一种多自由度水下机器人的制作方法
【专利摘要】一种多自由度水下机器人半封闭壳体、多自由度推进器系统，多自由度控制系统、可视化操作系统、通用机械手安装平台组成；通过继电器模块组控制16组模块化喷水推进器的工作时序，实现水下机器人的六自由度运动和任意姿态悬停所需的13种工作状态；通过复合电缆实现强电流和弱电信号的实时传输，实现能源补给和可视化操作；通过配置通用机械接口和电气接口根据具体作业对象更换适当的机械手，实现了通用的水下作业平台的构建。本发明避免了当前水下机器人姿态控制能力差、运动模式单一、作业范围有限等缺点，提高了水下机器人的操控性和通用性，成本较低且效果显著。
【专利说明】
一种多自由度水下机器人
技术领域
[0001]本发明涉及新型水下机器人领域，具体为一种多自由度水下机器人。
【背景技术】
[0002]随着科技的进步和资源的日益匮乏，人类对海洋的认知和开发逐渐成为社会热点。21世纪是人类向海洋进军的世纪。深海作为人类尚未深入开发的宝地和高技术领域之一，已经成为各国重要的战略目标和竞争焦点。无人遥控潜水器(Remote OperatedVehicles，R0V)，也称水下机器人，是一种能够下潜到水下极端环境并代替人完成某些操作的作业机器人，现已成为开发、探测海洋的重要工具。水下机器人通常通过系缆与母船相连由操作人员远程遥控，动力、指令和数据经由复合电缆传输，凭借其经济性好、环境适应能力强、作业效率高等优点得到了迅速的发展和推广。
[0003]发明专利CN105136808A公开了一种“水下机器人水下设备破损检测平台”，基于常规水下机器人平台通过超声波探测水下设备的破损部位和损伤等级，并未涉及水下机器人的流体动力布局和航行控制;发明专利CN105404303A公开了 “一种ROV水下机器人的运动控制方法”，采用8个螺旋桨组成的推进系统，通过控制算法实现水下机器人的机动运动，推进器的布置方案使得水下机器人难以进行多姿态、多自由度运动。发明专利CN105262154A公开了 “一种水下机器人无线充电系统及其控制方法”，针对水下无线充电电路及能量控制方法进行了充分研究，并未涉及水下无人机器人自身的结构和控制方案。综上所述:现有公开的发明专利主要关注水下机器人的功能和控制策略，有关水下机器人自身的结构布局和航行控制的专利鲜见。因此，通过特殊的布局设计和控制方案实现水下机器人的多自由度运动，对于扩大其作业范围，提高其综合性能有显著作用。
【发明内容】
[0004]为了避免现有技术存在的不足，克服当前水下机器人姿态控制能力差、运动模式单一、作业范围受限等缺点，本发明提出了一种多自由度水下机器人，采用半封闭式壳体形成水下作业平台通过配置通用机械接口和电气接口根据具体作业对象外挂各种机械手，通过多组模块化小型推进器的配合实现真正意义上的水下六自由度运动，通过系缆的方式实现水面平台和水下机器人之间能源、指令和数据的实时传输，提高了水下机器人的操控性和通用性，成本较低且效果显著。
[0005]本发明解决技术问题所采用的技术方案是:包括由半封闭壳体、多自由度推进器系统，多自由度控制系统、可视化操作系统、通用机械手安装平台组成的多自由度水下机器人，其特点是，所述水下机器人采用半封闭设计模式将除了机械手之外的所有设备包围在壳体中以提高其在复杂水域作业的能力，由16个小型潜水栗组成的多自由度推进系统成本低、易于维护且可靠性高，配置高清监控摄像头并通过线缆将监控数据实时传输至水面平台实现可视化作业，下位机系统根据上位机发送的控制指令和传感器反馈的姿态信息和运动参数形成闭环多自由度控制方案；
