剪切或夹取；
12.机械手包括：
13.第一机械臂，可转动的设置在机器人本体上；
14.第二机械臂，可转动的与第一机械臂远离机器人本人的一端连接，第二机械臂用于对物体的剪切或夹取。
15.水下机器人还包括：
16.第一驱动缸，一端与机器人本体连接，另一端与第一机械臂远离机器人本体的一端连接，用于推动第一机械臂进行旋转；
17.第二驱动缸，一端设置与第一机械臂连接，另一端与第二机械臂连接，用于推动第二机械臂旋转。
18.第二机械臂上设置有用于进行夹取的夹取结构，夹取结构包括：
19.夹取安装部，与第二机械臂连接；
20.夹取部，设置在夹取安装部上，用于进行夹取；
21.夹取电机，与夹取部连接，用于驱动夹取部进行夹取；
22.电动缸，一端与夹取部连接，另一端与夹取电机连接，夹取电机驱动电动缸进行伸
缩运动，电动缸推动剪切部进行夹取动作。
23.水下机器人还包括：第三驱动缸，一端设置在第二机械臂内，另一端与夹取安装部连接，用于推动夹取部往远离第二机械臂一侧移动。
24.一种水下机器人平衡调整方法，用于调整任一上述的水下机器人平衡，机械手设置在机器人本体的中轴线位置上，包括以下步骤：
25.实时获取机器人的倾斜角、第一机械臂伸展的第一角度及第二机械臂伸展的第二角度；
26.基于获取的倾斜角、第一角度及第二角度计算机器人本体恢复平衡所需要的合力；
27.基于合力计算出机器人本体上的纵向推进器需要多少的推力，其中，纵向推进器包括第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器安装在机器人本体的前端部，第二组推进器安装在机器人本体的后端部，第一组推进器与第二组推进器推力方向相反；
28.基于第一组推进器及第二组推进器所需要的推力计算出，第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速；
29.基于第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速生成转速信号，并基于转速信号，控制第一组推进器及第二组推进器达到需求转速。
30.基于第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速生成转速信号，并基于转速信号，控制第一组推进器及第二组推进器达到需要的需求转速具体包括：
31.基于第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速生成转速信号，并发送至电源控制模块；
32.基于转速信号，电源控制模块控制电源向第一组推进器及第二组推进器输入需求电流；
33.基于输入的需求电流，第一组推进器及第二组推进器达到需求转速。
34.一种水下机器人平衡调整装置，包括：
35.角度检测模块，用于实时检测机器人的倾斜角、第一机械臂伸展的第一角度及第二机械臂伸展的第二角度；
36.合力计算模块，用于基于检测到的倾斜角、第一角度及第二角度计算机器人本体恢复平衡所需要的合力；
37.推力计算模块，用于基于合力计算出机器人本体上的纵向推进器需要多少的推力，其中，纵向推进器包括第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器安装在机器人本体的前端部，第二组推进器安装在机器人本体的后端部，第一组推进器与第二组推进器推力方向相反；
38.转速计算模块，用于基于第一组推进器及第二组推进器所需要的推力计算出，第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速；
39.控制器模块，用于基于第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速生成转速信号，并基于转速信号，控制第一组推进器及第二组推进器达到需求转速。
40.一种水下机器人平衡调整方法，用于调整上述任一的水下机器人平衡，机械手设置在机器人本体的中轴线位置上，包括以下步骤：
41.实时检测机器人的倾斜角度；
42.判断检测到的倾斜角度是否在预设角度范围内；
43.当倾斜角度不在预设角度范围内时，则基于检测到的倾斜角度生成转速调整信号；
44.基于转速调整信号，实时调控机器人上的纵向推进器的转速，直至倾斜角度在预设角度范围内，纵向推进器的转速由低往高逐渐增加，其中，纵向推进器包括第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器安装在机器人本体的前端部，第二组推进器安装在机器人本体的后端部，第一组推进器与第二组推进器转速方向相反。
45.判断检测到的倾斜角度是否在预设角度范围内之后还包括：当倾斜角度在预设角度范围内时，则保持此时第一组推进器及第二组推进器的转速。
46.控制器基于转速调整信号，实时调控机器人上的纵向推进器的转速，直至倾斜角度在预设角度范围内包括：
47.获取转速调整信号；
