一种模拟水底动态复杂环境的移动机器人实验平台

摘要

本发明公开了一种模拟水底动态复杂环境的移动机器人实验平台。本实验平台上层为主体平台部分，下层为平台支撑部分，主体平台是一个可模拟水底复杂环境条件的方形水池，用于移动机器人水底运动测试，环境模拟水池还设计有钢化玻璃和防撞栏、底质柔性动态调节装置和水流与坡度动态调节装置，底质柔性调节装置可以动态改变底质条件，水流与坡度动态调节装置可以动态改变流体速度和地形坡度条件。应用该实验平台对移动机器人在复杂水底环境中的运动能力进行测试十分方便，仅安装在地面实验室就可进行控制参数调试和方案验证，尤其针对深海水底移动机器人，大大缩短研发周期和节省测试费用。

说明书

技术领域

本发明涉及到一种移动机器人实验装置，属于机器人实验技术领域。

背景技术

地球大部分表面被海水覆盖，并且海底区域很少被开发利用，但海底有丰富的生物资源，矿产资源和生物资源，同时也是各国争夺的空间资源。目前，利用水下机器人进行水底环境信息收集已得到机器人研究机构的高度重视，并且应用机器人在水底移动来进行矿产资源探测和水底生物观察在数据采集质量方面具有优势。一方面可以利用移动能力扩大海底移范围，另一方面可以贴近海底详细观察，另外还可以关闭动力源节省能量。但是在开发和使用移动机器人在水底执行探测任务，需要先进行结构方案验证和控制参数调试，若这些工作在海底进行，则需要花费巨大的财力和物力，试验周期很长。因此发明一种移动机器人水底运动实验平台，能够模拟水底动态复杂环境条件，对水底探测机器人开发和应用具有广阔前景和重要意义。

随着水底观测机器人研究的逐渐深入，实验需求在不断提高，但针对移动机器人水底运动的试验平台种类却很少，目前针对水下机器人实验最常用的是人造水池，固定在地面作为机器人运动场所，不能模拟水底复杂环境。也有对水池底部进行特殊处理的水池，但仅能模拟底质对移动机器人运动的影响，水流和坡度条件并未考虑，不具有动态条件设置功能。本发明的试验平台能够模拟动态复杂水底的底质、水流和坡度环境条件，可以对多种移动机器人进行测试，同时也能改变实验条件进行多种运动性能测试，试验平台可以安装在室内使用，给机器人开发人员和水底探测人员提供方便有效的手段。

发明内容

本发明的目的在于针对现有移动机器人运动实验技术的不足，设计了一种可以模拟水底动态复杂环境的试验平台，在结构上设计有安全防护水池，为移动机器人实验提供运动空间，水池内部设计有底质柔性动态调节装置，水池下方设计有水流调节装置和坡度调节装置，用于水底驱动环境模拟的条件设置。本发明的试验平台通过柔性动态调节装置和辅助泥沙来模拟水底柔性底质，通过水泵的动力来模拟水底水流环境，通过液压缸机构来模拟水底地形坡度环境，通过组合能够设置不同的底质、水流和坡度条件，可对移动机器人多种水底运动性能进行测试，该实验平台整体结构布局紧凑，便于在实验室内部安装，为机器人开发和水底观测应用提供有效的实验手段。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案，一种模拟水底动态复杂环境的移动机器人实验平台，包括上层水池，用于为移动机器人实验提供运动空间；所述水池内设置底质柔性动态调节装置，用于设置移动机器人水底运动实验所需的各种柔性条件；所述水池底部与支撑装置连接，所述支撑装置包括水流调节装置、坡度调节装置和基板；所述水流调节装置用于改变水池内的流体速度，分别与水池侧壁的入水孔和出水孔连接，构成循环回路；所述坡度调节装置用于水池底部坡度，一端与水池底部连接，另一端与基板连接。

进一步，所述水池包括底板、固定连接于底板四周的若干立柱以及若干钢化玻璃，每两个相邻立柱之间具有钢化玻璃，立柱用以固定钢化玻璃，从而形成水池的侧壁。所述立柱的内侧固定有防撞栏，可以有效避免机器人意外运动撞击水池边缘，保护水池边缘钢化玻璃的安全。所述水池的侧壁上设置有入水孔、出水孔和排水孔，所述水池的底板上设置有排泥孔。

