一种深水水下智能操作机器人及其控制系统的制作方法

本发明属于机器人领域，具体涉及一种深水水下智能操作机器人及其控制系统。

背景技术：

水下机器人又称无人遥控潜水器，它并不是一个人们通常想象的具有人类形状的机器，而是一种在水下运动并且具有一定的感知能力，采用遥控或自主操作方法来控制，利用机械臂辅助人们去完成水下作业任务的装置。随着人类对海洋资源的不断探索，水下机器人已成为开发海洋的重要工具。水下机器人技术是进行水底探测和水下操作的一项重要技术，水下机器人技术广泛的应用于水下考古、水下探测、水下养殖、水下救援、水下科学考察、水下目标搜索等领域。现有水下机器人存在体积大、重量大、灵活性差、制造难度大等问题，难以实现大潜深。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种深水水下智能操作机器人及其控制系统，克服现有水下机器人作业效率低的缺陷。

为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种深水水下智能操作机器人，包括圆筒形的壳体、对称安装在壳体外壁中部两侧的竖向推进器和对称安装在壳体外壁后部两侧的水平推进器，还包括安装在壳体两端的两个半球形的透明密封罩、由所述壳体和密封罩围成的流线型的密封耐压舱、对称安装在壳体外壁前部两侧的两个照明灯、安装在照明灯下端的六自由度机械臂、安装在壳体下端的两个壳体支架和设在壳体上部的线缆通孔；

所述密封耐压舱内设有：固定在壳体下部内壁上的弧形电池安装架、安装在电池安装架内的多个电池、垂直于壳体中心轴线且连接壳体上部内壁和电池安装架的竖向固定板、水平安装在竖向固定板前后两侧且位于电池安装架上方的前部水平安装板和后部水平安装板、安装在前部水平安装板上的双目摄像机和测距激光头、安装在后部水平安装板下表面的重心调整机构和传感器。

本发明还包括如下技术特征：

可选地，所述重心调整机构包括垂直固定在后部水平安装板下表面的两个相对的丝杠支板，在两个丝杠支板之间垂直连接有相互平行的丝杠和两个直线光滑导轨，在丝杠和两个直线光滑导轨上贯穿有与丝杠螺纹配合的配重块，所述丝杠穿出丝杠支板并连接有安装在丝杠支板上的丝杠电机。

可选地，所述水平推进器通过套在水平推进器外壁上的水平推进器抱箍连接有水平连接块，水平连接块通过套在壳体外壁上的第一壳体抱箍固定在壳体外壁上；所述竖向推进器通过套在竖向推进器外壁上的竖向推进器抱箍连接有竖向连接块，竖向连接块通过套在壳体外壁上的第二壳体抱箍固定在壳体外壁上；所述照明灯通过套在照明灯外壁上的照明灯抱箍连接有照明灯连接块，照明灯连接块通过套在壳体外壁上的第三壳体抱箍固定在壳体外壁上。

可选地，所述壳体支架通过连接板安装在第一壳体抱箍和第三壳体抱箍上；

所述水平推进器的中心轴线与壳体的中心轴线平行，所述水平连接块为类矩形结构，水平连接块的两个相对的侧壁为弧形壁，其中一个弧形壁紧贴壳体外壁，另一个弧形壁紧贴水平推进器的外壁；所述水平连接块的上下底面镂空，且水平连接块的上下底面的边缘分别固定连接第一壳体抱箍的端部；

所述竖向推进器的中心轴线与壳体的中心轴线垂直，所述竖向连接块为类矩形结构，竖向连接块的两个相对的侧壁为弧形壁，其中一个弧形壁紧贴壳体外壁，另一个弧形壁紧贴竖向推进器的外壁；所述竖向连接块的前后两个侧壁镂空，且竖向连接块的上下底面分别固定连接第二壳体抱箍的端部；

所述照明灯的中心轴线与壳体的中心轴线平行，所述照明灯连接块为类u形结构，照明灯安装在照明灯连接块的两个侧板之间，照明灯连接块的底板外壁为弧形结构，用以紧贴壳体外壁，所述照明灯连接块的两个侧板的外壁分别固定连接第三壳体抱箍的端部。

