一种跨介质机器人的混合驱动控制方法及跨介质机器人

1.本发明实施例涉及特种机器人控制领域，特别涉及一种跨介质机器人的混合驱动控制方法及跨介质机器人。


背景技术：

2.无人水下机器人作为特种机器人的重要门类，是为承担海底打捞、光缆铺设、探测侦察等任务需求开发的特种机器人装备，需要具备强大的功能性、足够的通过性和适当的隐蔽性。目前，水下无人潜航机器人构型以固定弹形为主，小部分支持翼面折叠，现有的水下无人潜航机器人自身形态变化空间有限，兼容水面人工投放或舰艇弹射投放方式，但是较少有机器人能够具备水中跨介质能力。
3.在水下通过性方面，在水下侦查作业中，由浅海转为深海、由远海转为近海的总体需求下，机器人系统作业轨迹遭遇砂石阻断的现象时有发生，而现有技术中的水下机器人只能通过上浮或者绕行的方式绕过介质，因此，在海底光缆原位检修和沉船打捞钢缆洞钻取等作业中，现有技术缺乏轻巧、便捷的水下跨介质机器人装备，以便穿越海底淤泥质或亚砂土层是水下机器人的研究热点。除通过不同介质外，在机器人隐蔽性方面，潜航过程中为增强隐蔽性或躲避恶劣海况，现有构型机器人可采取关闭动力、利用礁石遮挡等方式，而上述方式无法从各个角度躲过信号器探测，且在躲避过程中无法行进，现有技术中缺少能够利用水下丰富的环境特征掩盖轨迹和行为特征的方式。
4.现有技术如cn112693268a公开了一种基于空气润滑的仿生水陆两栖型机器人，其利用空气润滑技术实现两栖机器人跨介质运动。然而，该现有技术中的介质分别是冰上和水下，跨介质的方式是利用压缩气体的驱动力冲出冰面，无法实现水下砂土等区域的穿行；现有技术如cn 111422334a公开了一种仿生波动鳍推进的水下多用途机器人，利用仿生波动鳍在水下自由行进，然后该机器人在遇到水下砂土等障碍物时主要采取转弯、上浮下潜的方式进行绕行。综上所述，现有技术中水下机器人对于砂土等跨介质障碍物，以绕行为主进行避障，无法，难以实现水下跨介质前行，同时也无法利用砂土的特点对自身行踪进行隐藏。
5.现有技术水下机器人姿态及路径控制方法中，均需建立复杂的机器人模型，并利用多传感器对水下环境信息进行检测，通过复杂的模型求解过程获得姿态控制方式。水下机器人姿态切换控制过程计算量大，系统成本高。
6.因此，亟需一种能够实现快速、低成本快速切换水下机器人驱动方式的控制方法及跨介质机器人。


技术实现要素：

7.本发明实施方式的目的在于提供成本低、计算量小、能够实现水下同时在水中和砂土中行进的跨介质机器人混合驱动控制方法及跨介质机器人。
8.为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种跨介质机器人的混合驱动控
制方法，其特征在于，具体包括：获取目标海区水文数据，计算区域海床砂土的安全系数，根据安全系数计算区域液化概率，以获得砂土液化所需的振动头电机功率；跨介质机器人入水运动，控制跨介质机器人进入游动状态，游动状态下控制鱼鳍部件展开，蠕动部件摆动，从而使跨介质机器人按照预设轨迹行进；获取振动头电流环的电流值，根据电流值判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部未接触砂土，控制跨介质机器人保持游动状态，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部接触砂土，根据计算得到的振动头电机功率控制跨介质机器人振动头的驱动力，切换跨介质机器人至蠕动状态，蠕动状态下鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土。
9.优选的，鱼鳍部件包括设于机器人壳体两侧的左、右鱼鳍，游动状态下左、右鱼鳍展开，蠕动状态下左、右鱼鳍收起；蠕动部件包括设于机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链，游动状态下，驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动，实现海底行进和转弯；蠕动状态下，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动。
10.优选的，分析系统电流-力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算高频清晰的电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系进行碰撞检测。
