具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明实施例,X方向为左右方向，Y方向为前后方向，Z为上下方向。

如图1所示，本发明实施例提供一种柔性水下机器人，包括至少一移动关节、头部模块1、尾部模块2、腔体模块3以及控制模块(未图示)。本发明实施例中，移动关节包括推动模块、旋转云台4以及柔性关节模块5，推动模块用于推动柔性关节模块5,推动模块包括全方位推进模块6以及主推器(未图示)。

如图2、图3、图4所示，本发明实施例中，柔性关节模块5与旋转云台4固定连接，包括第一连接板51、第二连接板52、第一弹簧53、若干个第二弹簧54、若干个第三弹簧55、若干第一牵引绳56、若干第二牵引绳57以及牵引模块58，第一弹簧53一端、第二弹簧54一端、第三弹簧55一端以及第一牵引绳56的一端与第一连接板51固定，第一弹簧53另一端、第二弹簧54另一端、第三弹簧55另一端与第二连接板52固定，第一牵引绳56另一端以及第二牵引绳57一端与牵引模块58固定，第二牵引绳57另一端与第二连接板52固定。可选地，不同的第一牵引绳56一端固定于第一连接板51的不同位置，不同的第二牵引绳57另一端固定于第二连接板52的不同位置，例如均设置于第一连接板51表面的前后左右四个方位的位置，均设置于第二连接板52表面的前后左右四个方位的位置。可选地，第一连接板51以及第二连接板52采用材质金属，柔性关节模块5还包括若干个固结线轴59设置于第一连接板51以及第二连接板52，用于固定第一牵引绳56以及第二牵引绳57。

如图2、图3、图4、图5所示，本发明实施例中，牵引模块58位于第一连接板51以及第二连接板52之间，用于控制第一牵引绳56以及第二牵引绳57以调节第一连接板51以及第二连接板52的运动。可选地，牵引模块58包括主体581、第一舵机模块582、若干第一轴轮单元583以及若干第二轴轮单元584；其中主体581分为上下部分，上下部分的结构相同，上部分设置第一轴轮单元583，下部分设置第二轴轮单元584。具体地，第一轴轮单元583位于第二轴轮单元584的上方，主体的前侧、后侧、左侧和右侧均固定有第一轴轮单元583以及第二轴轮单元584，每一第一轴轮单元583与第一牵引绳56另一端固定，每一第二轴轮单元584与第二牵引绳57一端固定，第一舵机模块582与控制模块连接，用于控制第一轴轮单元583以及第二轴轮单元584转动。需要说明的是，第一舵机模块582可以对每一第一轴轮单元583以及每一第二轴轮单元584进行单独控制，当第一轴轮单元583转动时，第一牵引绳56在上下方向上伸缩移动，当第二轴轮单元584转动时，第二牵引绳57在上下方向上伸缩移动，而第一牵引绳56以及第二牵引绳57在上下方向上伸缩移动可以带动第一连接板51和/或第二连接板52运动。可选地，第一舵机模块582带动第一轴轮单元583以及第二轴轮单元584的方式可以为通过带动主动齿轮585而带动从动齿轮586进而带动第一轴轮单元583以及第二轴轮单元584的方式，其他实施例中可以为其他方式。可选地，第一牵引绳56以及第二牵引绳57的材质为钢丝。

本发明实施例中，第一弹簧53、第二弹簧54以及第三弹簧55依序从内至外布置且对应的刚度逐渐降低，即由牵引模块58的主体581的中心往远离主体的方向排列且对应的刚度逐渐降低。可选地，可以采用不同的材质的弹簧，第一弹簧53刚度最高，包括但不限于1kN/m，较难伸缩，第二弹簧54刚度较低包括但不限于200N/m；第三弹簧55以刚度较低包括但不限于500N/m，因此可产生较大形变，负责改变柔性水下机器人各上下部位的夹角。其中，第一弹簧53位于主体581的中心，主体上具有若干让位槽供第一弹簧53、第二弹簧54以及第三弹簧55通过；第一弹簧53为高刚度，第二弹簧54为中刚度而第三弹簧55为低刚度。需要说明的是，当第一牵引绳56以及第二牵引绳57伸缩带动第一连接板51和第二连接板52时，第一弹簧53、第二弹簧54以及第三弹簧55会弯曲形变，负责传递柔性水下机器人上下部分的动力传递，具体地三段式渐变刚度弹簧在进行径向形变过程中，内中外三层支撑刚度逐渐变化，使得小形表现为低刚度，大形变表现为高刚度，进行柔性关节模块5变形时减缓冲击，让柔性关节模块5变形更为自然，同时能够有效增加应变区域和结构的疲劳寿命，提高稳定性。可以理解的是，第二弹簧54以及第三弹簧55的数量可以根据实际需要设定，不做具体限定。