48.基于转速调整信号，生成电流输出信号并发送至电源控制模块；
49.基于电流输出信号，电源控制模块控制电源实时向第一组推进器及第二组推进器输入电流；
50.基于输入的电流，第一组推进器及第二组推进器实时调整推进器的转速。
51.一种水下机器人平衡调整装置，包括：
52.角度检测模块，实时检测机器人的倾斜角度；
53.判断模块，用于判断检测到的倾斜角度是否在预设角度范围内；当倾斜角度不在预设角度范围内时，则基于检测到的倾斜角度产生转速调整信号；
54.控制器模块，用于基于转速调整信号，实时调控机器人上的纵向推进器的转速，直至倾斜角度在预设角度范围内，纵向推进器的转速由低往高逐渐增加，其中，纵向推进器包括第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器安装在机器人本体的前端部，第二组推进器安装在机器人本体的后端部，第一组推进器与第二组推进器转速方向相反。
55.本发明的有益效果在于：在机器人本体上设置机械手，机械手包括第一机械臂及第二机械臂，第一机械臂可转轴的设在机器人本体上，第二机械臂可转动的设置在第一机械臂上。通过第一机械臂转动，可以调整机械手的夹取角度及范围，通过第二机械臂的转动，可以使得机械臂的长度及夹取范围进一步扩大。本技术机械手的设置，使得水下机器人的作业范围大大提高，并且可以灵活的调整角度，实现本技术水下机器人远近高低自由变换的夹取水下杂物。
附图说明
56.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
57.图1是本发明水下机器人的结构图
58.图2是本发明高机械手的结构图；
59.图3是本发明机械手的另一视角结构图；
60.图4是本发明设置有第三驱动缸的结构示意图；
61.图5是本发明夹取部的结构图；
62.图6是本发明水下机器人平衡调整方法的流程图；
63.图7是本发明纵向推进器的推力示意图；
64.图8是本发明纵向推进器及机械手的力学分析图；
65.图9是本发明水下机器人倾斜示意图；
66.图10是本发明水下机器人平衡调整的原理图；
67.图11是本发明另一实施例水下机器人平衡调整方法的流程图；
68.图12是本发明另一实施例水下机器人平衡调整的原理图。
69.其中附图标记为：1-机器人本体、2-横向推进器；3-纵向推进器、301-第一推进器、302-第二推进器、303-第三推进器、304-第四推进器；4-机械手、401-第一机械臂、4011-第一板块、4012-第二板块、4013-第一旋转轴、4014-第二旋转轴、4015-第一推动轴、4016-第二推动轴、4017-第三推动轴、4018-中间轴、402-第二机械臂、4021-连接板、4022-连接杆、403-夹取结构、4031-夹取安装部、4032-夹取部、4033-第一钳子、4034-第二钳子、4035-固定座、4036-连接座、4037-第一连接件、4038-第二连接件5-第一驱动缸、6-第二驱动缸、7-第三驱动缸、8-底座；100-角度获取模块、200-合力计算模块、300-推力计算模块、400-转速计算模块、500-控制模块、600-判断模块。
具体实施方式
70.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
71.现有的水下机器人基本智能进行基本夹取动作，有些水下机器人的夹取力度、夹取精度或夹取方便程度，通过结构的设置可能的很好；但基本都只是局限于在夹取物品上，无法对便利的夹取范围及角度进行调整，其夹取灵活度价差，并且基本是需要通过复杂的结构设计，来实现简单夹取动作。
72.基于以上问题，参考图1至图3，本技术提供一种水下机器人，通过结构个简单的机械手4来实现对远近高低的物品进行夹取或剪切。本技术水下机器人，包括：机器人本体1、横向推进器2、纵向推进器3及机械手4。纵向推进器3安装在机器人本体1上，用于推动机器人上下运动；横向推进器2安装在机器人本体1上，用于推动机器人前后移动；机械手4，安装在机器人本体1上，用于对物体进行剪切或夹取；
73.机械手4包括第一机械臂401及第二机械臂402。第一机械臂401，可转动的设置在机器人本体1上；第二机械臂402，可转动的与第一机械臂401远离机器人本人的一端连接，第二机械臂402用于对物体的剪切或夹取。
74.具体地，机械手4安装在机器人本体1的一侧，在机器人本体1上设置机械手4，机械手4包括第一机械臂401及第二机械臂402，第一机械臂401可转动的设在机器人本体1上，第二机械臂402可转动的设置在第一机械臂401上。通过第一机械臂401转动，可以调整机械手4的夹取角度及范围，通过第二机械臂402的转动，可以使得机械臂的长度及夹取范围进一步扩大。本技术机械手4的设置，使得水下机器人的作业范围大大提高，并且可以灵活的调
整角度，实现本技术水下机器人远近高低自由变换的夹取水下杂物。