11.优选的，收集环境参数，计算波压；根据波压计算上层波浪引起的浅层海床砂土震荡剪切应力，及海底土壤周期应力比；根据浅层海床砂土震荡剪切应力和海底土壤周期应力比计算出区域海床砂土的安全系数；根据不同波浪等级、海床沙土组成、海水深度和主动振动强度条件下的海床砂土安全系数，从而计算区域液化概率，获得振动头电机功率。
12.优选的，蠕动状态下，计算跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深区间，根据砂土埋深区间控制蠕动部件的驱动力，在砂土埋深区间内蠕动行进。
13.优选的，建立跨介质机器人在水下砂土环境中作业的简化力学模型；计算液化区域单位长度物体所受浮力；根据物体重量、土压、水重等参数，计算出液化区内物体实际所受浮力；以不同环境下最大推进比作为优化目标，获得跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深的合理区间。
14.本发明还提供一种跨介质机器人，跨介质机器人用于水下摆动和蠕动前行，跨介质机器人包括：振动部件、蠕动部件、鱼鳍部件、驱动部件和壳体；振动部件包括设于跨介质机器人头部的振动头、设于下壳体的振动电机和传动密封组件，跨介质机器人头部设有电流环，根据电流环检测到的电流值控制振动头在振动电机的驱动下径向周期振动，从而使跨介质机器人头部接触的砂土液化，形成振动液化区；蠕动部件包括设于跨介质机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链、螺旋连接器和蠕摆动驱动电机，驱动螺旋通过螺旋连接器固定连接于机器人尾部，蠕动链拼接成形后套设在驱动螺旋上，由驱动螺旋带动做摆动和蠕动动作。
15.优选的，电流环根据动态阈值检测识别前方是否存在砂土障碍，具体包括：分析系统电流-力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系判断前方是否存在砂土障碍。
16.优选的，机器人在砂土中前进时，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动，向后推动海水，从而使机器人整体前进；在海底水域中行进时，蠕摆动驱动电机使驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动。
17.优选的，鱼鳍部件包括设于壳体两侧的左、右鱼鳍，鱼鳍部件还包括微型舵机和传动密封组件，在机器人壳体的两侧对称装有左鱼鳍和右鱼鳍，用于机器人在水中行进时方向与姿态的调整控制，当机器人头部与砂土相接触时，左鱼鳍和右鱼鳍摆动至贴紧壳体的位姿，确保机器人顺利通过前部振动头所形成的振动液化区。
18.本发明实施方式相对于现有技术而言，本发明提供的跨介质机器人的混合驱动控制方法及跨介质机器人，能够根据前行位置，控制跨介质机器人在游动和蠕动两种运动形式之间切换，基于振动头电流值和与水下参数、机器人性能参数相匹配的动态阈值的关系改变机器人自身形态，拓展了机器人系统作业空间和介质环境，无需使用复杂的传感器设备，也无需进行复杂的模型求解计算，简化了切换控制过程的计算量，降低了系统成本。基于振动部件可以增强局部砂土流动性，提高海底砂土穿行效率，增强了跨介质机器人的通过性，同时能够利用蠕动链上的顶端阶梯将跨介质机器人隐藏在砂土中，提高了机器人任务的隐蔽性。从通过性来看，能够同时通过水域和砂土区域，提高了机器人的通过性；从隐蔽性来看，利用钻行砂土区域的特点，可以将机器人自身藏匿于砂土中，提高了机器人的隐蔽性，拓宽了应用场景。
19.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
20.一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
21.图1为本发明实施例提供的跨介质机器人的混合驱动控制方法流程图；图2为本发明水下砂土环境力学模型；图3本发明实施例提供的跨介质机器人结构示意图；图4为本发明实施例提供的蠕动部件的结构示意图；图5为本发明实施例提供的蠕动链的结构示意图；图6为本发明实施例提供的跨介质机器人控制流程图。
实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。
23.本发明的第一实施方式涉及一种跨介质机器人的混合驱动控制方法，跨介质机器人包括振动部件、蠕动部件、鱼鳍部件，振动部件包括设于机器人头部的振动头，用于利用振动头径向周期振动使机器人头部接触的砂土液化，形成振动液化区；蠕动部件包括设于机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链，在砂土中蠕动以推动机器人前进，在海水中上下摆动，与鱼鳍部件协同控制机器人姿态。
