CN117533473B - 具有并联机器人装置的船舶及自平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有并联机器人装置的船舶及自平衡方法。船舶包括主船、辅船和并联机器人装置。主船具有适于浸没在水面以下的船底。辅船包括多个位于主船两侧的子船体，子船体之间通过连接件固定连接，其中辅船向主船提供的支持力小于主船自身的重力。并联机器人装置包括：姿态传感器，设置于主船上；多个驱动缸，并联在主船与辅船之间，每一驱动缸内设置有线性位移传感器；控制器，配置控制多个驱动缸的输出，以辅船为基准平面，对主船进行运动补偿和姿态矫正，包括：建立船舶的非线性动力学模型，包括海浪对船舶的作用力；基于非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量。

Description

具有并联机器人装置的船舶及自平衡方法

技术领域

本发明涉及船舶技术领域，具体地，涉及一种具有并联机器人装置的船舶及自平衡方法。

背景技术

船舶在水面上会因为风浪等外界因素出现向某一方向上的倾斜，其原因在于：如图1所示，船舶在静水中处于正浮状态，此时船舶的重心G与浮心B在同一直线上，两者大小相等且方向相反，因此船舶处于稳定状态。如图2所示，由于风浪的作用，当船舶的一侧受到海浪波动，如左侧水位上升，吃水面积增大，浮力增大，增加的浮力F1或者由于侧面受风力F2的推动，使船舶的浮心B发生偏移至B₁，则船体向右侧倾斜。同时，浮力产生的反向力矩M使船体向回正方向运动，船体产生左右晃动，前后方向同理。对于船舶内的乘客的乘坐舒适性带来较大的负面影响，严重时甚至影响乘客、所载设备以及货物的安全。

为了解决这一问题，常见的做法是船体舭部上设置凸起的舭龙骨、鳍片，在上下移动时产生湍流，从而抑制船舶的横摇，但是在越大的船舶上减摇的效果越有限。而专利文献CN219295647U公开了一种现有船舶减摇的常见技术，即通过对船舱内各个储水舱内的水进行抽放、驱动，从而改变船舶的重心位置，从而克服因波浪带来的船身摇摆。然而这种技术的缺陷在于，对储水舱内的水进行抽放、驱动的效率缓慢，在波浪的频率较大时难以应对。

专利文献CN112977745A公开了一种波浪补偿船舶及其波浪补偿方法，将原本为同一整体的整船构造拆分为下层船体和上层载体两个部分，通过下层船体将上层载体完全托举起来进行平衡控制，其控制方式为：各油缸的伸缩补偿值由姿态传感器测得下层船体的姿态，并将测得的数据传输给运动控制器，运动控制器根据波浪补偿的反解算法，计算出横摇、纵摇、升沉的补偿值。该专利文献的缺点在于：1、将整船的上层载体与下层船体分离，所述下层船体为水中运动主船体，包括动力与船舶配套设备；所述上层载体为人员和易受摇摆影响设备的承载部分，即使不考虑实际中是否可实现，完全托举并改变上层载体姿态所需的能耗也相当巨大；2、根据实时检测的数据计算横摇、纵摇、升沉的补偿值后再进行平衡控制，由于该专利文献中的姿态平衡系统并不是完全解耦的，因此运动控制算法计算误差较大，控制效果有限。

随着科学技术的不断发展，机器人在工业生产、生活、科学研究等方面的应用越来越广泛。在机器人学领域，机器人一般可以分为串联机器人和并联机器人两类,串联机器人是一种典型的工业或实验室机器人，其特点是各个关节和执行器（如机械臂）是按照一定的顺序依次连接的，其移动范围较大，灵活性较好；并联机器人自平衡装置是通过并联方式布置的几个臂（称为支链）从基座向工作平台或末端执行器同时施力，对目标进行，并联机器人具有优秀控制精度和承载能力。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有并联机器人装置的船舶及自平衡方法。

