一种三体流线型自主作业水下机器人平台的制作方法

本发明涉及一种水下机器人平台，尤其涉及一种三体流线型自主作业水下机器人平台，属于水下机器人领域。

背景技术：

海底蕴含大量的生物资源及矿产资源，然而复杂、危险的海底环境对人类开发开发海洋、利用海洋提出了巨大的挑战，在这个基础上，水下机器人就应运而生。相较与有缆水下机器人，无缆自主水下机器人具有活动范围广、控制精度高、无须专业和昂贵的母船支持、可在复杂的非结构化环境中作业等优点，是水下机器人研究的重要方向。

目前，潜水员仍然在水下工程和作业中起着最主要的作用，但随着作业深度的不断增加，潜水员工作的效率和时间越来越低，而工作成本和危险性却不断增加。专利文献“一种水下作业机器人CN103303449A”和“多功能水下作业装置CN202379073U”涉及到的水下作业机器人虽然也有一定的作业能力，但其主要为轮式机器人系统传统，可在核电站等特定的水下环境进行可靠作业，但难以普遍用于非结构化海底环境的航行和作业。专利文献“水下作业机器人及其工作方法CN104960652A”和“水下无人作业水产养殖机器人CN104813975A”涉及到的水下机器人主要为开架式遥控水下作业机器人，其主要特点是操作人员在水面母船对水下机器人进行遥控作业，传感器信息、控制指令和能源通过脐带缆实现水下载体和水面母船之间的传输，水下机器人的作业需要专业的母船支持，作业成本高，作业范围相对有限，作业精度完全取决于操作人员的熟练程度，长时间地作业容易造成操作人员的疲劳。

本发明设计了一种三体流线型自主作业水下机器人平台，机器人通过水下视觉系统自主识别作业目标，并测量与作业目标之间的距离，通过运动感知传感器实现对机器人和机械手的位置姿态反馈，通过机械手和机器人的运动实现水下机器人的自主作业。

技术实现要素：

本发明的目的是为了提供一种三体流线型自主作业水下机器人平台，是能够在非结构化环境中通过水下机器人和机械手的协调运动实现对目标的自主、稳定和高精度作业的平台。

本发明的目的是这样实现的：包括框架(1)、流线型外壳(3)、电池仓(10)、控制仓(11)、推进系统、运动感知系统、水下视觉感知系统和两个机械手(9)，所述流线型外壳(3)覆盖在框架(1)上，电池仓(10)有两个且对称安装在流线型外壳(3)的底部，控制仓(11)设置在框架(1)内，所述水下视觉系统和所述运动感知系统均安装在所述流线型外壳(3)的前端，所述推进系统安装在流线型外壳(3)上，两个机械手(9)安装在框架(1)上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述推进系统包括两个主推进螺旋桨(12)、一个侧推进螺旋桨(7)和四个垂直推进螺旋桨(8)，两个主推进螺旋桨(12)对称安装在流线型外壳(3)的后端，侧推进螺旋桨(7)安装在流线型外壳(3)前端的下表面，流线型外壳(3)前端的下表面和后端的下表面分别各对称设有两个垂直推进螺旋桨(8)；所述流线型外壳(3)的上表面设置有吊点(2)。

2.所述水下视觉感知系统包括安装在框架(1)内的前端双目视觉系统(4)和单目彩色水下摄像机(6)、安装在流线型外壳(3)的下表面的水下照明灯(13)。

3.所述运动感知系统包括设置在控制仓内的磁罗经和深度计、设置在框架内前端的声学多普勒仪(5)。

4.每个机械手包括依次连接机械手肩部(14)、机械手臂部(15)、机械手肘部(16)、机械手前臂(17)、机械手的腕部(19)、机械手的手爪(18)，机械手肩部(14)通过水密接插件(20)与框架(1)连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够在非结构化环境中通过水下机器人和机械手的协调运动实现对目标的自主、稳定和高精度作业，本发明具有自主性强、作业成本低、作业范围广、作业精度高等优点；本发明通过水下视觉系统自主识别作业目标，并测量与作业目标之间的距离，通过运动感知传感器实现对机器人和机械手的位置姿态反馈，通过机械手和机器人的运动实现水下机器人的自主作业。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明的总体结构俯视图；

图3是本发明的总体结构侧视图；

图4是本发明总体结构的前视图；

图5是本发明的总体结构后视图；

图6是本发明的回复力矩计算方法示意图；

图7是本发明的自主作业过程简图；

图8是机械手的轴测图；

图9是手爪的局部剖视图；

图10是机械手关节部分的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

实施例一：结合图1至图10，本发明包括框架1、流线型外壳3、电池仓10、控制仓11、推进系统、运动感知系统、水下视觉感知系统和两个机械手9，流线型外壳3覆盖在框架1上，电池仓10安装在流线型外壳3的底部，控制仓11设置在框架1内，所述水下视觉系统和所述运动感知系统均安装在所述流线型外壳3的前端，所述推进系统安装在流线型外壳3上，两个所述机械手9安装在框架1上，框架内还设置有摆放浮力材料的舱室41。

本实施例中为了保证水下机器人的中性浮力状态，剩余的空间将用来添加浮力材。

本实施例中在流线型外壳3的底部设置两个电池仓10，不仅为平台的航行提供作业能源，而且通过降低机器人整体重心来提高水下机器人的初稳心高，进而提高水下机器人作业的稳定性。

回复力矩计算公式为(其中“Δ”表示排水量、表示初稳心高、“φ”表示倾斜角度)，由公式可知初稳心高越大时回复力矩就越大，因此，通过降低重心提高初稳心高就可以增加水下机器人的稳定性。