24.跨介质机器人的混合驱动控制方法，如图1所示，具体包括：获取目标海区水文数据，计算区域海床砂土的安全系数，根据安全系数计算区域液化概率，以获得砂土液化所需的振动头电机功率；计算区域海床砂土的安全系数具体包括：收集环境参数，计算波压：
25.其中，p0为波压；为海水密度；g为重力加速度；d、h和l分别为水深、波浪高度和波长。
26.根据波压计算上层波浪引起的浅层海床砂土震荡剪切应力，及海底土壤周期应力比：
27.式中，τm为上层波浪引起的浅层海床砂土震荡剪切应力；τ1为海底土壤周期应力比；τ
ac
为振动部件周期应力载荷；p0为波压；z为海床深度；λ、ω为经验安全系数；x为水平坐标；t为时间；为海床土体有效上覆应力；为单位压力；n为砂土贯入击数阻抗值。
28.本发明提供的震荡剪切应力计算方式，考虑了机器人系统振动部件主动振动补偿项，同时还考虑了波浪对剪切应力的影响，提高了剪切应力计算的精确度，从而提高了机器人控制的安全性。
29.根据浅层海床砂土震荡剪切应力和海底土壤周期应力比计算出区域海床砂土的安全系数：sf=τ
l
/τm。
30.综上，可分析不同波浪等级、海床沙土组成、海水深度和主动振动强度条件下的海床砂土安全系数，进而按照可靠性理论计算区域液化概率，获得实现海床砂土区域土壤液化所需的主动振动项大小，即振动头电机功率，用于在蠕动状态下启动，由此指导机器人选型设计。
31.本发明利用振动头主动振动从而将机器人头部接触的砂土液化，引入了主动振动
机制，利用振动引发区域砂土液化，增加机器人系统周边环境孔隙水压力，降低有效应力，大幅缩减砂土剪切强度，增强粒度流动性，减轻系统运动环境阻力。土壤液化技术常用于浅层海床埋管作业，在周期性剪切力的作用下，海床土体体积膨胀和缩小的反复作用会使孔隙水压不断反复升降，从而引起有限制的流动大变形，使土壤微粒处于局部或全部悬浮，导致土的抗剪强度局部地或全部丧失。周期载荷作用下土体膨胀和土体缩小的共同作用和累积剪切孔隙水压力持续增大形成周期循环运动，是土壤液化的基础。本发明将地震载荷诱发海底土壤液化的判别应用到波浪载荷诱发的液化现象分析中，并引入主动振动载荷项，准确计算土壤液化的概率，提高了区域砂土液化的成功率。
32.跨介质机器人入水运动，控制跨介质机器人进入游动状态，游动状态下控制鱼鳍部件展开，蠕动部件摆动，从而使跨介质机器人按照预设轨迹行进；鱼鳍部件包括设于机器人壳体两侧的左、右鱼鳍，游动状态下左、右鱼鳍展开，蠕动状态下左、右鱼鳍收起；蠕动部件包括设于机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链，游动状态下，驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动，实现海底行进和转弯；蠕动状态下，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动。进一步的，机器人搭载捷联惯导系统，利用导航系统实现相对定位，机器人入水前，下载目标点信息，根据目标点信息和导航系统计算预设轨迹，机器人入手后，调整机器人姿态以按预设轨迹行进。
33.获取振动头电流环的电流值，根据电流值判断跨介质机器人头部是否接触砂土；获取跨介质机器人振动头电流环的电流信号，利用动态阈值的方法检测电流波动，判断是否发生碰撞。检测电流波动具体包括：分析系统电流-力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；在仿真测试阶段，进行跨介质机器人行进仿真，检测跨介质机器人头部力矩和电流环电流值，得到电流与力矩之间的关系，仿真阶段提供跨介质机器人与砂土接触的场景，从而获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，并根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值。
34.获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算高频清晰的电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系进行碰撞检测。
