一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备

1.本发明属于水下潜航器领域与机器人控制领域，是一种机器人运动控制器，具体来说是一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备。


背景技术：

2.近几年来，机器人行业迅速发展，为人类的生产、生活带来了极大的便利以及经济效益。广阔的海洋占据了地球表面近70％的面积，因蕴含着丰富的生物资源与油气资源，受到我国政府高度重视，随着防水技术与水下通讯技术的快速发展以及水下作业的巨大需求，越来越多的水下机器人被应用于资源勘探、水上救援、工程建设等诸多领域。
3.不同于陆地载具和飞行器，水下机器人一般具有六个自由度，即浪涌、摇摆、升沉、滚动、俯仰和偏航。水下环境条件复杂，湍流干扰较多，想要实现水下机器人便捷、精准的控制，机器人不仅要具备合理的控制算法，还对其运动控制器提出了要求。目前常用的控制器为航模摇杆控制器，这类控制器只能控制水下机器人的四个自由度，另外两个自由度只能锁定或者设计代码去切换或使用多个控制器进行控制，这大大增加了水下机器人的操控难度。为克服该问题，本发明提供一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，可独立地控制每个自由度，助力实现水下机器人便捷、直观的控制。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，其具有六个自由度，可通过操作手独立地控制水下机器人的每个自由度，从而助力实现水下机器人便捷、直观的控制。
5.本发明提供一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，包括静平台、动平台、人体工程学手柄；所述动平台通过六自由度摇杆机构连接在所述静平台上方使得其相对于所述静平台能够实现x、y、z三轴平动与x、y、z三轴旋转共六个自由度的动作，所述人体工程学手柄通过手柄插座固定在所述动平台中心处。
6.进一步地，所述六自由度摇杆机构包括设置在静平台上的四根相同结构的二连杆，四根二连杆呈两两对称分布，每根所述的二连杆杆件末端通过转动副/轴承与二连杆分隔外轴套形成配合，每个所述二连杆分隔外轴套与与静平台一级摆臂连接，且静平台一级摆臂可与二连杆分隔外轴套共同以二连杆杆件为轴旋转，每个所述静平台一级摆臂通过动平台二级摆臂与动平台一级摆臂形成一个支链，每个所述动平台一级摆臂通过连接轴或轴承连接所述动平台。
7.进一步地，每根所述二连杆具有两个平动自由度，二连杆分隔外轴套能够以二连杆杆件为轴转动，具有一个旋转自由度。
8.进一步地，所述动平台一级摆臂与静平台一级摆臂结构相同。
9.进一步地，所述静平台固定在基座上，四根二连杆固定在静平台上。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
11.1、与常用的航模摇杆控制器相比，本发明可独立地控制六自由度水下机器人的x、y、z三轴平动与x、y、z三轴旋转共六个自由度，助力实现水下机器人便捷、直观的控制。
12.2、目前常用的航模摇杆控制器的结构导致其归中性较差，具有较大的归中误差，从而降低了对机器人的控制精度，本发明具有优良的归中性，可以达到更优的控制精度。
13.3、常用的航模摇杆控制器通过改变电位器的阻值形成信号指令，然而电位器会随着时间和温度的变化会漂移，导致阻值改变，从而降低了机器人的控制精度。本发明基于电磁编码器形成信号指令，具有高精度、高分辨率、高精度、高可靠性、寿命长和稳定性好等优点，从而提高了控制器的控制精度及稳定性。
附图说明
14.图1是本发明的整体结构示意图；
15.图2为本发明俯视图；
16.图3是本发明的机构简化图；
17.图4是本发明所述动平台的一种工作状态示意图，图中所示动平台中点位置为a点；
18.图5是本发明所述动平台的一种工作状态示意图，图中所示动平台中点位置为b点；
19.附图标记说明：
20.1、动平台；2、二连杆分隔外轴套；2-1、二连杆分隔外轴套一；2-2、二连杆分隔外轴套二；2-3、二连杆分隔外轴套三；2-4、二连杆分隔外轴套四；3、动平台一级摆臂；3-1、动平台一级摆臂一；3-2、动平台一级摆臂二；3-3、动平台一级摆臂三；3-4、动平台一级摆臂四；4、静平台一级摆臂；4-1、静平台一级摆臂一；4-2、静平台一级摆臂二；4-3、静平台一级摆臂三；4-4、静平台一级摆臂四；5、静平台；6、二连杆；6-1、二连杆一；6-2、二连杆二；6-3、二连杆三；6-4、二连杆四；7、动平台二级摆臂；7-1、动平台二级摆臂一；7-2、动平台二级摆臂二；7-3、动平台二级摆臂三；7-4、动平台二级摆臂四；8、连接轴；8-1、连接轴一；8-2、连接轴二；8-3、连接轴三；8-4、连接轴四；9、手柄插座；10、人体工程学手柄；
具体实施方式
21.下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。
22.本发明提供一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，其动平台具有六个自由度，可独立地控制水下机器人的每个自由度，从而助力实现水下机器人便捷、直观的控制。如图1和图3所示，本实施例的一种应用于水下机器人的六自由度摇杆控制器包括静平台5、动平台1、人体工程学手柄10、手柄插座9、若干连接轴8和轴承、二连杆6、静平台一级摆臂4、二连杆分隔外轴套2、动平台二级摆臂7、动平台一级摆臂3。本实例特征在于：所述静平台5设置有四根二连杆6，呈两两对称分布。每个二连杆6、二连杆分隔外轴套2、静平台一级摆臂4、动平台二级摆臂7、动平台一级摆臂3通过连接轴8或轴承依次形成配合，共同起到连接动平台1与静平台5的作用。人体工程学手柄10通过手柄插座9固定在所述动平台1中心处。本实例其结构具有优良的归中性，相比常用的航模控制器，可以达到更优的控制精度。
23.在本实例中，每根二连杆6杆件末端通过转动副(轴承)与二连杆分隔外轴套2形成
配合，所述二连杆分隔外轴套2可以二连杆6杆件为轴转动，可提供一个旋转自由度。同时，二连杆分隔外轴套2起到连接二连杆6与静平台一级摆臂4的作用，静平台一级摆臂4可与二连杆分隔外轴套共同以二连杆6杆件为轴旋转。动平台一级摆臂3与静平台一级摆臂4结构相同，分别与动平台1或静平台5相连。动平台一级摆臂3与静平台一级摆臂4通过静平台一级摆臂7及若干转动副(连接轴1与轴承)形成一个支链，本实例共包含四个相同的支链。
24.在本实例中，所述静平台5是指平台无法运动，固定在基座上。四根二连杆6固定在静平台上5，每根具有两个平动自由度。所述动平台是指平台可以在空间中运动，由经典自由度公式griibler-kutzbach证明其具有六个自由度，图4，图5举例说明了本实例动平台的两种姿态。
25.在本实例中，基于单片机、电磁编码器及相应的信号发射电路形成信号指令，具有高精度、高分辨率、高精度、高可靠性、寿命长和稳定性好等优点，从而提高了控制器的控制精度及稳定性。
26.本实施例的一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，共包含刚体18个，运动副20个，所有运动副共有自由度24个。
27.经典自由度公式griibler-kutzbach如式(1)所示。
[0028][0029]
式中f表示机构自由度，n表示机构所包含的刚体个数，g表示机构包含运动副的个数，fi表示第i个运动副所具有的自由度。故该结构的自由度f＝6(18-20-1)+24＝6。
[0030]
因此动平台是指平台可以运动，其具有六个自由度。
[0031]
采用上述方案，本发明的工作过程是：
[0032]
上电后本发明进入工作状态，抓握手柄移动即可带动动平台在六个自由度上运动，通过单片机、电磁编码器及其相关电路即可进行姿态解算，结合信号发射电路即可独立地控制六自由度水下机器人的x、y、z三轴平动与x、y、z三轴旋转共六个自由度，较大地降低了水下机器人的操控难度，助力实现水下机器人便捷、直观的控制。
[0033]
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。凡在本发明的原则之内，所作的等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明未作详细阐述的内容属于本专业领域技术人员公知的已有技术。