根据本发明的一个方面提供的具有并联机器人装置的船舶，包括主船、辅船和并联机器人装置。所述主船具有适于浸没在水面以下的船底。所述辅船包括多个子船体，所述子船体之间通过连接件固定连接，所述子船体位于所述主船的两侧，其中所述辅船向所述主船提供的支持力小于所述主船自身的重力，即所述主船部分位于水面以下。所述并联机器人装置包括：姿态传感器，设置于所述主船上；多个驱动缸，并联在所述主船与所述辅船之间，每一驱动缸内设置有线性位移传感器；每一驱动缸的第一端连接所述主船，以所述主船为执行平台，第二端连接所述辅船，以所述辅船为基准平台；以及控制器，配置为通过所述姿态传感器获取主船姿态，控制所述多个驱动缸输出的线形位移长度，以所述辅船为基准平面，对所述主船进行运动补偿和姿态矫正；其中对所述主船进行运动补偿和姿态矫正的方式包括：建立具有所述并联机器人装置的船舶的非线性动力学模型，所述非线性动力学模型包括海浪对船舶的作用力；基于所述非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量。

可选地，所述主船和/或所述辅船上设置有推进装置。

可选地，所述辅船与所述主船之间通过万向连接件相互连接和牵引。

可选地，所述连接件包括可折叠或可伸缩结构，用于调整所述子船体的位置。

可选地，所述辅船被设计为部分浮于水面以上，且所述多个子船体位于所述主船的船舷两侧；或者所述辅船被设计为全部位于水面以下，且所述子船体位于所述主船的下方两侧。

可选地，所述连接件位于所述主船的下方，每一驱动缸的第一端连接所述主船，所述第二端连接所述子船体；或者所述连接件位于所述主船的甲板上方，每一驱动缸的第一端连接所述主船，所述第二端连接所述连接件。

可选地，所述控制器位于所述主船或辅船内，所述并联机器人装置还包括设置于所述主船或所述辅船内的驱动设备，所述控制器通过所述驱动设备驱动所述多个驱动缸。

可选地，所述辅船提供的浮力大于等于所述辅船自身的重力。

可选地，基于所述非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足所述船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量包括迭代进行如下过程：

构建船舶姿态稳定控制代价函数，所述船舶姿态稳定控制代价函数包括船舶期望状态和船舶预测将来时刻实际状态之差，以及所述多个驱动缸的预测将来时刻控制量和上一时刻实际控制量之差；

基于约束条件求解所述船舶姿态稳定控制代价函数，确定满足所述船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量；

使用所述船舶的非线性动力学状态方程，基于所述多个驱动缸的控制量和所述海浪对船舶的作用力求解所述船舶运动状态。

可选地，所述约束条件包括：使所述船舶姿态稳定控制代价函数最小、所述多个驱动缸的行程限制、速度限制和出力限制。

可选地，所述海浪对船舶的作用力包括一阶波浪力，所述一阶波浪力包括多组不同遭遇频率及相位的非线性基础波浪力。

可选地，所述一阶波浪力表达式为：

，

其中i代表驱动缸序号，为波幅，为所述遭遇频率，，为浪 向角，为船舶处于顶浪时 的波浪力幅值响应因子，即：

，

其中为波高。

可选地，所述船舶的非线性动力学状态方程为：

，

其中：q代表所述多个驱动缸的位置，为所述船舶的惯量矩阵，为 所述船舶的科氏力与离心力矩阵，为重力项，表示所述多个驱动缸上的驱动力，为所述多个驱动缸映射到所述主船的速度雅克比矩阵， 表示所述海浪对船舶的作 用力。

本发明的另一方面提供一种具有并联机器人装置的船舶的自平衡方法，包括以下步骤：

采集主船的实时姿态信息和驱动缸长度；

使用运动学模型，基于所述主船的实时姿态信息和驱动缸长度计算所述主船和辅船之间的姿态差值，进而得到辅船姿态；

根据所述辅船姿态确定船舶的期望姿态；

建立具有并联机器人装置的船舶的非线性动力学模型，所述非线性动力学模型包括海浪对船舶的作用力；以及

基于所述非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足所述船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本申请主船漂浮在水面，由海水提供浮力来至少部分承担主船的重力，辅船主要用于提供并联机器人装置在姿态矫正时所需的作用力，因此改变主船姿态所需的能耗更低。