[0006]所述多自由度水下机器人的半封闭壳体由第一推进器舱、第二推进器舱、主舱室和机械手通用安装接口组成，第一推进器舱和第二推进器舱的壁面开多组透水孔和喷水孔，舱内与外界连通，推进器由喷水孔将水向外喷射产生推力，半封闭的推进器舱可弱化复杂作业环境对水下机器人机的影响，位于中间封闭的主舱室，主要用于安装测控器件以保证控制系统和传感器正常工作，此外还可以为设备提供在水中悬浮所必需的浮力，机械手通用安装接口包括通用机械接口和通用电器接口，可以根据需求增加机械手的数量或更换机械手的种类；
[0007]所述水下机器人的多自由度推进系统由16台基于直流潜水栗的喷水推进器组成，在半封闭壳体的前、后、左、右面分别布置2台，上、下面分别布置4台，通过控制16台推进器工作的逻辑时序，多自由度推进系统可以产生沿x、y和ζ轴正方向或负方向的推力以及绕X、y和ζ轴顺时针或逆时针的力矩，进而实现六自由度运动；
[0008]所述水下机器人的多自由度控制系统由上位机操控系统、下位机控制系统、继电器模块组、三轴加速度计和水压计等组成，上位机操控系统发出控制指令通过复合电缆传送至下位机系统，下位机系统根据当前三轴加速度计和水压计所反馈的运动、位置和姿态参数向继电器模块组发送控制指令，继电器模块组接收到控制指令后控制16台推进器的工作时序，进而实现六自由度运动和任意姿态稳定悬浮，并且根据传感器的反馈参数判断水下机器人的姿态、位置是否满足上位机的要求；
[0009]所述水下机器人的可视化操作系统由实时监控软件、复合电缆、2组高清摄像头、2组光源组成，水下机器人中携带的高清摄像头通过复合电缆将所拍摄的画面实时传输至上位机，由CVI编写的上位机监控软件集成在上位机操控软件中具备录像、图片保存、视频回放等功能，在上位机操控界面可以打开实时监控软件对水下机器人及其机械手进行可视化操作。
[0010]有益效果
[0011]本发明提出了一种多自由度水下机器人，包括由外形布局、多自由度推进器系统，多自由度控制系统、可视化操作系统、通用机械手安装接口，具备六自由度运动、可视化操控、任意姿态悬浮、功能扩展等特点，通过三轴加速度计和水压计的反馈结果形成闭环控制系统，可精确调控运动速度和角速度以及悬停的姿态和位置。
[0012]本发明采用16组高度模块化的潜水栗作为水下机器人的推进器，通过继电器模块组实现时序控制和间歇工作实现六自由度运动和姿态调控，具有结构简单，成本低可靠性高等优点，另外，采用半封闭的外形布局将16台推进器全部至于推进器舱内部的设计模式可以增加水下机器人的对复杂工作环境的适应性。本发明提供了一种新型水下机器人总体设计和控制策略的新思路，对于降低水下机器人的研发成本、提高其工作可靠性以及形成通用得水下作业平台有显著的效果。
【附图说明】
[0013]图1:多自由队水下机器人全局图；
[0014]图2:多自由度水下机器人舱室结构；
[0015]图3:多自由度推进器布置方案；
[0016]图4:多自由度水下机器人控制方案；
[0017]图中:1.第一推进器舱2.主舱室3.第二推进器舱4.复合电缆口5.水压计安装口 6.前安装板7.前端板8.右外板9.右下板10.右内板11.密封垫12.右上板13.中上板14.左上板15.后端板16.后安装板17.机械手安装位18.安装孔19.防水开关20.左内板21.左外板22.器件安装板23.透水孔24.钢丝螺套25.左下板26.中下板27.喷水孔28.机械手电气接口 29.第一推进器30.第二推进器31.第三推进器32.第四推进器33.第五推进器34.第六推进器35.第七推进器36.第八推进器37.第九推进器38.第十推进器39.第^ 推进器40.第十二推进器41.第十三推进器42.第十四推进器43.第十五推进器44.第十六推进器45.上位机46.直流电源47.复合电缆48.第一电源模块49.第二电源模块50.第三电源模块51.下位机52.第一机械手53.第二机械手54.第三机械手55.集成继电器板56.第一光源57.第一摄像头58.第二摄像头59.第二光源60.水压计61.三轴加速度计