可选地，所述六自由度机械臂包括通过连接片固定在照明灯下端的肩部，在肩部上铰接有可水平转动的大臂，大臂上铰接有可竖向转动的小臂，小臂前端连接有腕部，在腕部上安装有三指电磁手爪。

可选地，所述三指电磁爪包括连接腕部的开合盘，在开合盘中心垂直设有套装有弹簧的可伸缩的开合拉杆，所述开合拉杆通过三个连杆铰接有三个铰接在开合盘上的三个手指；工作时，电磁铁吸合开合盘使开合拉杆伸出，从而通过连杆拉动三个手指聚拢闭合；断电后，电磁铁分离，开合拉杆在弹簧的弹力作用下恢复初始位置即收缩进开合盘内，通过连杆推动三个手指打开。

可选地，所述前部水平安装板上安装有可水平转动的u形的云台支架，在云台支架下底板上安装有能带动云台支架在水平面内转动的水平转动舵机；

在云台支架的一个侧板上连接有垂直于壳体中心轴线的摄像机安装板，摄像机安装板的前壁上安装所述双目摄像机，在双目摄像机两侧的摄像机安装板上安装两个所述测距激光头；

在摄像机安装板的后壁上垂直设有一个与所述云台支架的一个侧壁相平行紧贴且可转动连接的连接板，在摄像机安装板的后壁上还垂直设有两个与所述云台支架的另一个侧壁相平行紧贴的舵机固定板，在所述舵机固定板上安装有竖向转动舵机，所述竖向转动舵机与其紧贴的云台支架的侧壁可转动连接。

可选地，所述电池为圆柱形结构，各个电池的中心轴线与电池安装架的中心轴线平行，且各电池沿着电池安装架所形成的弧形排布；在所述电池安装架和后部水平安装板的下表面之间垂直连接有弧形支撑板，用以支撑后部水平安装板，所述弧形支撑板位于中心调整机构的下方；所述壳体外壁上部设有把手。

可选地，所述壳体的端部和密封罩之间依次设有o形垫片、两个o形密封圈和侧壁设有两个圆环形凹槽的圆筒形的连接环；两个o形密封圈紧密安装在连接环的两个圆环形凹槽内；在密封罩外侧一周套有环形保护圈，保护圈依次将密封罩、连接环、两个o形密封圈和o形垫片紧密压实并固定在壳体的端部；在所述保护圈内壁涂有防水涂层；从而防止海水进入密封耐压舱；

所述线缆通孔上安装有水密箱，水密箱上依次密封设有水密连接环和水密插头，用于使线缆密封连通密封耐压舱。

具体的，所述传感器为姿态传感器，用以采集机器人在水中的姿态和重心数据；在所述壳体1上还安装有声纳。

本发明还提供一种深水水下智能操作机器人控制系统，包括所述的深水水下智能操作机器人，还包括密封安装在线缆通孔上的线缆、连接线缆的地面操控箱和连接地面操控箱的视频眼镜；通过线缆将地面操控箱的控制信号、电源和命令传输给所述的深水水下智能操作机器人，并通过线缆接收所述的深水水下智能操作机器人采集的视频图像和传感器数据；地面操控箱将接收到的视频图像传输给视频眼镜。

本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：

(ⅰ)本发明设计合理、体积小，密封方式简单，阻力小和航行性能稳定，能实现水下立体观测和水下打捞操作功能。

(ⅱ)本发明的密封耐压舱内部各部件布局合理，空间利用率高、稳定性好，可通过前后端的两个透明密封罩观察；水下机器人要实现的运动包括沉浮、推进、横移、旋转以及复合运动。其中，推进运动是最主要的，本发明选用螺旋桨类型的推进器作为水下机器人的推进器，螺旋桨推进是小型潜水器广泛采用的推进方式，浆叶在水中旋转，叶片向后一面为螺旋面；本发明选用对称安装在壳体外壁中部两侧的竖向推进器和对称安装在壳体外壁后部两侧的水平推进器，两个竖向推进器用于调节水下机器人的上浮与下潜运动，两个水平推进器用于调节前后以及旋转运动，水下机器人通过控制水平推进器的转速，使两个水平推进器的转速不同，可以实现水下机器人的运动的方向，且四个推进器均装在机器人的外部，有利于内部各个模块的布局，空间结构布局合理，外观整洁，四个推进器能恰好满足自由度的要求，并且对led灯和双目摄像机的保护较好。