2、本申请通过并联机器人装置的各个驱动缸在主船与辅船之间施力，借助辅船从俯仰、横滚和其他复合角度调整主船的姿态，从而实现主船的姿态调整，改变整船的重心位置，实现了主船的平稳。较现有技术的调整方式更加快速、高效，可以适用于各类小型、中型船舶及特种大型船舶。

3、本申请考虑了海浪作用力非线性因素，建立并联机器人装置、船舶的非线性动力学模型，能够在参数变化或外部扰动的情况下保持较好的姿态跟踪精度和实时性，具有较好的稳定性和鲁棒性，可以有效提升乘坐舒适感。

4、本申请利用并联机器人装置的运动学模型避免了辅船上安装姿态传感器，有效提升了稳定性和可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为船体在平静水面的示意图；

图2为船体受风浪影响的示意图；

图3为本发明一种具有并联机器人自平衡装置的船舶的前视图；

图4为本发明一种具有并联机器人自平衡装置的船舶的立体图；

图5为本发明一种具有并联机器人自平衡装置的船舶的后视图；

图6为本发明另一种具有并联机器人自平衡装置的船舶的前视图；

图7为本发明另一种具有并联机器人自平衡装置的船舶的立体图；

图8为本发明另一种具有并联机器人自平衡装置的船舶的后视图；

图9为本发明并联机器人自平衡装置的连接方式示意图；

图10为本发明并联机器人自平衡装置的连接方式示意图；

图11为主船部分浮于水面的示意图；

图12、图13为本发明的工作原理图；

图14为本发明的系统模型图；

图15为本发明控制算法整体框图；

图16为本发明非线性模型预测控制算法框图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图2至图8所示，本实施例提供一种具有并联机器人装置的船舶，包括：主船1、辅船2和并联机器人装置3三个部分。

主船1可以是现有的船舶，包括上层建筑、甲板、船舷11、船底12等结构，本发明对此不做限制。主船1通过并联机器人装置3与辅船2连接。如图7、8所示，为了实现防水，并联机器人装置3的端部分别通过球铰或其他类型关节的方式固定在主船1和辅船2。此时，可以将主船1视为并联机器人装置3的执行平台，将辅船2视为并联机器人装置3的基准平台。在本申请的实施例中，主船1如现有船舶一样部分浮于水面，主船1的船底和现有船舶一样适于浸没在水面以下。为此，辅船提供给主船的支持力被设计为小于主船自身的重力。在本申请的实施例中，辅船2可以部分浮于水面，也可以全部浸没于水下，这可通过辅船2与主船1的相对位置、船舶的水线等设计来实现。

辅船2可以包括多个子船体21，子船体21之间通过固定件相互固定连接，以便于构成上述基准平台。与背景技术中下层船体不同是，多个子船体21位于主船的两侧。这样主船可漂浮在水面上，由海水提供浮力来至少部分承担主船的重力，而多个子船体21从两侧提供矫正。多个子船体21之间是相互独立的，并可单独提供浮力。为此，子船体21被设计成具有一定体积的封闭结构，例如空腔。在一个实例中，连接件作为固定结构。在另一实例中，连接件也可以为可折叠或可伸缩结构，如此可以改变子船体21相对于主船1的位置。

并联机器人装置3包括多个并联在主船1和辅船2之间的驱动缸31、主船上的姿态传感器和驱动缸内的线性位移传感器，驱动缸31通过类似球铰或其他类型关节的方式连接在主船与辅船之间，驱动缸包括：电缸、液压缸或连杆。通过分别控制并联机器人装置3中每个驱动缸的伸缩，基于辅船2作为稳定平台，对主船1进行前后俯仰、左右横滚和复合角度的运动补偿，从而对主船进行运动补偿和姿态矫正。

本申请中，多个子船体21所提供的排水量可根据需要而定。辅船2的排水量可以设置为大于等于主船1的排水量，从而避免并联机器人自平衡装置3在伸缩时辅船2的姿态变化比主船1大。在其他实施例中，辅船的排水量也可以小于主船的排水量，主船依然可以实现姿态调整。在一个实施例中，多个子船体21所提供的总浮力可基本等于其自身的重力，这样辅船主要用于提供并联机器人装置在姿态矫正时所需的作用力，而无需承担托举主船的作用。在其他实施例中，多个子船体21所提供的总浮力可大于其自身的重力，这样辅船可部分承担托举主船的作用。作为示例，多个子船体21所提供的总浮力可在船舶总重力的50%-60%，这样辅船可同时具有部分托举主船和姿态矫正的功能，并且所需功率仍在并联机器人自平衡装置3能承受的范围内。