75.具体地，在机器人本体1上的前端的底板上设置底座8，第一机械臂401安装在可旋转的该底座8上，以将第一机械臂401紧固在机器人上。然后将第二机械臂402安装在第一机械臂401远离机器人本体1的一端，第一机械臂401相对于第二机械臂402可进行旋转。通过第一机械臂401绕底座8转动，以推动第一机械臂401的可以往更远处进行夹取工作；此外，通过第二机械臂402绕第一机械臂401旋转，使得机械手4可进一步往远处伸展进行夹取工作。通过第一机械臂401及第二机械臂402的旋转，使得本技术的机械手4能够实现伸缩自由，灵活的进行夹取工作。
76.在一些实施方式中，参考图2至图4，水下机器人还包括第一驱动缸5及第二驱动缸6，第一驱动缸5的一端与机器人本体1连接，另一端与第一机械臂401远离机器人本体1的一端连接。第一驱动缸5用于推动第一机械臂401进行旋转绕底座8旋转。第二驱动缸6的一端与第一机械臂401连接，另一端与第二机械臂402连接，用于推动第二机械臂402旋转。
77.具体地，第一驱动缸5与第二驱动缸6可以为气缸、油缸或电动缸。通过第一驱动缸5及第二驱动缸6的伸缩运动，以对应推动第一机械臂401及第二机械臂402转动。第一驱动缸5与第二驱动缸6均为三级缸设置，即均包括第一级缸、第二级缸及第三级缸，其中，第二级缸在第一级缸内进行伸缩运动，第三级缸可以在第二级缸内进行伸缩运动。通过第一驱动缸5与第二驱动缸6的三级缸进行伸缩运动，以对应的使第一机械臂401及第二机械臂402的转动。
78.具体地，第一机械臂401包括板块、四根销轴及中间轴4018，板块包括相互平行设置的第一板块4011及第二板块4012，四根销轴分别为第一旋转轴4013、第二旋转轴4014、第一推动轴4015及第二推动轴4016。通过四根销轴插设在板块的四角，及在板块的中间插设有一根中间轴4018，以使得第一板块4011及第二板块4012相互固定。第二机械臂402包括依次连接的连接板4021、连接杆4022及夹取结构403，连接板4021与第一机械臂401连接，该连接板4021上插设有第三推动轴4017。
79.其中，板块的四角上的销轴中，第一旋转轴4013在穿过板块同时，也穿过底座8，板块以该第一旋转轴4013为轴线绕底座8进行旋转。在该第一旋转轴4013的对角线的轴为第二旋转轴4014，第二机械臂402的连接板4021设置在第一板块4011及第二板块4012之间，第二旋转轴4014在穿过板块的同时穿过连接板4021，使得第二机械臂402以第二旋转轴4014为轴线绕第一机械臂401转动。
80.第一驱动缸5的一端与底座8连接，另一端与第一推动轴4015连接，通过第一驱动缸5伸缩运动，对第一推动轴4015施加力，来实现第一机械臂401的转动。第二驱动缸6的一端与第二推动轴4016连接，另一端与第三推动轴4017连接，通过第二驱动缸6的伸缩运动，来对第三推动轴4017施加力，来实现第二机械臂402的转动。
81.在一些实施方式中，参考图2至图4，夹取结构403包括：
82.夹取安装部4031，与第二机械臂402连接；
83.夹取部4032，设置在夹取安装部4031上，用于进行夹取；
84.夹取电机，与夹取部4032连接，用于驱动夹取部4032进行夹取；
85.电动缸，一端与夹取部4032连接，另一端与夹取电机连接，夹取电机驱动电动缸进行伸缩运动，电动缸推动剪切部进行夹取动作。
86.具体地，夹取安装部4031可拆卸的安装在连接杆4022上，连接杆4022与连接板4021连接，连接板4021则如上与第一机械臂401连接。其中，夹取部4032安装在夹取安装部4031上，电动缸可设置在连接杆4022内，并且从连接杆4022内延伸出来与夹取部4032连接；夹取电机可设置为微型电机，设置在连接杆4022内，夹取电机与电动缸连接；通过夹取电机驱动电动缸做伸缩运动，电动缸推动夹取部4032的张开与闭合，进而实现夹取部4032的夹取多做。
87.参考图3至图5，夹取部4032包括夹钳、固定座4035及连接座4036，夹钳包括第一钳子4033及第二钳子4034。固定座4035安装在夹取安装部4031上，固定座4035远离夹取安装部4031的一侧设置有挖空结构，连接座4036从该挖空结构处插入，并穿过固定座4035至夹取安装部4031上，连接座4036位于挖空结构内。
88.第一钳子4033的一端通过第一连接件4037与连接座4036连接，第二钳子4034的一端通过第一连接件4037与连接座4036连接，第一钳子4033及第二钳子4034的另一端通过张开及闭合来实现夹取。第一钳子4033及第二钳子4034的还与固定座4035远离夹取安装部4031的一侧连接，固定座4035对第一钳子4033及第二钳子4034起到定位作用。
89.在一些实施方式中，参考图4，水下机器人还包括第三驱动缸7，第三驱动缸7的一端设置在第二机械臂402内，夹取安装部4031安装在第三驱动缸7的另一端，第三驱动缸7通过伸缩运动用于推动夹取部4032往远离第二机械臂402一侧移动。通过第三驱动缸7的伸缩运动，推动夹取结构403的移动，以调整夹取结构403的夹取范围。此种方案下，电动缸穿过第三驱动缸7与夹取部4032连接。