35.振动头与砂土接触会导致电机力矩突变，进而使电流变化值明显增大，因此，本发明将电流变化值与设定的特征阈值进行比较，判断碰撞是否发生。本发明的碰撞检测方法不借助外部传感器，仅依靠振动头驱动电机的电流信号，按照固定或动态阈值提取特征信号，实现对碰撞的检测，降低了系统成本。
36.若跨介质机器人头部未接触砂土，控制跨介质机器人保持游动状态，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部接触砂土，根据计算获得的振动头电机功率控制跨介质机器人振动头的驱动力，切换跨介质机器人至蠕动状态，蠕动状态下鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土；蠕动状态是跨介质机器人在砂土中行进的状态，蠕动状态下，左鱼鳍和右鱼鳍摆动至贴紧壳体的位姿，减少蠕动行进的阻力；振动部件包括设于跨介质机器人头部的振动
头，蠕动状态下，振动头在振动电机的驱动下径向周期振动，从而使跨介质机器人头部接触的砂土液化，形成振动液化区；蠕动状态下，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动，向后推动海水，从而使跨介质机器人整体前进。
37.进一步的，蠕动部件的蠕动链的每一节上下面在不同位置分布有顶端阶梯，跨介质机器人至蠕动状态后，顶端阶梯可插入振动液化区内，提供静摩擦力，起到固定跨介质机器人的作用，提高跨介质机器人在砂土中的蠕动行进能力，从而提高跨介质机器人穿越砂土的能力。
38.作为一种可选的实施例，进一步的，跨介质机器人的混合驱动控制方法还包括：蠕动状态下，计算跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深区间，根据砂土埋深区间控制蠕动部件的驱动力，在砂土埋深区间内蠕动行进。
39.计算跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深区间，具体包括：建立跨介质机器人在水下砂土环境中作业的简化力学模型，如图2所示。设跨介质机器人位于水深d、泥土深h的环境中，跨介质机器人头部与壳体总长为l1，跨介质机器人总长为l2，p1、p2、p3分别为作用在振动头侧面、壳体、蠕动链的压应力，f1、f2、f3分别为振动头侧面、壳体、蠕动链所受的摩阻力，分别为跨介质机器人壳体直径与尾部可自由摆动的最大孔洞直径；跨介质机器人在直流电机作用下获得能量e0，驱动螺旋在e0作用下摆动，推动跨介质机器人向前行进，该部分能量转化效率为，当尾部螺旋推动跨介质机器人向前行进做功大于液化区砂土阻力做功时，跨介质机器人向前移动行程δs，即土体变形量为δs，建立方程如下：
40.其中，δw为土体的变形能，rf×
δs为振动头侧面摩阻力做功，rw×
δs为振动头前方水阻力，为振动液化区的减阻系数，蠕动链上的顶端阶梯所受的静摩擦力不做功。
41.计算液化区域单位长度物体所受浮力fb：
42.其中，ws为单位长度物体所占空间替换为土壤后的土壤重量；w
p
为单位长度物体重量；pv为垂直方向土压；d为物体外径；为单位水重；d为上方水深。
43.根据物体重量、土压、水重等参数，可推算出液化区内物体实际所受浮力，可以不同环境下最大运行效率、最大推进比等作为优化目标，选择跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深的合理区间。
44.本发明实施例提供的混合驱动跨介质机器人的控制方法，硬件设备上，跨介质机器人设置有头部振动部件、鱼鳍摆动部件、尾部驱动螺旋部件，能够在不同动作状态下实现头部振动部件与尾部驱动螺旋部件组合驱动和鱼鳍摆动部件与尾部驱动螺旋部件的组合驱动；在软件控制上，基于硬件结构，跨介质机器人可以实现游动状态和蠕动状态，游动状态由鱼鳍摆动与尾部螺旋混合驱动；蠕动状态由头部振动和尾部螺旋混合驱动。跨介质机器人能够兼容游动和蠕动两种运动形式，利用其控制方法，改变机器人自身形态，拓展了跨介质机器人系统作业空间和介质环境。基于振动部件可以增强局部砂土流动性，提高海底砂土穿行效率，增强了跨介质机器人的通过性，同时能够利用蠕动链上的顶端阶梯将跨介质机器人隐藏在砂土中，提高了跨介质机器人任务的隐蔽性。
45.本发明的第二实施方式涉及一种跨介质机器人的混合驱动控制系统，包括：