如图3至5所示，是辅船2部分浮于水面的情况，驱动缸31的一端连接主船1的侧壁，另一端连接辅船2，辅船2的两个子船体21分别位于主船1的船舷12两侧，高于或低于主船1的甲板。

如图6至8所示，是辅船2全部浸没在水中的情况，驱动缸31的一端连接主船1的侧壁，另一端连接辅船2，子船体21分别位于主船1的下方两侧位置。

考虑到船舶在行进过程中，主船1的动力、波浪影响到并联机器人装置3的控制，本申请还可以将主船1的底部与辅船2通过万向牵引装置4连接成一体，此时，整体船舶的推进装置可以设置在主船1上，也可以设置在辅船2上，甚至同时设置在主船1和辅船2上，通过万向牵引装置4作为提供动力传递和俯仰横滚自由度的链接装置。

并联机器人装置的控制器、硬件设备、驱动电机装置布置在主船内，使辅船尽可能小。但在一个实施例中，这些设备的至少部分也可以设置在辅船内。

在图11所示中，子船体21之间的固定件并不一定设置于主船1的底部，也可以从上绕过主船1的甲板来设置。此时，并联机器人装置3位于水面之上，更有利于防水。

如图12、图13所示，由于风浪作用，当主船一侧受到海浪波动，如左侧水位上升，吃水面积增大，浮力增大，增加的浮力F1或者由于侧面受风力F2的推动，使船体重心G和B发生偏移，则船体向右侧发生偏移，使主船1发生晃动。而船体设置并联机器人装置3后，置于主船上的姿态传感器和驱动缸内的线性位移传感器检测到船体的姿态变化信息，控制器对信息进行处理，进而驱动平衡系统，驱动缸以辅船2作为基准平台，提供侧向矫正力F抵消侧面F1和F2对主船影响，从而使主船1始终保持平稳。

在同样船在行驶过程中，由于主船1的船头和船尾吃水面积的差异，也会导致船体纵向的晃动；发动机减速和加速过程中的惯性也会导致纵向的颠簸。同样，而并联机器人装置的作用下，置于主船上的传感器检测到船体的姿态变化信息，控制器对信息进行处理，进而驱动平衡系统，驱动缸以辅船2作为基准平台，提供侧向矫正力F抵消侧面F3或推进装置对主船影响，从而使主船1始终保持平稳。

实施例2

在实施例1的基础上，本实施例还提供一种自平衡方法：

如图14-15所示，其中 为惯性坐标系，为辅船坐标系，为主船坐标系。主船和辅船之间由六个驱动缸连接，即可视为六自由度Stewart 并联机构，但本申请并不限制驱动缸的数量。姿态检测模块41位于主船上，可实时获得主船 姿态即 ，其中分别代表主船的横摇角、纵摇角及偏航角。与此同时， 驱动缸上的位移传感器42可实时获得驱动缸长度。控制器43连接姿 态检测模块41、位移传感器42和驱动缸，能够根据运动学模型计算主船和辅船之间的姿态 差值，进而可以得到辅船姿态即。由于本算法只考虑主船横摇角、纵摇角两 个方向的不平度，因此运动模型可以简化为：

（1），

，N为所述驱动缸的数量，为第个驱动缸的长度，、及为主船驱 动缸连接铰点在惯性坐标系下的坐标值，、及为辅船驱动缸连接铰点在惯性坐标 系下的坐标值，为初始高度，，s表示sin，c表示cos。于是辅船 的实际姿态为：

（2），

为整船的横摇角，为整船的纵摇角，为主船的横摇角，为主船的纵摇角， 为辅船的横摇角，为辅船的纵摇角。

在假定辅船浮力较大，短时间内可视为姿态静止的情况下，为补偿主船的不平度， 主船及辅船在空间中相对的位姿应为以及，即期望位置，，代入 到公式（1）的运动模型中，驱动缸的期望位置为：