进一步，所述底质柔性动态调节装置包括柔性胶钉板、刚性网格板、平衡弹簧和直线电机，所述柔性胶钉板置于水池底部，柔性胶钉板上方放置刚性网格板，四个直线电机的外基座分别安装在刚性网格板的四个角落，直线电机的输出杆穿过柔性胶钉板固定在水池的底板上，平衡弹簧套在所述输出杆上；柔性胶钉板的细长胶钉穿过刚性网格板的网格孔。

进一步地，所述水流调节装置包括水泵、入水管、调速阀和出水管，所述入水管一端连接水泵的入口，另一端接入水池的入水孔内，所述出水管一端连接水泵的出口，另一端接入水池的出水孔内，所述调速阀安装在入水管上。

为了使水池内的水流分布更加均匀，所述入水管和出水管分别分成四路接入水池的四个入水孔和出水孔。

进一步，所述坡度调节装置包括若干液压缸和球铰，所述液压缸一端通过球铰与水池的底板连接，另一端通过球铰与基板连接。

本发明与现有公开的移机器人水底运动实验平台不同，本发明的实验平台能够模拟水底动态复杂环境，可动态设置柔性底质、水流速度和地形坡度条件。该种试验平台具有上下两成结构，上层的水池设计有安全防撞栏，可以有效避免机器人意外运动撞击水池边缘，保护水池边缘钢化玻璃的安全，设计有底质柔性动态调节装置。下层设计有坡度和水流动态调节装置，可以方便的进行实验条件设置，同时坡度调节装置采用液压缸机构，支撑刚度高。水流调节装置的出水管和入水管各分成四路连接到水池中，可使水池内部水流分布均匀。实验平台的测试条件可以进行多种组合设置，有效的模拟水底动态复杂环境，结构紧凑且便于安装，为移动机器人水底运动能力实验提供有效手段。

附图说明

图1为本发明的实验平台整体结构斜视图；

图2为本发明的实验平台整体结构前视图；

图3为本发明的实验平台方形水池结构示意图；

图4为本发明的实验平台底质柔性动态调节装置结构截面图；

图5为本发明的实验平台水流与坡度动态调节装置结构示意图；

图中：1-钢化玻璃，2-出水管，3-立柱，4-水泵，5-基板，6-防撞栏，7-调速阀，8-入水管，9-液压缸，10-球铰，11-入水孔，12-出水孔，13-排水孔，14-排泥孔，15-刚性网格板，16-底板，17-柔性胶钉板，18-平衡弹簧，19-直线电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细描述。

图1为发明的实验平台整体结构斜视图，图2为本发明的实验平台整体结构前视图：从图中可以看到实验平台总体分为两层结构，上层以钢化玻璃1围成的水池为主，下层以液压缸9组成的驱动机构为主，上层水池为移动机器人提供实验测试所需的运动空间和环境，下层液压缸机构对水池起到支撑作用，同时还能调节水池底部坡度，改变水底地形条件。该实验平台能够动态设置不同底质、水流和坡度条件，根据实验需要模拟不同的水底环境，对移动机器人水底运动能力进行测试十分方便，安装在地面实验室就可进行控制参数调试和方案验证。

图3为本发明的实验平台水池部分结构示意图：从图中可以看到实验平台的上层水池由八块钢化玻璃1围成方形，立柱3固定在方形底板16边缘，钢化玻璃1镶嵌在立柱3中间，并做防水处理，立柱3的内侧还固定有一层防撞栏6，用来防止机器人撞坏钢化玻璃1，水池前端钢化玻璃中间开有四个入水孔11，水池后端钢化玻璃中间开有四个出水孔12，水池的侧面钢化玻璃下面开有排水孔13，水池底部设计有刚性网格板15，底板16的一角开有排泥孔14，其中入水孔11和出水孔12用来插入水管，排水孔13和排泥孔14用来清理污水和泥沙，而刚性网格板15安装在方形底板16的上方，泥沙可根据实验对底质柔性的需求进行调配和更换。