振动头电机功率计算模块，用于获取目标海区水文数据，计算区域海床砂土的安全系数，根据安全系数计算区域液化概率，以获得砂土液化所需的振动头电机功率；驱动控制模块，用于在跨介质机器人入水运动时，控制跨介质机器人进入游动状态，游动状态下控制鱼鳍部件展开，蠕动部件摆动，从而使跨介质机器人按照预设轨迹行进；碰撞检测模块，用于获取振动头电流环的电流值，根据电流值判断跨介质机器人头部是否接触砂土；驱动控制模块还用于若跨介质机器人头部未接触砂土，控制跨介质机器人保持游动状态；若跨介质机器人头部接触砂土，根据振动头电机功率控制跨介质机器人振动头的驱动力，切换跨介质机器人至蠕动状态，蠕动状态下鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动。
46.进一步的，驱动控制模块还用于计算跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深区间，根据砂土埋深区间控制蠕动部件的驱动力，在砂土埋深区间内蠕动行进。
47.本发明第三实施例还提供一种跨介质机器人，用于水下摆动和蠕动前行，跨介质机器人包括：振动部件、蠕动部件、鱼鳍部件、驱动部件和壳体。其中，振动部件包括设于机器人头部的振动头、设于下壳体的振动电机；蠕动部件包括设于机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链；鱼鳍部件包括设于壳体两侧的左、右鱼鳍。
48.具体来说，跨介质机器人结构如图3所示，包括：振动部件、蠕动部件、鱼鳍部件、驱动部件和壳体。
49.振动部件包括设于跨介质机器人头部的振动头、设于下壳体的振动电机和传动密封组件，跨介质机器人头部设有电流环，根据电流环检测到的电流值控制振动头在振动电机的驱动下径向周期振动。跨介质机器人在海底前行时，电流环根据动态阈值检测识别前方是否存在砂土障碍，若存在则启动振动电机，振动头在振动电机的驱动下径向周期振动，从而使跨介质机器人头部接触的砂土液化，形成振动液化区，减小跨介质机器人行进阻力，跨介质机器人在驱动力的作用下顶开前方液化区前进。本发明提供的跨介质机器人，前部的振动部件与蠕动部件的摆动功能相配合，从而直接穿行砂土障碍物，一方面可以提高跨介质机器人钻取能力，为海底作业提供基础，另一方面能够利用砂土障碍物进行跨介质机器人隐藏，躲避探测。
50.电流环根据动态阈值检测识别前方是否存在砂土障碍，具体包括：分析系统电流-力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系判断前方是否存在砂土障碍。
51.蠕动部件包括设于跨介质机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链、螺旋连接器和蠕摆动驱动电机，作为一种可选的实施例，蠕摆动驱动电机为直流电机，驱动螺旋通过螺旋连接器固定连接于跨介质机器人尾部，蠕动链拼接成形后套设在驱动螺旋上，由驱动螺旋带动做摆动和蠕动动作，跨介质机器人在砂土中前进时，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动，向后推动海水，从而使跨介质机器人整体前进，在海底水域中行进时，蠕摆动驱动电机使驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动，实现海底行进和转弯。本发明提供的蠕动部件能够在
不同介质中前行进行不同姿态的运动，海底前行时在水域中与鱼鳍部件配合前行，在砂土障碍物中前行时与前方振动部件配合，保证了跨介质机器人在海底的行进速度。
52.鱼鳍部件包括设于壳体两侧的左、右鱼鳍，鱼鳍部件还包括微型舵机和传动密封组件，在跨介质机器人壳体的两侧对称装有左鱼鳍和右鱼鳍，用于跨介质机器人在水中行进时方向与姿态的调整控制，当跨介质机器人头部与砂土相接触时，左鱼鳍和右鱼鳍摆动至贴紧壳体的位姿，确保跨介质机器人顺利通过前部振动头所形成的振动液化区。
53.驱动部件包括电池、驱控板、直流电机和导航组件；驱控板内嵌于上壳体内，用于协调控制跨介质机器人各部分的运动。
54.蠕动部件的结构如图4所示，螺旋连接器固设于跨介质机器人尾部，将驱动螺旋与跨介质机器人壳体连接起来，同时还在螺旋连接器上挂载了蠕动链，蠕动链结构如图5所示，蠕动链为多节蠕动链节通过转动副拼接而成，整体套在驱动螺旋外部，同时每一节上下面在不同位置分布有顶端阶梯，当在砂土中进入蠕动模式后，顶端阶梯可插入振动液化区内，提供静摩擦力，起到固定跨介质机器人的作用，提高跨介质机器人在砂土中的蠕动行进能力，从而跨介质提高机器人穿越砂土的能力。