90.本技术通过第一驱动缸5驱动第一机械臂401转动，第二驱动缸6驱动第二机械臂402转动，第三驱动缸7驱动夹取结构403的移动，以实现机械手4的三段位移，使得本技术的机械手4能够灵活调整夹取范围及夹取角度，提高了水下机器在夹取工作的中灵活度，进而适应不同夹取要求。
91.现有的水下机器人一般在下水前，都会调整其平衡度，以使得机器人在水平能保持平衡。也即是说，正常情况下，水下机器人在水中是处于平衡状态来对水下情况进行探测，但由于在水下机器人上安装了机械臂后，避让使得水下机器人的重心发送转移，进而使得水下机器人会向前部倾斜(安装有机械臂一侧为前部)，产生倾斜角。在解决水下机器人在水中机械手的夹取范围及调整灵活度问题后，为使得安装有机械手的水下机器人恢复平衡，本技术提供一种水下机器人平衡调整方法。
92.参考图1，本技术方案将机械臂安装在水下机器人的中轴线上，当安装在水下机器人上的机械手4展开后，导致水下机器人向前部倾斜，由于机械手4是安装在水下机器人的中轴线上，因此当机器人发生倾斜后，基本仅是向前倾斜，左右基本不会产生偏移，即便机器人有向左右产生一点偏移，那也是很小的角度，基本可以忽略。因此，本技术仅考虑机器人向前倾斜的情况下，使机器人恢复平衡。
93.参考图1、图3及图5，一种水下机器人平衡调整方法，包括以下步骤：
94.s100：实时获取机器人的倾斜角、第一机械臂401伸展的第一角度及第二机械臂402伸展的第二角度。
95.具体地，由于机械手4的缘故，使得机器人重心发生偏移，机器人向前倾斜并产生倾斜角，在机器人的控制舱内，设置一个用于检测角度的陀螺仪，陀螺仪实时检测机器人的
倾斜角。
96.此外，在第一机械臂401及第二机械臂402上均设置有磁编码器，对应的在水下机器人上设置有第一电机、第二电机、第一伺服驱动控制器及第二伺服驱动控制器。通过第一伺服驱动控制器及第二伺服驱动控制器分别对应控制第一电机及第二电机的转动，第一电机驱动第一驱动缸5运动，第一驱动缸5则推动第一机械臂401转动；同理，第二电机驱动第二驱动缸6运动，第二驱动缸6推动第二机械臂402转动。通过给定指令，控制第一电机及第二电机的旋转圈数，在第一电机及第二电机转动的过程中，从两个磁编码器分别记录或读取第一电机及第二电机转动的圈数，而第一电机及第二电机旋转圈数则对应第一机械臂401及第二机械臂402转动的角度。
97.s200：基于获取的倾斜角、第一角度及第二角度计算机器人本体1恢复平衡所需要的合力。
98.在获取到机器人的倾斜角、第一机械臂401转动的第一角度及第二机械臂402转动的第二角度后，对机器人进行力学分析，求出机器人若要回复平衡，需要多大的力。
99.参考图1和图8，由于机器人是向前倾斜，因此，要保证在机器人的前部朝上且垂直机器人方向施加一定力，及在机器人的后部朝下且垂直机器人方向施加一定力，以形成力矩，该力矩是为机器人前部与后部的合力。下面需要计算，机器人的前部及后各需要多少力。
100.s300：基于合力计算出机器人本体1上的纵向推进器3需要多少的推力，其中，纵向推进器3的数量设置为四个，包括第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器安装在机器人本体1的前端部，第二组推进器安装在机器人本体1的后端部，第一组推进器与第二组推进器推力方向相反。
101.具体地，现有的水下机器人，基本上设置有八个推进器，即横向推进器2四个，用于控制机器人的前后移动，纵向推进器3四个，用于控制机器人的上下移动。由于机器人向前倾斜，根据力学原理可知，需要在机器人的前部朝上垂直机器人方向施加力，以及在机器人的后部朝下且垂直机器方向施加力，可使得机器人恢复平衡，因此本技术仅考虑四个纵向推进器3的运动，来调整机器人恢复平衡。
102.纵向推进器3包括第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器包括机器人前部的两个推进器，即第一推进器301及第二推进器302，第二组推进器包括机器人后部的两个推进器，即第三推进器303及第四推进器304，四个推进器分别位于机器人的四角。
103.需要说明的是，本技术中，说明第一组推进器与第二组推进器推力方向相反，指的是第一组推进器推动机器人朝上运动，实现在机器人的前部朝上且垂直机器人方向产生推力，第二组推进器推动机器人朝下运动，实现在机器人后部朝下且垂直机器人方向产生推力，如此，形成的力矩才能使得机器人恢复平衡，下同。
104.根据力矩分析，要使得机器人恢复平衡，则需要机器人的第一组推进器及第二组推进器的推力相等方向相反，因此所求出的合力为第一组推进器及第二组推进器的合力，即第一推进器301及第二推进器302与三推进器及第四推进器304的合力，而为了避免机器人发生左右倾斜，因此第一推进器301与第二推进器302的推力要相等，第三推进器303及第四推进器304的推力要相等。综上可知，第一推进器301、第二推进器302、第三推进器303及第四推进器304的推力均相等，而要使得四个推进器的推力相等，则需要使得四个推进器的