【具体实施方式】
[0018]本实施例是一种多自由度水下机器人。
[0019]参阅图1?图4，本实施例一种多自由度水下机器人由第一推进器舱1、主舱室2、第二推进器舱3、复合电缆接口 4、水压计安装口 5、前安装板6、前端板7、右外板8、右下板9、右内板10、密封垫11、右上板12、中上板13、左上板14、后端板15、后安装板16、机械手安装位17、安装孔18、防水开关19、左内板20、左外板21、器件安装板22、透水孔23、钢丝螺套24、左下板25、中下板26、喷水孔27、机械手电气接口 28、第一推进器29、第二推进器30、第三推进器31、第四推进器32、第五推进器33、第六推进器34、第七推进器35、第八推进器36、第九推进器37、第十推进器38、第^ 推进器39、第十二推进器40、第十三推进器41、第十四推进器42、第十五推进器43、第十六推进器44、上位机45、直流电源46、复合电缆47、第一电源模块48、第二电源模块49、第三电源模块50、下位机51、第一机械手52、第二机械手53、第三机械手54、集成继电器板55、第一光源56、第一摄像头57、第二摄像头58、第二光源59、水压计60、三轴加速度计61组成。
[0020]参阅图1和图2，第一推进器舱1、主舱室2和第二推进器舱均采用8_厚的有机玻璃板围成；前端板7、右内板10、后端板15、左内板20、中下板26和中上班13组成主舱室2，中上板13可拆卸并通过螺钉和密封垫11实现紧固和密封，其余5块板彼此固连，为了延长使用寿命和增强螺钉的紧固效果在螺钉孔处安装钢丝螺套24，前端板7和后端板15的两侧开有透水孔23和喷水孔27参与组成第一推进器舱I和第二推进器舱3;在主舱室2的基础上通过加装带透水孔23和喷水孔27的右外板8、右下板9、右上板12组成第一推进器舱I，通过加装带透水孔23和喷水孔27的左内板20、左外板21、左下板25组成第二推进器舱3，板间不需密封直接通过螺钉相连，螺钉孔安装钢丝螺套；中上板13上开有复合电缆接口 4和水压计安装孔5，后端板15上安装防水开关。
[0021]参阅图2和图3，水下机器人的多自由度推进系统由第一推进器29、第二推进器30、第三推进器31、第四推进器32、第五推进器33、第六推进器34、第七推进器35、第八推进器36、第九推进器37、第十推进器38、第^^一推进器39、第十二推进器40、第十三推进器41、第十四推进器42、第十五推进器43和第十六推进器44共16台相同规格基于潜水栗的喷水推进器组成；水下机器人总体外形为立方体(六面体)，在其前、后、左、右面分别安装两台推进器，在其上、下面分别安装4台推进器，推进器工作时水经由喷水孔27喷水，通过控制16台推进器的工作时序实现六自由度运动和姿态调控；同时只开启第二推进器30和第六推进器33实现沿X轴正方向平动，同时只开启第十推进器38和第十四推进器42实现沿X轴负方向平动，同时只开启第二推进器30和第十四推进器42实现绕X轴顺时针转动，同时只开启第一推进器29、第四推进器32、第十五推进器43和第十六推进器44可实现迅速下潜，按照此控制方式可通过控制不同推进器的工作时序实现六自由度运动；为了调控水下机器人的悬停姿态，可以在三轴加速度计反馈结果显示水下机器人由每个方向的运动或转动时，通过控制推进器施加抑制该运动的推力或力矩即可，姿态调控模式推进器工作在间歇工作状态，水下机器人的姿态处于动态稳定状态;使用6个I/O端口对继电器模块组的20个继电器进行编码，为了实现水下机器人的沿3轴正、负向平动和绕三轴正、负向转动以及停机，需采用4个I/O 口对13种继电器工作状态进行编码，为了实现对摄像头和光源的控制，采用2个I/O 口分别对控制第一光源56、第二光源59、第一摄像头57和第二摄像头58的继电器的工作状态进行编码。