如图6所示，本发明实施例中，旋转云台4包括防水垫圈(未图示)、云台保护套41、基座42、第二舵机模块(未图示)、防水轴承43、摄像头44、超声波探头45；其中，超声波探头45用于获取超声波信号，第二舵机模块以及摄像头44与控制模块连接，防水垫圈设置于基座42与柔性关节模块5固定连接的部位，第二舵机模块以及摄像头44设置于基座42内，基座42与云台保护套41之间通过防水轴承43连接。可选地，云台保护套41上设置有显露摄像头44以及超声波探头45的通孔。

如图7所示，本发明实施例中，推动模块包括全方位推进模块6以及主推器(未图示)。可选地，主推器用于为柔性关节模块5提供推动力。其中，全方位推进模块6包括外壳61、偏航驱动器以及俯仰驱动器，主推器、偏航驱动器以及俯仰驱动器与控制模块连接；偏航驱动器以及俯仰驱动器收容于外壳61内，外壳61与柔性关节模块5固定，偏航驱动器用于控制全方位推进模块6的偏航角和俯仰角，俯仰驱动器用于控制全方位推进模块6的沉浮和俯仰姿态。可选地，偏航驱动器包括无刷电机62以及对称设置的螺旋桨63，由于对称设置故动力学特征高度对称，调节偏航过程中时通过反向旋转产生更大的推力，用于更加灵敏迅速的进行姿态的调整。另外，螺旋桨63凸伸出外壳61，无刷电机62与螺旋桨63连接，无刷电机61接收驱动板的脉宽调制信号对应产生不同转速，驱动板则直接接收中央处理器发出的小电流控制信号；偏航驱动器与偏航驱动器之间密封连接且固定锁死，偏航驱动器水平方向(前后)安置，俯仰驱动器竖直方向(左右)安置。

如图7所示，本发明实施例中，头部模块1与全方位推进模块6以及旋转云台4中的其中一个固定且该固定的位置设置有密封胶圈64以及扣合件65，扣合件65作为胶圈支撑部分同时提供预缩进力，尾部模块2与全方位推进模块6以及旋转云台4中的另一个固定，头部模块1设置有LED灯，主推器设置于尾部模块2，LED灯与控制模块连接。

本发明实施例中，头部模块1采用半球形头部透明保护罩，有助于减小水下航行摩擦阻力；头部安装的LED灯，可实现水下黑暗环境下的照明，驱散水下聚集生物。头部连接处有密封胶圈8，四周穿孔便于头部与其他部分紧固连接。

可选地，头部模块1通过腔体模块3与全方位推进模块6以及旋转云台4中的其中一个固定，腔体模块3由圆柱形外壳包裹，内部有较大空间，空间内设置有温度传感器、压力传感器、多普勒流速计、六轴加速度计以及控制模块，温度传感器、压力传感器、多普勒流速计以及六轴加速度计与控制模块连接，用于获取水文数据，并且接口处由热熔胶封装，保证防水性。

需要说明的是，图1中所示为具有多个移动关节的柔性水下机器人，为其中一种实现方式，而本发明实施例描述时仅以一移动关节以及一腔体模块3具体实施例为例进行说明，具体地：以柔性关节模块5与旋转云台4以及全方位推进模块6固定连接，腔体模块3设置于旋转云台4上方，旋转云台4通过腔体模块3与头部模块1固定，尾部模块2固定于全方位推进模块6的下方为例，其中主推器设置于尾部模块2中。需要说明的是，本发明实施例中所提及的固定可以包括直接固定或者间接固定，具体不作限定；移动关节中各个部分的外径以及腔体模块3外径与头部模块1的外径相等。

本发明实施例中，控制模块用于根据超声波信号，控制牵引模块58以及推动模块，具体为控制第一舵机模块582、全方位推进模块6以及主推器。具体地，控制模块还用于控制第二舵机模块对旋转云台4的转角进行精确控制，以及对摄像头44获取的图像数据或者视频数据进行处理。可选地，控制模块包括驱动板以及中央处理器。

本发明实施例的柔性水下机器人通过第一弹簧53、第二弹簧54以及第三弹簧55依序从内至外布置且对应的刚度逐渐降低，形成渐变刚度结构使得姿态的调整更加灵活，具有复杂位姿变换能力，可大幅简化柔性水下机器人在转动时的复杂控制问题，在满足精度要求同时具备一定的柔顺度，配合全方位推进模块6，灵活穿梭于水下钢筋建筑物或礁石甚至复杂管道之中，便于实现水下精确位置的巡检排查任务。另外，整体呈流线型，没有明显凸起，防止被海草等水下植物卡住，相较于现有的机器人优化了关节结构设计，增加了运动超冗余自由度的全方位推进模块6，为柔性水下机器人提供了实现更多种任务的可能。同时，渐变刚度结构的设计使得当受撞击时能够吸收并释放能量从而保证柔性关节模块5的完整性，从而提高稳定性，抗冲击性强，能够增加柔性关节模块5应变区域和结构的疲劳寿命。

