本發(fā)明涉及海上船舶作業(yè)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有主動補償功能的波浪補償機器人系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著我國海洋工程產(chǎn)業(yè)不斷的發(fā)展，海洋平臺或船舶越來越頻繁地進行著海上的作業(yè)，其作業(yè)范圍從近海走向深海，甚至超深海，作業(yè)的難度也隨之增大。由于風浪的影響，在海上作業(yè)和行駛途中的船舶都會隨著風浪做無規(guī)律的搖擺，這些搖擺會導致船舶的相對位置發(fā)生變化。同時，也會產(chǎn)生作業(yè)效率低下，人員安全存在隱患等問題。所以，如何去除風浪引起的擾動即風浪引起的橫搖、縱搖和升沉，提高海上作業(yè)的安全平穩(wěn)和高效，對實際工程和科學研究有著重大的意義。

目前，波浪補償技術(shù)主要運用于海上補給、海上貨物起吊和運送作業(yè)人員登靠風電塔等。并且，大多數(shù)采用體積較大的并聯(lián)平臺形式進行波浪補償，串聯(lián)形式的波浪補償裝置主要以具有波浪補償功能的起重機為主。并聯(lián)平臺的自身質(zhì)量較大，工作范圍較小。并聯(lián)平臺和波浪補償起重機在海上作業(yè)過程中，對于完成物體的抓取和運送的功能還需要不斷開發(fā)和完善。同時，二者由于體積較大安裝完成之后，不易于移動也無法放進防腐蝕的殼體內(nèi)?，F(xiàn)有裝置能夠?qū)崿F(xiàn)的功能比較單一，現(xiàn)階段上還未有一種具有波浪補償功能的通用裝置或系統(tǒng)，能夠同時實現(xiàn)船舶行進途中吊放貨物、運送人員和海上補給等功能。

如中國專利201610617770 .X所述的一種波浪補償專用機器人，具有小臂、手腕機構(gòu)、末端執(zhí)行器驅(qū)動器和末端執(zhí)行機構(gòu)，小臂前端連接手腕機構(gòu)后端，手腕機構(gòu)前端剛性連接末端執(zhí)行器驅(qū)動器，末端執(zhí)行器驅(qū)動器連接末端執(zhí)行機構(gòu)，初始位置時的手腕機構(gòu)平行于艦船甲板，手腕機構(gòu)前端指向船頭正前方向，其特征是：手腕機構(gòu)的后端包含第一、第二驅(qū)動器，前端包含一個差動機構(gòu)和兩個支撐臂，中間是支撐架，支撐架與小臂前端固接，支撐架的中間位置固聯(lián)驅(qū)動框架，第一、第二驅(qū)動器在驅(qū)動框架的左、右兩側(cè)相對布置且共同連接驅(qū)動框架，第一、第二驅(qū)動器的中心軸均左右水平布置；支撐架的前側(cè)方固接一左一右布置的兩個支撐臂，兩個支撐臂之間是差動機構(gòu)；差動機構(gòu)由四個錐齒輪、一個偏轉(zhuǎn)軸和兩個俯仰主動軸組成，偏轉(zhuǎn)軸上下垂直布置，第一、第二俯仰主動軸中心線共線、與偏轉(zhuǎn)軸的中心線相垂直且一左一右對稱布置在偏轉(zhuǎn)軸的兩側(cè)，第一、第二俯仰主動軸的一端共同能轉(zhuǎn)動地連接差動機構(gòu)支撐塊，另一端支撐在同側(cè)對應的支撐臂上，偏轉(zhuǎn)軸的中間段同軸間隙穿過差動機構(gòu)支撐塊的中心孔，偏轉(zhuǎn)軸的上段上通過軸承同軸連接第三錐齒輪，偏轉(zhuǎn)軸的下段上同軸固定連接第一錐齒輪；第一俯仰主動軸上同軸固定套裝相互固接在一起的第二錐齒輪和第一帶輪，第二俯仰主動軸上同軸固定套裝相互固接在一起的第四錐齒輪和第三帶輪，第一錐齒輪與第二錐齒輪、第四錐齒輪均相嚙合，第三錐齒輪與第二錐齒輪、第四錐齒輪也均相嚙合；第一驅(qū)動器的輸出軸同軸固定連接第四帶輪， 第二驅(qū)動器的輸出軸同軸固定連接第二帶輪，第一帶輪通過第一齒形皮帶連接第二帶輪，第三帶輪通過第二齒形皮帶連接第四帶輪；錐齒輪通過連接件固接末端執(zhí)行器驅(qū)動器。