[0022]参阅图4上位机45和直流电源46位于母船上，前者通过复合电缆47的弱电流通道向下位机51发送控制指令并接受下位机51上传的数据和信息，后者通过复合电缆47的强电流通道向水下机器人输送能源，复合电缆47是一条集成了集成电缆、信号线、视频线的零浮力缆绳;下位机接受上位机47经由复合电缆发送的控制信号，根据水压计60和三轴加速度计61反馈的数据，通过继电器模块组55控制推进系统或监控系统工作，同时第一摄像头57或第二摄像头58的监控内容经由复合电缆47传至上位机45，实现可视化操作;直流电源的强电流经由复合电缆47传至水下机器人，防水开关19接通后电流分别通过第一电源模块48、第二电源模块49、第三电源模块50的变压和稳压作用为以满足下位机51、推进器和传感器等耗电部件供能。
【主权项】
1.一种多自由度水下机器人，包括半封闭壳体、多自由度推进器系统，多自由度控制系统、可视化操作系统、通用机械手安装平台，其特征是:通过继电器模块组控制16组模块化喷水推进器的工作时序，实现水下机器人的六自由度运动和任意姿态悬停所需的13种工作状态;通过复合电缆实现强电流和弱电信号的实时传输，实现能源补给和可视化操作;通过配置通用机械接口和电气接口根据具体作业对象更换适当的机械手，实现了通用的水下作业平台的构建。2.根据权利要求1所述的一种多自由度水下机器人，其特征是:半封闭壳体由第一推进器舱、第二推进器舱、主舱室和机械手通用安装接口组成，第一推进器舱和第二推进器舱的壁面开多组透水孔和喷水孔与外界连通，推进器由喷水孔向外喷水产生推力，位于中间主舱室为密闭空间，主要用于安装各类测试、控制器件并且设备提供在水中悬停所需的浮力，可以根据实际需求在通用安装接口上改变机械手的数量和类型。3.根据权利要求1所述的一种多自由度水下机器人，其特征是:多自由度推进系统由16台基于直流潜水栗的喷水推进器组成，在半封闭壳体的前、后、左、右面分别布置2台，上、下面分别布置4台，通过控制16台推进器工作的逻辑时序，多自由度推进系统可以产生沿x、y和ζ轴正方向或负方向的推力以及绕x、y和ζ轴顺时针或逆时针的力矩，进而实现六自由度运动。4.根据权利要求1所述的一种多自由度水下机器人，其特征是:多自由度控制系统由上位机操控系统、下位机控制系统、继电器模块组、三轴加速度计和水压计等组成，上位机操控系统发出控制指令通过复合电缆传送至下位机系统，下位机系统根据当前三轴加速度计和水压计所反馈的运动、位置和姿态参数向继电器模块组发送指令，通过继电器模块组控制多自由度推进系统的13种工作状态，以满足维持水下机器人六自由度运动或任意姿态悬停的推力和力矩需求，并且结合传感器的反馈参数对水下机器人的姿态和位置的闭环控制。5.根据权利要求1所述的一种多自由度水下机器人，其特征是:可视化操作系统由实时监控软件、复合电缆、2组高清摄像头、2组光源组成，水下机器人中携带的高清摄像头通过复合电缆将所拍摄的画面实时传输至上位机，上位机监控软件集成在上位机操控软件中具备录像、图片保存、视频回放等功能，在上位机操控界面可以打开实时监控软件对水下机器人及其机械手进行可视化操作。
【文档编号】B63C11/34GK106043630SQ201610416624
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】黄闯, 党建军, 白杰, 师亚祯, 郭庆, 许海雨
【申请人】西北工业大学