（3），

归纳而言，一个基础的自平衡方法包括如下步骤：

采集主船的实时姿态信息和驱动缸长度；

使用运动学模型，基于主船的实时姿态信息和驱动缸长度计算主船和辅船之间的姿态差值，进而得到辅船姿态；

根据辅船姿态确定船舶的期望姿态；

根据船舶的期望姿态获得驱动缸的期望位置。

如图15所示，该过程为迭代进行的过程，且控制算法可在控制器43中执行。

进一步，本申请可进一步考虑海浪扰动，建立船舶自平衡稳定系统的非线性模型，并据此进行预测控制。如图15所示，船舶、海浪以及自平衡稳定机构之间是一个高度耦合的非线性系统，为达到良好的控制效果以及较好的海上环境适应性，本申请建立了自平衡稳定机构的动力学模型，在考虑海浪一阶波浪力对船舶运动的干扰下，结合非线性模型预测控制，对船舶运动状态进行估计预测，最后将控制问题转化为带约束条件优化问题进行求解，完成主船姿态的稳定控制。

船舶自平衡主动稳定系统的非线性动力学状态方程为：

（4），

其中：q为状态变量，即各驱动缸位置，且在6驱动缸的示例中，为系统（即船舶）的惯量矩阵，为系统的科氏力与离 心力矩阵，为重力项，表示为各个驱动缸上的驱动力，为各个驱动缸映射到主 船运动平台的速度雅克比矩阵， 表示为施加在主船和辅船平台上的其他作用力，包含 风浪力、阻力、浮力等。在一个示例中，表示海浪对船舶（包括主船和辅船）的作用力。

海浪干扰对船舶的运动影响很大，随机性较强，为此通用的简化方法是将某一特定海面的海浪视为6个来自不同方向的长峰波形成的干扰力和力矩对船体影响的叠加，这里仅考虑一阶波浪力的影响，即：

（5），

其中i为驱动缸序号，且在此例中，为波幅，为遭遇频率，，为浪向角，为船舶处于顶浪时 的波浪力幅值响应因 子，即：

（6），

其中为波高。

至此，船舶自平衡主动稳定系统的控制目标为通过控制驱动力使主船运动平 面的横摇角、纵摇角准确的跟踪期望目标以及。

结合式(4)-(6)，可建立船舶自平衡主动稳定系统的非线性动力学状态空间方程：

（7），

式中：为状态变量，为驱动力，即 控制变量，为输出变量。

如图16所示，该系统是一个多输入多输出的非线性系统，为此这里设计了一种非线性模型预测控制算法以完成对该系统的实时控制，进而实现船舶的自平衡主动稳定功能。

为实现主船姿态稳定且驱动缸出力尽量不发生突变，基于上述状态空间方程构建系统的代价函数如下：

（8），

式中：为船舶期望状态的理论参考值，即， 为时刻对将来的时刻的参考估计值，为时刻对将来的时刻的实 际状态估计值，为时刻对将来的时刻的驱动缸预测控制量，为上一 时刻的驱动缸实际控制量，为预测时域，为控制时域，为控制系统误差的权重矩 阵，为控制量增量的权重矩阵，为权重系数，为松弛因子。由此，代价函数包括2个项： 船舶期望状态和船舶预测将来时刻实际状态之差，以及多个驱动缸的预测将来时刻控制量 和上一时刻实际控制量之差。

由于驱动缸的行程、速度以及出力都受物理条件的限制，因此该船舶自平衡主动稳定系统的约束为：

（9），

式中，，、分别为驱动缸位移输出的最小值和最大值，、分别为驱动缸速度的最小值和最大值，、分别为驱动缸出力的 最小值和最大值。

根据以上描述，船舶自平衡主动稳定系统的非线性模型预测控制可以转化为每一个采样周期内求解以下带约束的非线性规划问题：

（10），

在每个采样周期内对上式进行求解，得到控制时域内的最优控制序列为：

（11），

根据模型预测控制原理，只将该控制序列的第一个元素作为被控对象的实际输入，即

（12），

在下一个控制周期，系统以新的采样时刻的状态为初始状态进行求解，继续将控制序列的第一个元素作用于主动稳定系统，如此循环，即可实现主船的预测稳定控制。

归纳而言，根据船舶自平衡稳定系统的非线性模型进行预测控制的步骤包括：

建立具有并联机器人装置的船舶的非线性动力学模型，非线性动力学模型包括海浪对船舶的作用力；

基于所述非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量。

上述的步骤可在前文的基础的自平衡方法之后执行。

非线性动力学模型的模型如图16所示，其中基于非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量进一步包括：

