本發明涉及海上船舶作業領域，尤其涉及一種具有主動補償功能的波浪補償機器人系統。

背景技術：

隨著我國海洋工程產業不斷的發展，海洋平臺或船舶越來越頻繁地進行著海上的作業，其作業范圍從近海走向深海，甚至超深海，作業的難度也隨之增大。由于風浪的影響，在海上作業和行駛途中的船舶都會隨著風浪做無規律的搖擺，這些搖擺會導致船舶的相對位置發生變化。同時，也會產生作業效率低下，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，提高海上作業的安全平穩和高效，對實際工程和科學研究有著重大的意義。

目前，波浪補償技術主要運用于海上補給、海上貨物起吊和運送作業人員登靠風電塔等。并且，大多數采用體積較大的并聯平臺形式進行波浪補償，串聯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。并聯平臺的自身質量較大，工作范圍較小。并聯平臺和波浪補償起重機在海上作業過程中，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。現有裝置能夠實現的功能比較單一，現階段上還未有一種具有波浪補償功能的通用裝置或系統，能夠同時實現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、末端執行器驅動器和末端執行機構，小臂前端連接手腕機構后端，手腕機構前端剛性連接末端執行器驅動器，末端執行器驅動器連接末端執行機構，初始位置時的手腕機構平行于艦船甲板，手腕機構前端指向船頭正前方向，其特征是：手腕機構的后端包含第一、第二驅動器，前端包含一個差動機構和兩個支撐臂，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驅動框架，第一、第二驅動器在驅動框架的左、右兩側相對布置且共同連接驅動框架，第一、第二驅動器的中心軸均左右水平布置；支撐架的前側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；差動機構由四個錐齒輪、一個偏轉軸和兩個俯仰主動軸組成，偏轉軸上下垂直布置，第一、第二俯仰主動軸中心線共線、與偏轉軸的中心線相垂直且一左一右對稱布置在偏轉軸的兩側，第一、第二俯仰主動軸的一端共同能轉動地連接差動機構支撐塊，另一端支撐在同側對應的支撐臂上，偏轉軸的中間段同軸間隙穿過差動機構支撐塊的中心孔，偏轉軸的上段上通過軸承同軸連接第三錐齒輪，偏轉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；第一驅動器的輸出軸同軸固定連接第四帶輪，第二驅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行器驅動器。

上述專利中采用帶輪式的傳送結構，導致傳動機構復雜，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；

針對上述技術問題，本發明旨在提供一種串聯的多自由度波浪補償機器人系統和該系統的控制方法。該系統是一個通用系統，具有結構簡單、操作方便、使用范圍廣、效率高和功能多等優點。

技術實現要素：

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

為解決上述技術問題，本發明的技術方案為：一種具有主動波浪補償功能的機器人系統，該有主動波浪補償功能的機器人系統安裝在船舶上；其創新點在于：包括橫向導軌、縱向導軌、底盤、微慣導、機械臂、計算機和控制器；

所述橫向導軌與縱向導軌互相垂直設置在同一水平面上，且橫向導軌與縱向導軌鋪設在船舶甲板上；所述底盤通過驅動電機可沿著互相垂直的橫向導軌與縱向導軌往復移動；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導軌或縱向導軌移動；所述微慣導位于機械臂的旁側且連接固定在底盤上，實時測量因風浪引起的數據變換并向計算機發送所測試的數據；所述計算機與微慣導之間通過傳感器進行數據交換，計算機處理微慣導輸出的數據并進行處理以及建立模型、預測和輸出數據；所述控制器的一端與計算機進行數據交換，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，該系統的控制方法為：

s1：首先通過驅動電機將底盤、微慣導和機械臂通過橫向導軌和縱向導軌移動到工作位置，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，并將這些數據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：根據微慣導輸送的數據在計算機中進行濾波預處理和數據歸一化處理并建立模型，計算機根據建立的模型和微慣導檢測到的數據，預測波浪的情況；

s4：計算機根據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，計算出補償數據；

s5：計算機將處理好的補償數據發送給控制器，控制器驅動末端的機械臂進行補償運動。

進一步的，所述微慣導能夠實時檢測出橫搖、縱搖、艏搖、縱蕩、橫蕩、垂蕩以及縱蕩、橫蕩和垂蕩的速度數據。

進一步的，所述s2中建立模型為通過將微慣導輸送的數據在零均值和平穩化處理后通過計算機計算出自相關函數acf和偏相關函數pacf,根據函數曲線判定的ar模型，根據判定的ar模型通過計算機識別出模型參數對船舶進行連續預測。

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的檢測系統、補償系統、控制系統和執行系統。

本發明的優點在于：

1）本發明裝置中的機器人與普通機器人相比較，通過橫向導軌和縱向導軌有了更大的工作空間，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）本發明裝置中采用的是串聯形式的機構，與傳統并聯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）本發明裝置和控制方法可以有效的替代功能單一的傳統波浪補償裝置，使整個補償系統的結構更加簡單、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進行貨物的吊放和運送。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發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的整體結構示意圖。

圖2為模型識別與參數化過程。

圖3為具有主動波浪補償功能的機器人系統的控制原理圖。

圖4為末端執行機構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的技術人員更全面地理解本發明，但并不因此將本發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，該有主動波浪補償功能的機器人系統安裝在船舶上；包括橫向導軌1、縱向導軌2、底盤3、微慣導4、機械臂5、計算機6和控制器7組成；所述橫向導軌1和縱向導軌2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，通過滑輪在橫向導軌1和縱向導軌2上進行滑動；根據微慣導4的工作方式、數據精度和安裝要求，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據并且發送所測量出的數據；計算機6用于接受微慣導4輸出的數據、處理數據、建立模型、預測和輸出數據；控制器7接受計算機6發出的數據，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中船舶運動模型識別與參數化過程，設計該過程的目的在于彌補系統的滯后性；微慣導在船舶行駛過程中，能夠實時檢測到由于風浪引起的船舶運動數據；微慣導將數據傳輸到計算機中，對所檢測到的數據進行濾波預處理及數據歸一化處理；接著將處理后的數據進行零均值和平穩化處理，再進行分析。分別計算出自相關函數acf和偏相關函數pacf,通過相應的函數曲線判定為ar模型；通過公式識別出ar模型的模型參數；最后利用建立的ar預測模型對船舶的運動進行連續預測。

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

如圖4所示，為末端執行機構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據之后，設定一段時間為一個周期，令這個周期為采樣周期；通過歷史數據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預測；同時利用微慣導4獲得的數據和串聯機械臂5的坐標轉換，求出末端執行機構的位姿；接著，根據連續預測和獲得的位姿進行數據綜合處理；最后將綜合數據發送給控制器7；從微慣導4中輸出的數據到得到綜合數據這個部分對應圖3中的補償系統部分；控制器7驅動機械臂5中的驅動器，每隔采樣周期和控制器7發送數據的最小公倍數對末端執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的工作狀態中；首先，利用微慣導4實時檢測在海上作業的船舶的運動狀態；微慣導4以固定的采樣周期采集數據；一段時間后，存儲船舶歷史運動狀態；再根據圖2中船舶運動模型識別與參數化過程，對數據處理分析、建立模型和進行連續預測；由于微慣導4安裝在基座處，所以需要利用坐標轉換求出機械臂5末端執行機構的位姿。接下來，根據預測參數和末端執行器的位姿以及之前確定的目標點的位姿，進行數據綜合；利用采樣周期和控制器7發送命令的周期，選取二者最小公倍數為補償周期；最后，根據綜合得到的數據，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。

本行業的技術人員應該了解，本發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明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發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明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。