技术特征：
1.一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，包括静平台（5）、动平台（1）、人体工程学手柄（10）；其特征在于，所述动平台（1）通过六自由度摇杆机构连接在所述静平台（5）上方使得其相对于所述静平台（5）能够实现x、y、z三轴平动与x、y、z三轴旋转共六个自由度的动作，所述人体工程学手柄（10）通过手柄插座（9）固定在所述动平台（1）中心处。2.根据权利要求1所述的一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，其特征在于，所述六自由度摇杆机构包括设置在静平台（5）上的四根相同结构的二连杆（6），四根二连杆（6）呈两两对称分布，每根所述的二连杆（6）杆件末端通过转动副/轴承与二连杆分隔外轴套（2）形成配合，每个所述二连杆分隔外轴套（2）与与静平台一级摆臂（4）连接，且静平台一级摆臂（4）可与二连杆分隔外轴套（2）共同以二连杆（6）杆件为轴旋转，每个所述静平台一级摆臂（4）通过动平台二级摆臂（7）与动平台一级摆臂（3）形成一个支链，每个所述动平台一级摆臂（3）通过连接轴（8）或轴承连接所述动平台（1）。3.根据权利要求2所述的一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，其特征在于，每根所述二连杆（6）具有两个平动自由度，二连杆分隔外轴套（2）能够以二连杆（6）杆件为轴转动，具有一个旋转自由度。4.根据权利要求2所述的一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，其特征在于，所述动平台一级摆臂（3）与静平台一级摆臂（4）结构相同。5.根据权利要求2所述的一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，其特征在于，所述静平台（5）固定在基座上，四根二连杆（6）固定在静平台上（5）。

技术总结
本发明公开了一种应用于水下机器人的六自由度摇杆输入设备，属于水下潜航器领域与机器人控制领域。本发明包括静平台、动平台、人体工程学手柄；所述动平台通过六自由度摇杆机构连接在所述静平台上方使得其相对于所述静平台能够实现X、Y、Z三轴平动与X、Y、Z三轴旋转共六个自由度的动作，所述人体工程学手柄通过手柄插座固定在所述动平台中心处。与常用的航模摇杆控制器相比，本发明可独立地控制六自由度水下机器人的X、Y、Z三轴平动与X、Y、Z三轴旋转共六个自由度，基于单片机、电磁编码器及相应的信号发射电路形成信号指令，具有优良的归中性，同时使用寿命长、稳定性好，可助力实现水下机器人便捷、直观的控制。直观的控制。直观的控制。


技术研发人员：许一航 刘剑 李一鸣 薛磊 孙长银
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.06.12
技术公布日：2023/10/6