转速相同。
105.s400：基于第一组推进器及第二组推进器所需要的推力计算出，第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速。
106.推进器的推力由推进器的转速决定，推进器有多大的转速，则能够产生多大的推力。当得知了第一组推进器及第二组推进器所需要的推力后，则可根据需要的推力计算出第一组推进器及第二组推进器需要转速。
107.控制推进器的转速方式有多种，例如，可以通过功率或电流来调控推进器的转速，本实施例中，可以通过电流的供给来控制推进器的转速。
108.s500：基于第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速生成转速信号，并基于转速信号，控制第一组推进器及第二组推进器达到需求转速。
109.具体地，步骤s500包括：
110.s501：基于第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速生成转速信号，并发送至电源控制模块；
111.s502：基于转速信号，电源控制模块控制电源向第一组推进器及第二组推进器输入需求电流；
112.s503：基于输入的需求电流，第一组推进器及第二组推进器达到需求转速。
113.当计算出第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速后，就需要满足第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速，并将该需求发送至控制器模块500，控制器模块500发送转速信号发送至电源控制模块，电源控制模块在收到转速信号后，则会根据该转速信号控制电源向第一组推进器及第二组推进器提供能够满足所需要转速的需求电流，当向第一组推进器及第二组推进器提供了需求电流后，第一组推进器及第二组推进器则就能够达到需求转速，而所需要的需求转速，则对应的能为推进器提供恢复平衡的推力，从而实现机器人恢复平衡。
114.下面提供一种具体实施方式，来对本技术水下机器人恢复平衡所需要的推力、需求转速及需求电流的计算进行详细说明：
115.本技术将机械手4安装在机器人底部中轴线上，下水前机械手4是收缩折叠，下水后机械手4展开，使得机器人向前部倾斜。
116.本技术设置第一机械臂401手的旋转角度范围α＝0-90
°
，第二机械臂402的旋转角度范围β＝0-135
°
。将第一机械臂401及第二机械臂402的旋转角度设置为该范围，是为适应环境，及在实际的使用中该角度范围也已经足够使用了。
117.参考图1、图6至图9，机械手4在机器人下水之前配置平衡，零浮力，这时机器人的浮心在a点，理想的浮心在四个纵向推进器3对角中心位置的下方，所以四个纵向推进器3对浮心a的力臂是相等的。
118.机械手4展开后，机械手4的中心在b点，相对浮心a点力矩为：
119.m＝g
×
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(1)
120.其中，m为力矩，g为机械手4的重力，l0为机械手4折叠收起时重心相对浮心的水平力臂距离。
121.机械手4装配在机器人底部中轴线上，机械手4在伸出时，基本是沿着中轴线方向进行展开。第一机械臂401旋转第一角度为α，第二机械臂402旋转的角度为β，此处在第一机
械臂401及第二机械臂402内置有磁编码器，通过给定指令，第一伺服驱动控制器及第二伺服驱动控制器驱动第一电机及第二电机转动，而第一电机及第二电机的转动圈数对应第一机械臂401及第二机械臂402旋转的角度。
122.基于受力分析可知第一机械臂401及第二机械臂402相对浮心a的力矩。
123.第一机械臂401相对浮心a的力矩为：
[0124][0125]
第二机械臂402相对浮心a的力矩为：
[0126][0127]
其中，m1为第一机械臂401相对浮心a的力矩，m2为第二机械臂402相对浮心a的力矩，g为机械手4的重力，α为第一机械臂401旋转的角度(第一角度)，β为第二机械臂402旋转的角度(第二角度)，l为第一机械臂401及第二机械臂402的臂长(机械臂为实物，根据实际使用中进行选择，本实施例中，取第一机械臂401与第二机械臂402等长)，l0为机械手4折叠收起时重心相对浮心的水平力臂距离。
[0128]
通过第一机械臂401及第二机械臂402的旋转伸展，第一机械臂401的旋转角度为α，第二机械臂402的旋转角度为β，其形成力矩变化量δm为：
[0129][0130]
其中，β可能小于α，由机械手4打开范围决定；g为机械手4的重力。
[0131]