55.进一步的，为防止海水腐蚀和损坏机器人结构和电路，跨介质机器人硬件密封结构具体包括：振动部件、鱼鳍部件采用轴承端盖处双层o型圈密封结构，蠕动部件采用防水膜进行密封，用两张防水膜覆盖整个蠕动链，将尾部整体进行包裹封装，防水膜套在蠕动链外侧，延伸至螺旋连接器和直流电机组件，防水膜在蠕动链末端留有摆动余量，螺旋连接器和直流电机与机体外壳热熔胶接，实现系统密封设计。跨介质机器人利用静密封和动密封相结合密封机器人硬件，无相对运动的部件之间采用o型圈密封方式，有相对运动的部件之间采用防水膜嵌套密封方式，本发明提供的密封结构能够提高结构防水性与耐用性，同时能够保证系统游动推进和蠕动推进效率，避免结构卡死和损伤。
56.本发明提供的跨介质机器人兼容游动和蠕动两种运行方式，可以实现海底水域和砂土不同介质的直接通行。跨介质机器人混合驱动的工作原理具体为：在巡航状态下，跨介质机器人展开鱼鳍，蠕动链摆动，在海底水域实现跨介质机器人整体的水下行进与转弯；检测机器人是否遇到障碍物，例如砂土、礁石等，跨介质机器人根据障碍物确定是否保持游动状态，若是，则跨介质机器人整体保持游动状态，利用鱼鳍部件和蠕动链摆动实现上浮绕行；若不保持游动状态，则跨介质机器人转入蠕动状态，鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动前进，同时启动振动电机，使振动头接触的障碍物区域转化为振动液化区，振动液化区增强了障碍物内的流动性，减小了前方前进阻力。实时检测跨介质机器人头部是否还存在障碍物，若存在，返回判断是否保持游动状态；若不存在，跨介质机器人完成障碍物穿越，跨介质机器人放下鱼鳍部件，蠕动链恢复摆动运动方式，跨介质机器人整体恢复游动状态，继续巡航。
57.具体来说，跨介质机器人控制流程图如图6所示，将跨介质机器人投入到水体之中，鱼鳍自动从壳体展开，同时直流电机给尾部驱动螺旋供电，尾部开始摆动，跨介质机器人进入游动状态；在游动过程中跨介质机器人实时监测行进姿态是否符合轨迹，若出现误差则控制鱼鳍摆动调整跨介质机器人姿态，进而调整跨介质机器人的轨迹；若跨介质机器人姿态符合轨迹后跨介质机器人继续按照预定轨迹前进，同时跨介质机器人实时监测头部是否接触海底砂土；若跨介质机器人头部没有接触砂土，则跨介质机器人继续在游动状态下前进；若跨介质机器人头部已经接触砂土，则将鱼鳍收至贴紧壳体，准备进入蠕动状态；
进入蠕行状态后，振动电机开始工作，蠕动链蠕动的同时跨介质机器人头部振动，使头部周围的砂土松动，形成振动液化区；跨介质机器人在尾部驱动下顶开前方已液化的砂土，在海底砂土中穿行；当跨介质机器人穿过砂土区后微型舵机工作，驱动两鳍展开，跨介质机器人恢复到游动状态，继续沿预设路径行进，直至到达指定位置。
58.作为一种可选的实施例，跨介质机器人上搭载捷联惯导系统，实现相对定位，从而在跨介质机器人下载接收到目标点并计算轨迹信息后，实时比对调整跨介质机器人运行姿态。跨介质机器人实时监测头部是否接触海底砂土，具体包括：获取跨介质机器人振动头的振动电机电流信号，利用动态阈值的方法检测电流波动，实现跨介质机器人与水、砂土交互状态的划分。跨介质机器人接触砂土介质或从砂土中穿越入水，振动电机负载存在突变，电机及控制器为维持原有输出力矩和频率，将改变驱动电流大小抵抗负载变化，电机力矩突变，进而使电流变化值明显增大。获取跨介质机器人电流后，滤除影响碰撞识别的噪声信号，将电流变化值与设定的特征阈值进行比较，判断碰撞是否发生。
59.本发明提供的碰撞判断方法，选取原始滤波电流信号与相邻采样周期的电流值的变化值及范围作为动态特征阈值，进行碰撞检测，相较于传统基于绝对电流值的静态阈值方法，能够根据系统软硬件设备自动选择恰当的阈值，提高了砂土接触判断的准确度。
60.以海底通信光缆故障，需要精准定位的场景和海底侦查场景为例，说明跨介质机器人的控制方式。在海底光缆运维过程中，故障点的测量和海缆故障点精确定位是关键技术之一。现有技术中精准定位主要采用两种方式：一是从岸端测试海缆故障点的距离；二是在海上对故障点进行精确定位。岸基初始定位方法有光时域反射仪(otdr)测试法、电压测试法等，根据建设、运维、标定等前期工作基础的不同，岸基初步定位精度在十米或百米量级，且前期需要大量的架设工作，成本高、精度低。本发明提供的混合驱动的跨介质机器人携带定位载荷，执行精准定位任务，本发明提供的跨介质机器人能够将定位精度提升至分米级别，且无需事先架设设备，提高海底通信光缆检修精度和效率的同时降低检修成本。