图4为本发明的实验平台底质柔性动态调节装置结构截面图：该装置安装在方形水池底部，其从上至下设计有三层板，最上方为刚性网格板15，中间是柔性胶钉板17，最下方是底板16，柔性胶钉板17平铺在水池底板16上，上方铺设刚性网格板15，柔性胶钉板17和刚性网格板15间安装有平衡弹簧18，直线电机19的外基座安装在刚性网格板15的四个角落，直线电机19的输出杆固定在方形底板16上，平衡弹簧18套在输出杆上用来调整作用在柔性胶钉板17上的预紧力，直线电机19运动时会升起刚性网格板15，柔性胶钉板17的细长胶钉穿过刚性网格板15的方孔并动态调节水底柔性。在直线电机19的驱动下刚性网格板15与柔性胶钉板17贴合时，水底柔性最大，当柔性胶钉板17与刚性网格板15与之间空隙最大时，水底柔性最小。水底柔性调节完毕后，可在刚性网格板15上平铺一层泥沙，起到的总体柔性效果要与实验条件要求的柔性保持一致。

图5为本发明的实验平台水流和坡度调节部分结构示意图：从图中可以看到实验平台的下层，中间的水泵4安装在水池方形底板上，可提供池水流动的动力，水泵4的前方安装有入水管8，一端连接在水泵4入口，另一端接入水池前端的钢化玻璃入水孔11内，入水管上还安装有调速阀7来调节流速，水泵4的后方安装有出水管2，一端连接在水泵4出口，另一端接入水池后端的钢化玻璃出水口孔12内，因此水泵4、入水管8、调速阀7、水池和出水管2，共同组成了实验平台流速调节装置，入水管8和出水管2分成四路可以使水池内的水流分布更加均匀。支撑上层水池的驱动机构由六个液压缸9组成，液压缸9与水池方形底板和圆形基板之间都是通过球铰10来连接，协同驱动液压缸9可以改变水池底部坡度值和方向角。具体地，六个液压缸9的一端通过球铰10分别与水池方形底板连接，另一端通过球铰10分别与圆形基板连接，共同组成六自由度液压缸机构，布置成Stewart并联机构形式，液压缸9作为直线驱动构件，具有支撑刚度大的特点，通过运动建模求反解，对液压缸9伸缩控制长度进行控制。水泵4提供的动力可使水在水池内流动，电动调速阀7可以对流动速度进行调节，液压缸9提供的动力可以实现水池底部坡度值和方位角的变化。

本平台的使用过程，首先对水底柔性条件进行设置，即在直线电机19的驱动下，依据实验柔性要求调整刚性网格板15与柔性胶钉板17的间隙，然后在上面平铺一层对应柔性的泥沙。然后将待实验的移动机器人放入上层水池中，将水注入并确保机器人被淹没，然后控制液压缸9调节方形底板16到预定坡度，再控制水泵4提供循环水压，调节调速阀7使水池中水流达到实验要求，至此就可以控制移动机器人运动和采集实验数据了。在实验中可以及时改变坡度、水流和柔性条件，但若柔性条件变动较大，就需要重新更换匹配的泥沙。

综上所述：本发明的实验平台能够模拟水底复杂环境，可设置柔性底质、水流速度和地形坡度条件，具有上下两成结构，上层的水池内设计有安全防撞栏，可以有效避免机器人意外运动撞击水池边缘，保护外层钢化玻璃的安全，水池底部设计有刚性网格板和柔性胶钉板可以动态调节水底柔性，泥沙可根据实验对底质柔性的需求进行调配和更换。下层设计有坡度调节装置和水流调节装置，可以方便的进行实验条件设置，液压缸组成的驱动机构，既可以提高支撑刚度，又可以调节水池底部坡度，水流调节装置的出水管和入水管各分成四路连接到水池中，可使水池内部水流分布均匀。该实验平台结构紧凑，便于安装和使用，通过设置不同的底质、水流和坡度参数，可以组合形成多种实验条件，有效的模拟水底复杂环境，为移动机器人水底运动能力测试提供有效手段。