由于机械手4伸展导致机器人向前部倾斜，且机械手4安装在机器人的中轴线上，因此机器人的倾斜基本是朝向前倾斜，不会左右偏移。即便机器人有左右偏移，其偏移角度也很小，基本可以忽略，因此本实施例中，仅考虑从机器人的前部朝上且垂直机器人方向施加力，及从机器人的后部朝下且垂直机器人方向施加力，形成力矩，使得机器人恢复平衡。
[0132]
参考图1、图6至图8，第一组推进器及第二组推进器均为两个一组，第一组推进器包括第一推进器301及第二推进器302，第二组推进器包括第三推进器303及第四推进器304，对应的第一推进器301、第二推进器302、第三推进器303及第四推进器304分别对应产生的推力为f1、f2、f3、f4。
[0133]
要使机器人恢复平衡，该力矩需要保持(f1+f2)＝(f3+f4)，且需要(f1+f2)加与(f3+f4)的力相反。要使得第一组推进器的推力与第二组推进器的推力相反，使第一组推进器与第二推进器302的旋转方向相反即可。例如，第一组推进器正转，产生与机器人垂直向上的推力，第二组推进器反转，产生与机器人垂直向下的推力。
[0134]
另外，为了避免机器人发生左右翻转，因此需要保持f1＝f2，f3＝f4；结合(f1+f2)＝(f3+f4)可知，f1＝f2＝f3＝f4。
[0135]
参考图8及图9，下面从力学分析的角度，来说明第一组推进器及第二组推进器的
推力相反。四个纵向推进器3形成推力力矩和为：
[0136][0137]
其中，m
合
为合力，l为四个推进器与浮心a的水平垂直距离，为机器人向前部倾斜的倾斜角。
[0138]
根据力学原理可知，四个纵向推进器3的合力等于力矩的变化量，即：
[0139]
δm＝m
合
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0140]
根据力学分析可知：
[0141][0142]
f1＝f3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0143]
结合公式(7)和(8)可知，第一组推进器及第二组推进器的推力相反，且f1＝f2＝f3＝f4：
[0144]
结合公式(5)及(8)可知：
[0145][0146]
结合公式(9)、公式(6)及公式(4)可知：
[0147][0148]
根据公式(10)可计算出，第一推进器301的推力：
[0149][0150]
由此，根据获取的第一角度α、第二角度β及倾斜角即可计算出第一推进器301的推力f1。根据f1＝f2＝f3＝f4，则相应得知f2、f3、f4。
[0151]
在得出第一推进器301需要的推力f1后，则就需要计算出第一推进器301需要多少的转速才能达到推力f1。根据推力公式可求出转速v，推力公式为：
[0152]
f1＝k1×v2
(12)
[0153]
根据推力公式(12)计算需求转速v为：
[0154][0155]
其中，k1为第一推进器301的推力与需求转速v的线性对应关系系数，由理论计算及实际测量修正确定；v为第一推进器301达到推力f1所需要的需求转速。
[0156]
需要说明的是，k1为通过机器人上的各项已知参数进行计算得出，不同的机器人的k1值不同，本实施例中，采用600w的推进器，通过计算将k1输入机器人内进行计算。当在其他实施例中，使用另一款机器人时，则可再通过计算得出k1值，并输入机器人即可。k1的计算为本领域惯常手段，本实施例中不再进行扩展。
[0157]
另外，在求得需求转速v后，可通过控制器控制第一推进器301达到该需求转速，以
为第一推进器301提供f1的推力。本实施例中，采用通过电流的方式来调控推进器的需求转速。因此，在求得需求转速v后，则需要计算出，第一推进器301达到需求转速v需要多大的电流。根据推进器功率计算公式，计算第一推进器301达到需求转速v需要的需求电流，推进器功率计算公式为：
[0158]
p＝k
2v3
(14)
[0159]
根据公式(14)及电学原理可知：
[0160]
p＝ui
[0161][0162]
因此，结合公式(11)至公式(15)可知，需求电流为：
[0163][0164]
其中，p为达到需求转速v需要的功率，i为达到需求转速v需要的电流，k2为第一推进器301的功率与需求转速v的线性对应关系系数，由理论计算及实际测量修正确定，其计算方式与k1同理。u为电机提供的输入电压，为已知额定值，本技术输入电压u为26.8v。
[0165]
根据公式(16)，在获取到第一角度α、第二角度β及倾斜角后，即可计算出第一推进器301达到需求转速v的需求电流i。而四个纵向推进器3的推力需要相同，因此，在获取第一角度α、第二角度β及倾斜角后，即可对应求出需要电流i，以使得第一组推进器及第二组推进器均达到需求电流i，进而均达到需求转速v，使得第一组推进器与第二组推进器保持旋转方向相反，推力相反且相等的转动，以使得机器人恢复配合。
[0166]