61.具体来说，获得初始定位区域，跨介质机器人携带定位载荷，由光缆船释放入水，跨介质机器人张开鱼鳍，摆动蠕动链，进入游动状态；跨介质机器人游动至目标海域后，保持游动状态进行视觉检查，寻找光缆位置；跨介质机器人在目标海域中确定光缆位置后，跨介质机器人下沉至海床并收起鱼鳍，启动定位载荷，使跨介质机器人保持与光缆的垂直位置恒定游动；期间，由于海床状态复杂，跨介质机器人下沉时，跨介质机器人在游动与蠕动运动下切换，调整与光缆的绝对垂直距离；当跨介质机器人前方遇到砂土阻碍，控制系统检测到振动电机电流环电流的信号变化，发出振动电机启停与摆动鱼鳍动作的开关信号，实现跨介质机器人自身形态的变化和行进方式调整；待获得精准定位数据后，引导光缆车释放挖机、rov或抓钩，执行精准的切割、浮标设置、熔融接续等工作。
62.在海底侦查场景中，跨介质机器人作为两栖无人潜航器使用，在普通和特种环境中需求广泛。传统水下无人潜航器用于搜救、情报、监视、侦察甚至攻击任务时，由于功能性的限制，仅具备游泳能力，执行侦查任务时，采取减小或暂停动力、礁石遮蔽等反侦察手段。本发明提供的跨介质机器人搭载载荷游动，可实现传统潜航器的勘探或侦查任务；跨介质机器人在需要时可钻入海床砂土中，遇紧急情况或特殊任务时，可在海床砂土中寻求遮蔽，增强隐蔽性；在恶劣海况下，躲避在砂土中可以避开复杂的水文条件，在较深砂土中保持自身状态的相对稳定，减轻驱动能量消耗，在进入海床砂土后，可根据具体任务类型，受控选
择“继续穿越”或“暂留”动作。跨介质机器人能够停留在海床砂土中，使得布放、侦查和跟踪等任务隐蔽性大大增强，可通过远程操作分散部署，对港口封锁、海上拒止、航线封锁、雷区绘制等任务适应性较强，同时也可对水面、水下目标进行侦察或反侦察，或者作为远海外部声传感器平台，扩大潜艇等水下装备的搜索和侦察范围，组成反潜警戒线；跨介质机器人不需惧怕恶劣的水文环境和海底极高的危险度，可以长时间、高密级地侦察搜集水中的各种情报，为潜艇和两栖作战计划提供必要数据。
63.不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的装置实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。
64.值得一提的是，本实施方式中所涉及到的各模块均为逻辑模块，在实际应用中，一个逻辑单元可以是一个物理单元，也可以是一个物理单元的一部分，还可以以多个物理单元的组合实现。此外，为了突出本发明的创新部分，本实施方式中并没有将与解决本发明所提出的技术问题关系不太密切的单元引入，但这并不表明本实施方式中不存在其它的单元。
65.本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

技术特征：
1.一种跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述跨介质机器人的混合驱动控制方法具体包括：获取目标海区水文数据，计算区域海床砂土的安全系数，根据安全系数计算区域液化概率，以获得砂土液化所需的振动头电机功率；跨介质机器人入水运动，控制跨介质机器人进入游动状态，游动状态下控制鱼鳍部件展开，蠕动部件摆动，从而使跨介质机器人按照预设轨迹行进；获取振动头电流环的电流值，根据电流值判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部未接触砂土，控制跨介质机器人保持游动状态，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土；若跨介质机器人头部接触砂土，根据计算得到的振动头电机功率控制跨介质机器人振动头的驱动力，切换跨介质机器人至蠕动状态，蠕动状态下鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动，返回判断跨介质机器人头部是否接触砂土。2.根据权利要求1所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，鱼鳍部件包括设于机器人壳体两侧的左、右鱼鳍，游动状态下左、右鱼鳍展开，蠕动状态下左、右鱼鳍收起；蠕动部件包括设于机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链，游动状态下，驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动，实现海底行进和转弯；蠕动状态下，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动。3.根据权利要求1所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述根据电流值判断跨介质机器人头部是否接触砂土，具体包括：分析系统电流-力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算高频清晰的电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系进行碰撞检测。