如图8所示，本发明实施例提供一种控制方法，可以应用于上述柔性水下机器人，包括步骤S100-S200：

S100、通过超声波探头获取超声波信号。

S200、控制模块根据超声波信号，计算柔性水下机器人的期望避障姿态以确定方位角，根据方位角控制牵引模块以及推动模块进行避障。

如图9所示，可选地，控制模块包括驱动板、姿态传感器、超声波通讯模块、电池以及中央处理器，电池用于为驱动板、姿态传感器、超声波通讯模块以及中央处理器供电，驱动板包括收发电路以及微型计算机。需要说明的是，中央处理器用于接收微型计算机的数据，并进行数据存储与指令决策。本发明实施例中，收发电路在工作时向指定方向发出超声波的发射信号，在被巡检管道或建筑物等被测对象的表面反射，与发射波混杂在一起被超声波探头收集信息，从而得到步骤S100中的超声波信号；然后，将超声波信号通过收发电路传送至微型计算机进行超声波信号的傅里叶分解等操作，生成被测对象表面纹隙图传输至中央控制器，或者由微型计算机通过超声波通讯模块直接将被测对象表面纹隙图发送回地面站。需要说明的是，微型计算机负责对图像数据和水文数据进行预处理后，由中央处理器负责调控柔性水下机器人的整体、局部运动等姿态调节动作，实现“分布式“内核，避免数据处理集中于一个内核，从而保障稳定性以及提高处理效率。

本发明实施例中设置进行避障的策略，可以优先保护柔性水下机器人结构的完整性。具体地，当超声波信号检测到被测对象，例如障碍物，中央控制器计算出柔性水下机器人躲避障碍物的期望避障姿态，并根据六轴加速度计(姿态传感器)获取当前位姿信息进行姿态解耦，从而根据期望避障姿态以及姿态解耦结果确定变化量，变化量包括但不限于方位角，然后控制牵引模块以及推动模块，具体地：根据方位角控制第一舵机模块以通过柔性关节模块调节柔性水下机器人的转向角度，并控制全方位推进模块反向转动配合下进行避障。

另外，摄像头、温度传感器、压力传感器、多普勒流速计以及六轴加速度计所获取的水文数据同样传输至微型计算机，供微型计算机处理将处理结果发送至中央控制器和/或地面站，或者微型计算机不作处理，直接将水文数据发送至中央控制器和/或地面站。

本发明实施例的控制方法还包括步骤S300或者S400：

S300、当柔性水下机器人处于遥控模式，控制模块根据地面站发送的控制信号控制牵引模块以及柔性关节模块。

可选地，在遥控模式下，中央控制器同样通过超声波通讯模块接收地面站发送的控制信号，而地面站中具有控制器能够通过六轴加速度计(姿态传感器)获取性水下机器人的状态信息以进行姿态调控。具体地，为了实现姿态调控，可以预先建立预设连杆模型，以每个关节末端(即旋转云台、柔性关节模块、头部模块、尾部模块、腔体模块以及全方位推进模块的末端)建立笛卡尔坐标系，关节具有两个自由度，相当于存在两原点重合的坐标系，通过安置在腔体模块中的六轴加速度计(姿态传感器)获取当前位姿信息，即可求得各坐标系之间旋转矩阵，从最末尾坐标系开始向后计算旋转矩阵的乘积，即可获得各个关节末端相对于上一关节末端位姿，即当前位姿。然后，根据预期位姿与柔性水下机器人的当前位姿的差进行PI运算，即可以得到控制信号，因此控制信号包含调节信息，即使得当前位姿调节为预期位姿的信息内容，从而进行柔性关节模块和/或旋转云台的转向、角度调节。

S400、当柔性水下机器人处于自主模式，控制模块根据预设任务控制牵引模块以及柔性关节模块。

本发明实施例中，预设任务可以事先设定，使得柔性水下机器人按照事先设定好的程序执行预设任务。例如，可以按照预设路线行进或者驶达指定目标位置获取水文数据，即在预设任务过程中获取水文数据，将水文数据进行保存或者通过超声波通信模块将水文数据传输至地面站。可选地，柔性水下机器人行进过程中关节摆直，呈现流体力学外形，主要由尾部的主推器产生前向推，在完成水文数据的收集后可以按照预定路线返航或执行下一个任务。需要说明的是，保存在中央控制器中的数据在完成柔性水下机器人回收后即可由专业人员取出保存。

本发明实施例还提供了一种电子设备，电子设备包括处理器和存储器，存储器中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现前述实施例的控制方法。本发明实施例的电子设备包括但不限于手机、平板电脑、电脑、上位机、工控机、车载电脑等终端。

上述方法实施例中的内容均适用于本设备实施例中，本设备实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集，至少一条指令、至少一段程序、代码集或指令集由处理器加载并执行以实现前述实施例的控制方法。

本发明实施例还提供本发明实施例还提供一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行前述实施例的控制方法。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括多指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-On ly Memory，简称ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序的介质。

以上，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。