构建船舶姿态稳定控制代价函数，姿态稳定控制代价函数包括船舶期望状态和船舶预测将来时刻实际状态之差，以及多个驱动缸的预测将来时刻控制量和上一时刻实际控制量之差；在此，代价函数为前述公式（8）。

基于约束条件求解姿态稳定控制代价函数，确定满足船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量；求解过程参考前述公式（9）-（12）。

使用船舶的非线性动力学状态方程，基于多个驱动缸的控制量和海浪对船舶的作用力求解船舶运动状态；非线性动力学状态方程可为前述公式（4）。

上述实施例的方法考虑了系统的非线性因素，建立自平衡机构、船舶的非线性动力学模型，在控制过程中考虑了驱动缸的物理约束，能够在参数变化或外部扰动的情况下保持较好的姿态跟踪精度和实时性，具有较好的稳定性和健壮性，可以有效提升乘坐舒适感；该方案利用自平衡机构的运动学模型避免了水下辅船姿态传感器的安装，有效提升了系统的稳定性和可靠性。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (19)

1.一种具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，包括：主船、辅船和并联机器人装置；

所述主船具有适于浸没在水面以下的船底；

所述辅船包括多个子船体，所述子船体之间通过连接件固定连接，所述子船体位于所述主船的两侧，其中所述辅船提供给主船的支持力小于所述主船自身的重力，即所述主船部分位于水面以下；

所述并联机器人装置包括：

姿态传感器，设置于所述主船上；

多个驱动缸，并联在所述主船与所述辅船之间，每一驱动缸内设置有线性位移传感器；每一驱动缸的第一端连接所述主船，以所述主船为执行平台，第二端连接所述辅船，以所述辅船为基准平台；以及

控制器，配置为通过所述姿态传感器获取主船姿态，控制所述多个驱动缸输出的线形位移长度，以所述辅船为基准平面，对所述主船进行运动补偿和姿态矫正；其中对所述主船进行运动补偿和姿态矫正的方式包括：通过所述线性位移传感器获取驱动缸长度，使用运动学模型，基于所述主船姿态和所述驱动缸长度计算所述主船和辅船之间的姿态差值，进而得到辅船姿态，所述运动学模型包括主船横摇角、主船纵摇角和驱动缸长度，根据所述辅船姿态确定船舶的期望姿态，建立具有所述并联机器人装置的船舶的非线性动力学模型，所述非线性动力学模型包括海浪对船舶的作用力、多个驱动缸的位置和多个驱动缸上的驱动力，基于所述非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量。

2.根据权利要求1所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述主船和/或所述辅船上设置有推进装置。

3.根据权利要求2所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述辅船与所述主船之间通过万向连接件相互连接和牵引。

4.根据权利要求1所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述连接件包括可折叠或可伸缩结构，用于调整所述子船体的位置。

5.根据权利要求1所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，

所述辅船被设计为部分浮于水面以上，且所述多个子船体位于所述主船的船舷两侧；或者

所述辅船被设计为全部位于水面以下，且所述子船体位于所述主船的下方两侧。

6.根据权利要求1所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述连接件位于所述主船的下方，每一驱动缸的第一端连接所述主船，所述第二端连接所述子船体；

或者，所述连接件位于所述主船的甲板上方，每一驱动缸的第一端连接所述主船，所述第二端连接所述连接件。

7.根据权利要求1所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述控制器位于所述主船或辅船内，所述并联机器人装置还包括设置于所述主船或所述辅船内的驱动设备，所述控制器通过所述驱动设备驱动所述多个驱动缸。

8.根据权利要求1所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述辅船提供的浮力大于等于所述辅船自身的重力。

9.根据权利要求1所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，基于所述非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足所述船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量包括迭代进行如下过程：