4.根据权利要求1所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述获得砂土液化所需的振动头电机功率，具体包括：收集环境参数，计算波压；根据波压计算上层波浪引起的浅层海床砂土震荡剪切应力，及海底土壤周期应力比；根据浅层海床砂土震荡剪切应力和海底土壤周期应力比计算出区域海床砂土的安全系数；根据不同波浪等级、海床沙土组成、海水深度和主动振动强度条件下的海床砂土安全系数，从而计算区域液化概率，获得振动头电机功率。5.根据权利要1所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述跨介质机器人的混合驱动控制方法还包括：蠕动状态下，计算跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深区间，根据砂土埋深区间控制蠕动部件的驱动力，在砂土埋深区间内蠕动行进。6.根据权利要求5所述的跨介质机器人的混合驱动控制方法，其特征在于，所述计算跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深区间，具体包括：建立跨介质机器人在水下砂土环境中作业的简化力学模型；计算液化区域单位长度物体所受浮力；根据物体重量、土压、水重等参数，计算出液化区内物体实际所受浮力；以不同
环境下最大推进比作为优化目标，获得跨介质机器人蠕动动作的砂土埋深的合理区间。7.一种跨介质机器人，其特征在于，跨介质机器人用于水下摆动和蠕动前行，所述跨介质机器人包括：振动部件、蠕动部件、鱼鳍部件、驱动部件和壳体；振动部件包括设于跨介质机器人头部的振动头、设于下壳体的振动电机和传动密封组件，跨介质机器人头部设有电流环，根据电流环检测到的电流值控制振动头在振动电机的驱动下径向周期振动，从而使跨介质机器人头部接触的砂土液化，形成振动液化区；蠕动部件包括设于跨介质机器人尾部的驱动螺旋和蠕动链、螺旋连接器和蠕摆动驱动电机，驱动螺旋通过螺旋连接器固定连接于机器人尾部，蠕动链拼接成形后套设在驱动螺旋上，由驱动螺旋带动做摆动和蠕动动作。8.根据权利要求7所述的跨介质机器人，其特征在于，所述电流环根据动态阈值检测识别前方是否存在砂土障碍，具体包括：分析系统电流-力矩模型，获取跨介质机器人振动头与砂土接触时电流、力矩变化关系，根据变化关系提取跨介质机器人振动头接触砂土的电流变化特征阈值；获取跨介质机器人振动头电流环的实时电流信号，对实时电流信号进行滤波处理，获得高频清晰的电流信号；计算电流信号与相邻采样周期的电流值的电流变化值，根据电流变化值与电流变化特征阈值的关系判断前方是否存在砂土障碍。9.根据权利要求7所述的跨介质机器人，其特征在于，机器人在砂土中前进时，蠕动链在驱动螺旋的带动下蠕动，向后推动海水，从而使机器人整体前进；在海底水域中行进时，蠕摆动驱动电机使驱动螺旋产生螺旋运动，带动蠕动链上下摆动。10.根据权利要求7所述的跨介质机器人，其特征在于，所述鱼鳍部件包括设于壳体两侧的左、右鱼鳍，鱼鳍部件还包括微型舵机和传动密封组件，在机器人壳体的两侧对称装有左鱼鳍和右鱼鳍，用于机器人在水中行进时方向与姿态的调整控制，当机器人头部与砂土相接触时，左鱼鳍和右鱼鳍摆动至贴紧壳体的位姿，确保机器人顺利通过前部振动头所形成的振动液化区。

技术总结
本发明涉及一种跨介质机器人的混合驱动控制方法及跨介质机器人。跨介质机器人的混合驱动控制方法包括：计算振动头电机功率，游动状态下鱼鳍部件展开，蠕动部件摆动；获取振动头电流环的电流值，判断机器人头部是否接触砂土；若未接触，机器人保持游动状态；若接触，控制机器人振动头的驱动力，切换机器人至蠕动状态，鱼鳍部件收起，蠕动部件蠕动。跨介质机器人包括振动部件、鱼鳍部件、蠕动部件，具有鱼鳍摆动与尾部螺旋、振动头振动与尾部螺旋两种混合驱动模式，形成了蠕动运动和游动运动状态，保证机器人在海底能够穿过不同介质的海水和砂土，同时增强机器人在海底作业的隐蔽性，控制方法计算量低，跨介质机器人成本低，混合驱动切换过程快速。切换过程快速。切换过程快速。


技术研发人员：陶永 高赫 张宇帆 韩栋明 刘海涛 万嘉昊
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2023.03.09
技术公布日：2023/5/30