本发明的重心调整机构采用丝杠电机，结构简单，配备直线光滑导轨起到导向目的，通过丝杠电机和丝杠配合，可以精确调整重心，使水下机器人处于平衡的工作状态。

本发明的电池安装架的底部圆弧面与壳体内壁的底部通过胶粘的方式固定，电池安装架的上端与壳体的内壁之间通过固定连接件进行固定连接，本发明中的电池和电池安装架的布设方式既能满足供电要求，也有利于其他部件在密封耐压舱内进行布置。

(ⅲ)本发明的竖向固定板、前部水平安装板和后部水平安装板的安装方式不会破坏壳体的内部结构，可整体取出或放入，便于调试安装，结构紧凑，便于加工和组合安装；其中，后部水平安装板与壳体的内壁之间通过固定连接件进行固定连接。

本发明中，在摄像机安装板上加工出四个螺纹孔，通过摄像机压板将双目摄像机安装在摄像机安装板上，因为摄像机是用来观测周围环境状况，因此在水下机器人头部位置的前部水平安装板上加工出与水平转动舵机安装孔位置相同的孔，通过螺钉将水平转动舵机与前部水平安装板固定，因此，当水平转动舵机在工作时，带动摄像机安装板以及云台支架转动，完成云台旋转运动，通过安装在摄像机安装板上的竖向转动舵机旋转带动摄像机安装板旋转，完成俯仰云台运动。

本发明的六自由度机械臂采用防水舵机对关节驱动，避免了防水密封的设计，并且防水舵机结构简单，体积小，质量轻。因此选择防水舵机对机械臂关节进行驱动。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明的左视图。

图4为本发明的右视图。

图5为本发明的后视图。

图6为本发明去掉前部密封罩的密封耐压舱内的结构示意图。

图7为本发明去掉后部密封罩的密封耐压舱内的结构示意图。

图8为本发明的重心调整机构的整体结构示意图。

图9为本发明的双目摄像机和测距激光头的安装示意图。

图10为本发明竖向固定板、前部水平安装板和后部水平安装板的安装示意图。

图11为本发明的云台支架结构示意图。

图12为本发明的摄像机安装板的结构示意图。

图中各标号表示为:1-壳体，2-竖向推进器，3-水平推进器，4-密封罩，5-密封耐压舱，6-照明灯，7-六自由度机械臂，8-线缆；

11-壳体支架，12-线缆通孔，13-第一壳体抱箍，14-第二壳体抱箍，15-第三壳体抱箍，16-把手；

21-竖向推进器抱箍，22-竖向连接块；

31-水平推进器抱箍，32-水平连接块；

51-电池安装架，511-电池，52-竖向固定板，53-前部水平安装板，54-后部水平安装板，55-双目摄像机，56-测距激光头，57-重心调整机构；

531-云台支架，532-水平转动舵机，533-摄像机安装板，534-竖向转动舵机；

571-丝杠支板，572-丝杠，573-直线光滑导轨，574-配重块，575-丝杠电机；

61-照明灯抱箍，62-照明灯连接块；

71-肩部，72-大臂，73-小臂，74-腕部，75-三指电磁手爪；

751-开合盘，752-开合拉杆，753-连杆，754-手指。

具体实施方式

遵从上述技术方案，以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下面结合实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