上述專利中采用帶輪式的傳送結(jié)構(gòu)，導致傳動機構(gòu)復雜，工作空間狹小，維護麻煩且使用壽命低，帶輪式的傳動精度差；

針對上述技術(shù)問題，本發(fā)明旨在提供一種串聯(lián)的多自由度波浪補償機器人系統(tǒng)和該系統(tǒng)的控制方法。該系統(tǒng)是一個通用系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、使用范圍廣、效率高和功能多等優(yōu)點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種具有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)和控制方法能夠解決船舶在海上行駛或者作業(yè)過程中，因風浪造成的橫搖、縱搖和升沉等給機器人末端執(zhí)行器帶來的影響問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種具有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)，該有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)安裝在船舶上；其創(chuàng)新點在于：包括橫向?qū)к?、縱向?qū)к?、底盤、微慣導、機械臂、計算機和控制器；

所述橫向?qū)к壟c縱向?qū)к壔ハ啻怪痹O置在同一水平面上，且橫向?qū)к壟c縱向?qū)к変佋O在船舶甲板上；所述底盤通過驅(qū)動電機可沿著互相垂直的橫向?qū)к壟c縱向?qū)к壨鶑鸵苿?；所述機械臂通過螺栓組固定連接在底盤上，機械臂跟隨底盤沿著橫向?qū)к壔蚩v向?qū)к壱苿?；所述微慣導位于機械臂的旁側(cè)且連接固定在底盤上，實時測量因風浪引起的數(shù)據(jù)變換并向計算機發(fā)送所測試的數(shù)據(jù)；所述計算機與微慣導之間通過傳感器進行數(shù)據(jù)交換，計算機處理微慣導輸出的數(shù)據(jù)并進行處理以及建立模型、預測和輸出數(shù)據(jù)；所述控制器的一端與計算機進行數(shù)據(jù)交換，控制器的另一端與機械臂相連并控制機械臂進行補償運動。

進一步的，該系統(tǒng)的控制方法為：

S1：首先通過驅(qū)動電機將底盤、微慣導和機械臂通過橫向?qū)к壓涂v向?qū)к壱苿拥焦ぷ魑恢?，并且明確目標點的位置；

S2：利用微慣導實時檢測出船舶因風浪引起的變化，并將這些數(shù)據(jù)通過傳感器輸入到計算機中，并向計算機提供一個預測算法；

S3：根據(jù)微慣導輸送的數(shù)據(jù)在計算機中進行濾波預處理和數(shù)據(jù)歸一化處理并建立模型，計算機根據(jù)建立的模型和微慣導檢測到的數(shù)據(jù)，預測波浪的情況；

S4：計算機根據(jù)預測的波浪情況確定目標點的在波浪作用下位置坐標，并與實際所明確的目標點坐標進行對比，計算出補償數(shù)據(jù)；

S5：計算機將處理好的補償數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器驅(qū)動末端的機械臂進行補償運動。

進一步的，所述微慣導能夠?qū)崟r檢測出橫搖、縱搖、艏搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩以及縱蕩、橫蕩和垂蕩的速度數(shù)據(jù)。

進一步的，所述S2中建立模型為通過將微慣導輸送的數(shù)據(jù)在零均值和平穩(wěn)化處理后通過計算機計算出自相關(guān)函數(shù)acf和偏相關(guān)函數(shù)pacf,根據(jù)函數(shù)曲線判定的AR模型，根據(jù)判定的AR模型通過計算機識別出模型參數(shù)對船舶進行連續(xù)預測。

進一步的，所述微慣導、計算機、控制器和機械臂分別對應整個機器人系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)、補償系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

1）本發(fā)明裝置中的機器人與普通機器人相比較，通過橫向?qū)к壓涂v向?qū)к売辛烁蟮墓ぷ骺臻g，方便移動，便于存放在船艙和防腐蝕的殼體中。這樣，增加了其使用壽命，更加便于維護。

2）本發(fā)明裝置中采用的是串聯(lián)形式的機構(gòu)，與傳統(tǒng)并聯(lián)的波浪補償平臺相比較更加容易得到位置正解，精度更高。

3）本發(fā)明裝置和控制方法可以有效的替代功能單一的傳統(tǒng)波浪補償裝置，使整個補償系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單、操作更加便捷，工作效率更高。在船舶行進過程中，也可以在甲板上作業(yè)進行貨物的吊放和運送。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。

圖1為具有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為模型識別與參數(shù)化過程。

圖3為具有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)的控制原理圖。

圖4為末端執(zhí)行機構(gòu)未來運動的預測與補償過程。

圖5為主動波浪補償控制方法流程圖。

具體實施方式

下面的實施例可以使本專業(yè)的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但并不因此將本發(fā)明限制在所述的實施例范圍之中。