进一步地，为了调控第一推进器301及第二推进器302的转速，则对第一推进器301及第二推进器302输入对应的需求电流，在计算出需求电流后，将该需求电流与推进器需要的推力进行记录并生成推力电流表。该推力电流表可通过实验及计算进行得出，即通过计算得出推进器需求推力、需求转速及需求电流等数据，然后将该数据存储记录成表格。在实际使用时，若计算出推进器需要多少推力机器人才能恢复平衡后，则对应表格找到相应的需求电流，并为推进器提供该需求电流，进而能够为纵向推进器3提供使机器人恢复平衡的推力。例如，当计算出第一推进器301及第二推进器302各需要13.5n的力时及第二推进器302及第三推进器303需要13.5n的反力时，则通过该推力电流表可知，要使得第一推进器301、第二推进器302、第三推进器303及第四推进器304到达13.5n的推力，则需要1272每秒的转速，对应的则需要5.24a的电流，参见下面推力电流表。
[0167]
根据述公式(1)至(16)，可求出本技术水下机器人恢复平衡所需要的推力、需求转速及需求电流。本技术通过实验对需要的推力、需求转速及需求电流进行计算，并将数据进行记录对应编制呈推力电流表，推力电流表如下：
[0168][0169][0170]
以上推力电流表为实验的部分数据，根据实验的次数增多可获取更多的数据，实验次数无法穷尽，因此，本技术取部分数据。
[0171]
由于，要使得机器人时刻保持平衡；因此，是实时的在获取机器人的倾斜角、第一机械臂401伸展的第一角度及第二机械臂402伸展的第二角度，并且，随着第一机械臂401及第二机械臂402伸展的角度逐渐增大，因此，使机器人保持平衡需要的力也逐渐增大，对应需要推进器更快的转速。
[0172]
参见推力电流表可知，随着α及β的增大，为了保持机器人的平衡，推力f1也需要逐渐增大，推进器需要的需求转速也相应提高，对应的，需要提供更大的电流。从推力电流表可以看到，机器人始终保持1至2度倾斜角，也就是说，第一组推进器及第二组推进器时刻在
调整转速，以提供相应的推力，保证机器人的倾斜角在1至2度之间。理论上来说，要使得机器人恢复到平衡，是要使得机器人的倾斜角为0度，但机器人或机械手4是动态的，因此，在实际的使用中，机器人也是动态平衡，并非是绝对平衡。而能够使得机器人的倾斜角保持至1至2度之间，基本可以视机器人为平衡状态，不影响机器人的工作。
[0173]
本技术方法主要优点在于，无需额外设置其它平衡结构，来保持机器人的平衡，通过自身的纵向推进器3即可实现机器人恢复平衡，在材料上不会增加成本；在结构上，不需要增加其它额外结构，使的本技术方法不会为了解决机器人恢复平衡的问题，而使得机器人的结构更为复杂。
[0174]
实施例中，参考图1、图6及图10，本技术提供一种水下机器人平衡调整装置，包括：
[0175]
角度检测模块100，用于实时检测机器人的倾斜角、第一机械臂401伸展的第一角度及第二机械臂402伸展的第二角度；
[0176]
合力计算模块200，用于基于检测到的倾斜角、第一角度及第二角度计算机器人本体1恢复平衡所需要的合力；
[0177]
推力计算模块300，用于基于合力计算出机器人本体1上的纵向推进器3需要多少的推力，其中，纵向推进器3包括第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器安装在机器人本体1的前端部，第二组推进器安装在机器人本体1的后端部，第一组推进器与第二组推进器推力方向相反；
[0178]
转速计算模块400，用于基于第一组推进器及第二组推进器所需要的推力计算出，第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速；
[0179]
控制器模块500，用于基于第一组推进器及第二组推进器所需要的需求转速生成转速信号，并基于转速信号，控制第一组推进器及第二组推进器达到需求转速。
[0180]
本技术通过检测获取机器人的倾斜角、第一机械臂401转动的第一角度及第二机械臂402转动的第二角度，根据倾斜角、第一角度及第二角度计算出机器人恢复平衡需要的推力，根据推力计算出达到该推力需要的需求转速。然后通过控制器模块500控制第一组推进器及第二组推进器达到所需要的需求转速，以达到对应的推力，使得机器人恢复平衡。具体过程，参见上述方法。
[0181]
以上为通过检测机器人的倾斜角、第一机械臂401的旋转角度及第二机械臂402的旋转角度来计算出，机器人恢复平衡需要的各项数据。该方式较为快速，根据检测到的角度来计算出机器人恢复平衡需要的推力、转速及电流。但该方式涉及大量的计算及需要通过不断的实验，使用起来较为复杂。因此，基于上述问题，本技术提供另一水下机器人平衡调整方法，来调整机器人恢复平衡状态。
[0182]
参考图1及图11，一种水下机器人平衡调整方法，用于调整上述水下机器人平衡，机械手4设置在机器人本体1的中轴线位置上，方法包括以下步骤：
[0183]
s1：实时检测机器人的倾斜角度；
[0184]
s2：判断检测到的倾斜角度是否在预设角度范围内；
[0185]