构建船舶姿态稳定控制代价函数，所述船舶姿态稳定控制代价函数包括船舶期望状态和船舶预测将来时刻实际状态之差，以及所述多个驱动缸的预测将来时刻控制量和上一时刻实际控制量之差；

基于约束条件求解所述船舶姿态稳定控制代价函数，确定满足所述船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量；

使用所述船舶的非线性动力学状态方程，基于所述多个驱动缸的控制量和所述海浪对船舶的作用力求解所述船舶运动状态。

10.根据权利要求9所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述约束条件包括：使所述船舶姿态稳定控制代价函数最小、所述多个驱动缸的行程限制、速度限制和出力限制。

11.根据权利要求1或9所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述海浪对船舶的作用力包括一阶波浪力，所述一阶波浪力包括多组不同遭遇频率及相位的非线性基础波浪力。

12.根据权利要求11所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述一阶波浪力表达式为：

，

其中i代表驱动缸序号，为波幅，/>为所述遭遇频率，/>，/>为浪向角，为船舶处于顶浪时/> 的波浪力幅值响应因子，即：

，

其中为波高。

13.根据权利要求9所述的具有并联机器人装置的船舶，其特征在于，所述船舶的非线性动力学状态方程为：

，

其中：q代表所述多个驱动缸的位置，为所述船舶的惯量矩阵，/>为所述船舶的科氏力与离心力矩阵，/>为重力项，/>表示所述多个驱动缸上的驱动力，/>为所述多个驱动缸映射到所述主船的速度雅克比矩阵， />表示所述海浪对船舶的作用力。

14.一种权利要求1-8任一项所述的具有并联机器人装置的船舶的自平衡方法，其特征在于，包括以下步骤：

采集主船的实时姿态信息和驱动缸长度；

使用运动学模型，基于所述主船的实时姿态信息和驱动缸长度计算所述主船和辅船之间的姿态差值，进而得到辅船姿态；

根据所述辅船姿态确定船舶的期望姿态；

建立具有并联机器人装置的船舶的非线性动力学模型，所述非线性动力学模型包括海浪对船舶的作用力；

基于所述非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足所述船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量。

15.如权利要求14的所述具有并联机器人装置的船舶的自平衡方法，其特征在于，基于所述非线性动力学模型，使用非线性模型预测控制算法预测船舶运动状态，并确定满足船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量的方法包括：

构建船舶姿态稳定控制代价函数，所述船舶姿态稳定控制代价函数包括船舶期望状态和船舶预测将来时刻实际状态之差，以及所述多个驱动缸的预测将来时刻控制量和上一时刻实际控制量之差；

基于约束条件求解所述船舶姿态稳定控制代价函数，确定满足船舶期望姿态的多个驱动缸的控制量；

使用船舶的非线性动力学状态方程，基于多个驱动缸的控制量和海浪对船舶的作用力求解船舶运动状态。

16.如权利要求15的所述具有并联机器人装置的船舶的自平衡方法，其特征在于，所述约束条件包括：使所述船舶姿态稳定控制代价函数最小、所述多个驱动缸的行程限制、速度限制和出力限制。

17.如权利要求14的所述具有并联机器人装置的船舶的自平衡方法，其特征在于，所述海浪对船舶的作用力包括一阶波浪力，所述一阶波浪力包括多组不同遭遇频率及相位的非线性基础波浪力。

18.如权利要求17的所述具有并联机器人装置的船舶的自平衡方法，其特征在于，所述一阶波浪力表达式为：

，

其中i代表驱动缸序号，为波幅，/>为遭遇频率，/>，/>为浪向角，为船舶处于顶浪时/> 的波浪力幅值响应因子，即：

，

其中为波高。

19.根据权利要求15所述的具有并联机器人装置的船舶的自平衡方法，其特征在于，所述船舶的非线性动力学状态方程为：

，

其中：q代表所述多个驱动缸的位置，为所述船舶的惯量矩阵，/>为所述船舶的科氏力与离心力矩阵，/>为重力项，/>表示所述多个驱动缸上的驱动力，/>为所述多个驱动缸映射到所述主船的速度雅克比矩阵， />表示所述海浪对船舶的作用力。