如圖1所示的一種具有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)，該有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)安裝在船舶上；包括橫向?qū)к?、縱向?qū)к?、底盤3、微慣導4、機械臂5、計算機6和控制器7組成；所述橫向?qū)к?和縱向?qū)к?安裝在船舶的甲板上，用于增加機械臂5的工作空間，方便其移出和移入船艙或者防腐蝕殼體中；機械臂5通過螺栓固連在底盤3上，底盤3下方安裝有滑輪，通過滑輪在橫向?qū)к?和縱向?qū)к?上進行滑動；根據(jù)微慣導4的工作方式、數(shù)據(jù)精度和安裝要求，需要將微慣導4通過螺栓固連在機械臂5的基座上，可以測量出因風浪引起的實時數(shù)據(jù)并且發(fā)送所測量出的數(shù)據(jù)；計算機6用于接受微慣導4輸出的數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、建立模型、預測和輸出數(shù)據(jù)；控制器7接受計算機6發(fā)出的數(shù)據(jù)，控制機械臂5進行補償運動。

如圖2所示，具有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)中船舶運動模型識別與參數(shù)化過程，設計該過程的目的在于彌補系統(tǒng)的滯后性；微慣導在船舶行駛過程中，能夠?qū)崟r檢測到由于風浪引起的船舶運動數(shù)據(jù)；微慣導將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C中，對所檢測到的數(shù)據(jù)進行濾波預處理及數(shù)據(jù)歸一化處理；接著將處理后的數(shù)據(jù)進行零均值和平穩(wěn)化處理，再進行分析。分別計算出自相關(guān)函數(shù)acf和偏相關(guān)函數(shù)pacf,通過相應的函數(shù)曲線判定為AR模型；通過公式識別出AR模型的模型參數(shù)；最后利用建立的AR預測模型對船舶的運動進行連續(xù)預測。

如圖3所示，為具有主動波浪補償功能的機器人系統(tǒng)的控制原理圖；整個系統(tǒng)可以分為四個子系統(tǒng)，它們分別是檢測系統(tǒng)、補償系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)；檢測系統(tǒng)對應的是微慣導4，補償系統(tǒng)對應的是計算機6，控制系統(tǒng)對應的是控制器7，執(zhí)行系統(tǒng)對應的是機械臂5；在不需要進行補償?shù)那闆r下，例如無風浪時，則不發(fā)送補償指令；當船舶在行進過程中遇到風浪且需要作業(yè)的情況下，則發(fā)送補償工作指令使整個系統(tǒng)開始工作。

如圖4所示，為末端執(zhí)行機構(gòu)未來運動的預測與補償過程；首先通過微慣導4獲取船舶實時檢測數(shù)據(jù)之后，設定一段時間為一個周期，令這個周期為采樣周期；通過歷史數(shù)據(jù)對船舶運動進行建模，利用建立的預測模型對船舶運動進行連續(xù)預測；同時利用微慣導4獲得的數(shù)據(jù)和串聯(lián)機械臂5的坐標轉(zhuǎn)換，求出末端執(zhí)行機構(gòu)的位姿；接著，根據(jù)連續(xù)預測和獲得的位姿進行數(shù)據(jù)綜合處理；最后將綜合數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器7；從微慣導4中輸出的數(shù)據(jù)到得到綜合數(shù)據(jù)這個部分對應圖3中的補償系統(tǒng)部分；控制器7驅(qū)動機械臂5中的驅(qū)動器，每隔采樣周期和控制器7發(fā)送數(shù)據(jù)的最小公倍數(shù)對末端執(zhí)行器的位姿進行一次補償。

如圖5所示，為主動波浪補償控制方法流程圖；該方法用于需要進行波浪補償?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)中；首先，利用微慣導4實時檢測在海上作業(yè)的船舶的運動狀態(tài)；微慣導4以固定的采樣周期采集數(shù)據(jù)；一段時間后，存儲船舶歷史運動狀態(tài)；再根據(jù)圖2中船舶運動模型識別與參數(shù)化過程，對數(shù)據(jù)處理分析、建立模型和進行連續(xù)預測；由于微慣導4安裝在基座處，所以需要利用坐標轉(zhuǎn)換求出機械臂5末端執(zhí)行機構(gòu)的位姿。接下來，根據(jù)預測參數(shù)和末端執(zhí)行器的位姿以及之前確定的目標點的位姿，進行數(shù)據(jù)綜合；利用采樣周期和控制器7發(fā)送命令的周期，選取二者最小公倍數(shù)為補償周期；最后，根據(jù)綜合得到的數(shù)據(jù)，明確機械臂7中的補償控制控制程序或者操作指令；通過這些程序和指令進行補償。

本行業(yè)的技術(shù)人員應該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。