s3：当倾斜角度不在预设角度范围内时，则基于检测到的倾斜角度产生转速调整信号，并发送至控制器；
[0186]
s4：控制器基于转速调整信号，实时调控机器人上的纵向推进器3的转速，直至倾斜角度在预设角度范围内，纵向推进器3的转速由低往高逐渐增加，其中，纵向推进器3包括
第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器安装在机器人本体1的前端部，第二组推进器安装在机器人本体1的后端部，第一组推进器与第二组推进器转速方向相反。
[0187]
本技术实时的检测机器人倾斜角度，当检测到机器人有倾斜角度时，则说明机器人处于倾斜状态；此时，则判断该倾斜角是否在预设的范围内，若该倾斜角不在预设范围内，则机器人的倾斜角过大，需要对机器人进行调整。根据转速调整信号，控制器控制第一组推进器及第二组推进器的转速逐渐增大，直至机器人检测到倾斜角在预设范围内，此时则说明机器人基本恢复平衡。
[0188]
需要说明的是，第一组推进器及第二组推进器的推力相反，使得第一组推进器及第二组推进器之间的推力形成力矩，以推动机器人恢复平衡。实现第一组推进器及第二组推进器之间推力的相反，通过第一组推进器及第二组推进器正反转即可。例如，第一组推进器正转，以实现从机器人的前部下方垂直机器人朝上产生推力；第二组推进器反转，以实现从机器人的后部上方垂直机器人朝下产生推力，直至倾斜角度在预设角度范围内。
[0189]
在设置预设角度范围是因为机器人有些许的倾斜，也并不影响机器人的整体平衡性；另外，在实际工作中，也很难保持机器人的完全平衡，因此，设置一个预设角度范围内，只要机器人的倾斜角在预设范围内，则不认为是倾斜状态。一般的可将预设角度范围设置为-5至5度之间。之所以预设角度范围包含为-5至0度，是因为在推进器的转速增大过程中，可能出现，机器人往后倾斜的情况；也就是，由于推进器产生的推力过大，使得机器人前部比后部高，而角度-5至0度的范围内，是机器人正常工作可以接受的。
[0190]
本方法无需过多复杂的计算及受力分析，即可实现机器人恢复平衡。相对于现有技术，也无需其它辅助结构实现机器人恢复平衡，通过自身的推进器转速变换，即可实现机器人恢复平衡。
[0191]
在一些实施方式中，在步骤s2之后还包括：
[0192]
s5：当倾斜角度在预设角度范围内时，则保持此时第一组推进器及第二组推进器的转速。
[0193]
具体地，在逐渐提高第一组推进器及第二组推进器转速的过程中，就等于是在逐渐提高对机器人前部及后部的推力，直至机器人恢复平衡。当第一组推进器及第二组推进器转速提高到，使得机器人的倾斜角在预设角度范围内时，则说明机器人基本已经恢复平衡，此时，第一组推进器及第二组推进器则按照该平衡转速转动。
[0194]
具体的，步骤s4包括：
[0195]
s41：获取转速调整信号；
[0196]
s42：基于转速调整信号，生成电流输出信号并发送至电源控制模块；
[0197]
s44：基于电流输出信号，电源控制模块控制电源实时向第一组推进器及第二组推进器输入电流；
[0198]
s44：基于输入的电流，第一组推进器及第二组推进器实时调整推进器的转速。
[0199]
本实施例中，通过电流对第一组推进器及第二组推进器的转速进行调控，基于转速调整信号生成电流输出信号，并发送至电源控制模块；电源控制模块基于电流输出信号，控制电源向第一组推进器及第二组推进器输入电流，输入的电流越大，第一组推进器及第二组推进器的转速则越快，更快的转速使得第一组推进器及第二组推进器能够产生更大的推力。因此，从低至高的顺序，调控第一组推进器及第二组推进器输入电流，直至机器人的
倾斜角在预设角度范围内。
[0200]
参考图1、图11及图12，一种水下机器人平衡调整装置，包括：
[0201]
角度检测模块100，实时检测机器人的倾斜角度；
[0202]
判断模块600，用于判断检测到的倾斜角度是否在预设角度范围内；当倾斜角度不在预设角度范围内时，则基于检测到的倾斜角度产生转速调整信号，并发送至控制器；
[0203]
控制器模块500，用于基于转速调整信号，实时调控机器人上的纵向推进器3的转速，直至倾斜角度在预设角度范围内，纵向推进器3的转速由低往高逐渐增加，其中，纵向推进器3包括第一组推进器及第二组推进器，第一组推进器安装在机器人本体1的前端部，第二组推进器安装在机器人本体1的后端部，第一组推进器与第二组推进器转速方向相反。
[0204]
具体地，角度检测模块100可以为陀螺仪，判断模块600可设置为单片机。陀螺仪与单片机之间连接进行数据传输，单片机获取陀螺仪检测的角度数据后，通过其内部程序判断该角度是否在预设角度范围内，当判断出该角度不在预设角度范围内时，则向控制器发送转速调整信号，根据转速调整信号，控制器控制机器人上的第一组推进器及第二组腿架的转速逐渐增加，直至陀螺仪检测到倾斜角度在预设角度范围内。
[0205]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。