实施例二：基于上述实施例，所述推挤系统包括两个主推进螺旋桨12、一个侧推进螺旋桨7和四个垂直推进螺旋桨8，两个主推进螺旋桨12安装在流线型外壳3的后端，侧推进螺旋桨7安装在流线型外壳3前端的下表面，流线型外壳3前端的下表面和后端的下表面分别各设有两个垂直推进螺旋桨8；所述流线型外壳3的上表面设置有吊点2。

本实施例的推进系统包括两个主推进螺旋桨12，一个侧推进螺旋桨7和四个垂直推进螺旋桨8，远距离航行时主要使用艉部的两个主推进螺旋桨12，作业时自主作业水下机器人平台切换为弱机动的协调作业位姿控制模式；通过垂直推进螺旋桨8、主推进螺旋桨12和侧推进螺旋桨7实现空间六个自由度的位姿控制，实现机器人和机械手的协调运动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

实施例三：基于上述实施例，所述水下视觉感知系统由双目视觉系统4、单目彩色水下摄像机6、水下照明灯13组成，双目视觉系统4、单目彩色水下摄像机6安装在框架1内的前端，水下照明灯13安装在流线型外壳3的下表面。

单目彩色摄像机6主要负责水下目标的识别，双目视觉系统4主要用于测距及定位，水下视觉感知系统主要负责水下目标的识别、测距和定位。而推进系统包括两个主推，一个侧推和四个垂推，远距离航行时主要使用艉部的两个主推，作业时自主作业水下机器人平台切换为弱机动的协调作业位姿控制模式，通过垂推、主推和侧推实现空间六个自由度的位姿控制，实现机器人和机械手的协调运动。

单目彩色摄像机主要负责水下目标的识别，识别成功后，自主作业水下机器人向目标前进，跟踪目标使目标进入双目视觉摄像机的观察范围，通过双目视觉摄像机在水下灯的帮助下确定水下目标的特征点，测量特征点相对机械手末端的距离，从而完成对水下目标的感知和自主作业。

实施例四：基于上述实施例，所述运动感知系统由声学多普勒仪5、磁罗经和深度计组成，声学多普勒仪5安装在框架1内的前端，所述磁罗经和所述深度计安装在控制仓11内。运动感知系统主要负责获得和推算机器人当前的位姿反馈，并在航行和作业时和推进系统构成控制回路，实现水下作业的自主控制。

实施例五：基于上述实施例，每个机械手9包括机械手肩部14、机械手臂部15、机械手肘部16、机械手前臂17、机械手的手爪18和机械手的腕部19，机械手肩部14、机械手臂部15、机械手肘部16、机械手前臂17、机械手的腕部19、机械手的手爪18依次连接，机械手肩部14通过水密接插件20与框架1连接。

机械手肩部14包括俯仰关节和摆动关节，机械手肘部16包括俯仰关节，机械手的腕部19包括摆动关节，各个所述关节为封闭式结构，所述封闭式结构由关节端盖21、密封圈22、编码器23、电机减速器一体机24、关节密封外壳25、旋转泛塞封26、关节主轴27、弹簧卡圈28、泛塞封套29、主轴轴承30和主轴连接器31组成，电机减速器一体机24安装在关节密封外壳25内，编码器23设在电机减速器一体机24的上端，关节主轴27与电机减速器一体机24的转动轴连接，主轴轴承30固定在关节主轴27与关节密封外壳25之间，泛塞封套29紧固在关节密封外壳25上，旋转泛塞封26固定在关节主轴27与泛塞封套29之间组成动密封，主轴连接器31通过键连接与弹簧卡圈28固定在关节主轴27上，密封圈22固定在关节密封外壳25和关节端盖21之间组成静密封。

通过电机减速器一体机24实现运动，编码器23实现关节的位姿反馈，旋转泛塞封26和泛塞封套29配合组成静环,旋转泛塞封26和关节主轴27配合组成动环实现关节的动密封。机械手的手爪18包括法兰32、手掌33、手爪轴承34、手爪主轴35、手爪基座36、大伞齿轮37、小伞齿轮38、锁紧螺母39和手爪锁紧基座40，小伞齿轮38通过电机轴与电机减速器一体机24的转动轴连接，小伞齿轮28与大伞齿轮27啮合，手爪主轴35的一端固定在手爪基座36上，手爪主轴35的另一端固定在手爪锁紧基座40上，手掌33固定在大伞齿轮27上，手掌33和大伞齿轮27通过手爪轴承34安装在手爪主轴35上，锁紧螺母39用于调节手爪主轴35与手爪锁紧基座40之间的间隙。

各关节的结构相似，各关节由电机减速器一体机24驱动，编码器23实现关节的位姿反馈，旋转泛塞封26固定在关节主轴上，通过泛塞封套29和关节密封外壳25实现关节的动密封，旋转泛塞封26和泛塞封套29配合组成静环,旋转泛塞封26和关节主轴27配合组成动环实现关节的动密封。水密接插件20负责传递关节的控制指令和编码器23反馈信息。手爪的运动主要由电机减速器一体机24通过电机主轴27带动伞齿轮37、38实现手爪的开合。组成及连接关系与具体实施方式五相同。

综上，本发明的工作原理是：当目标进入前端的单目彩色摄像机6视野内，机器人通过识别确定作业目标，在向前跟踪目标的同时由远距离航行模式切换为自主作业模式，目标进入机器人双目视觉系统4的视野范围内。双目视觉系统4测量作业目标距离机械手9的距离，机器人自主规划自主作业水下机器人平台的主体和机械手9的协调运动轨迹，在运动控制中由多普勒测速仪5、磁罗经和推进系统闭环控制机器人水下机器人平台主体的运动，结合编码器23对机械手9的位姿测量实现自主作业水下机器人平台的主体和机械手9的协调运动。