如图1至12所示，本实施例提供一种深水水下智能操作机器人，包括圆筒形的壳体1、对称安装在壳体1外壁中部两侧的竖向推进器2和对称安装在壳体1外壁后部两侧的水平推进器3，还包括安装在壳体1两端的两个半球形的透明密封罩4、由所述壳体1和密封罩4围成的流线型的密封耐压舱5、对称安装在壳体1外壁前部两侧的两个照明灯6、安装在照明灯6下端的六自由度机械臂7、安装在壳体1下端的两个壳体支架11和设在壳体1上部的线缆通孔12；所述密封耐压舱5内设有：固定在壳体1下部内壁上的弧形电池安装架51、安装在电池安装架51内的多个电池511、垂直于壳体1中心轴线且连接壳体1上部内壁和电池安装架51的竖向固定板52、水平安装在竖向固定板52前后两侧且位于电池安装架51上方的前部水平安装板53和后部水平安装板54、安装在前部水平安装板53上的双目摄像机55和测距激光头56、安装在后部水平安装板54下表面的重心调整机构57和传感器。本发明设计合理、体积小，密封方式简单，阻力小和航行性能稳定，能实现水下立体观测和水下打捞操作功能；本发明的密封耐压舱内部各部件布局合理，空间利用率高、稳定性好，可通过前后端的两个透明密封罩观察；水下机器人要实现的运动包括沉浮、推进、横移、旋转以及复合运动。其中，推进运动是最主要的，本发明选用螺旋桨类型的推进器作为水下机器人的推进器，螺旋桨推进是小型潜水器广泛采用的推进方式，浆叶在水中旋转，叶片向后一面为螺旋面；本发明选用对称安装在壳体外壁中部两侧的竖向推进器和对称安装在壳体外壁后部两侧的水平推进器，两个竖向推进器用于调节水下机器人的上浮与下潜运动，两个水平推进器用于调节前后以及旋转运动，水下机器人通过控制水平推进器的转速，使两个水平推进器的转速不同，可以实现水下机器人的运动的方向，且四个推进器均装在机器人的外部，有利于内部各个模块的布局，空间结构布局合理，外观整洁，四个推进器能恰好满足自由度的要求，并且对led灯和双目摄像机的保护较好。

如图8所示，在本实施例中，重心调整机构57包括垂直固定在后部水平安装板54下表面的两个相对的丝杠支板571，在两个丝杠支板571之间垂直连接有相互平行的丝杠572和两个直线光滑导轨573，在丝杠572和两个直线光滑导轨573上贯穿有与丝杠572螺纹配合的配重块574，所述丝杠572穿出丝杠支板571并连接有安装在丝杠支板571上的丝杠电机575。本发明的重心调整机构采用丝杠电机，结构简单，配备直线光滑导轨起到导向目的，通过丝杠电机和丝杠配合，可以精确调整重心，使水下机器人处于平衡的工作状态。

具体的，水平推进器3通过套在水平推进器3外壁上的水平推进器抱箍31连接有水平连接块32，水平连接块32通过套在壳体1外壁上的第一壳体抱箍13固定在壳体1外壁上；所述竖向推进器2通过套在竖向推进器2外壁上的竖向推进器抱箍21连接有竖向连接块22，竖向连接块22通过套在壳体1外壁上的第二壳体抱箍14固定在壳体1外壁上；所述照明灯6通过套在照明灯6外壁上的照明灯抱箍61连接有照明灯连接块62，照明灯连接块62通过套在壳体1外壁上的第三壳体抱箍15固定在壳体1外壁上。

更具体的，壳体支架11通过连接板安装在第一壳体抱箍13和第三壳体抱箍15上；水平推进器3的中心轴线与壳体1的中心轴线平行，所述水平连接块32为类矩形结构，水平连接块32的两个相对的侧壁为弧形壁，其中一个弧形壁紧贴壳体1外壁，另一个弧形壁紧贴水平推进器3的外壁；所述水平连接块32的上下底面镂空，且水平连接块32的上下底面的边缘分别固定连接第一壳体抱箍13的端部；竖向推进器2的中心轴线与壳体1的中心轴线垂直，所述竖向连接块22为类矩形结构，竖向连接块22的两个相对的侧壁为弧形壁，其中一个弧形壁紧贴壳体1外壁，另一个弧形壁紧贴竖向推进器2的外壁；所述竖向连接块22的前后两个侧壁镂空，且竖向连接块22的上下底面分别固定连接第二壳体抱箍14的端部；照明灯6的中心轴线与壳体1的中心轴线平行，所述照明灯连接块62为类u形结构，照明灯6安装在照明灯连接块62的两个侧板之间，照明灯连接块6的底板外壁为弧形结构，用以紧贴壳体1外壁，所述照明灯连接块62的两个侧板的外壁分别固定连接第三壳体抱箍15的端部。

本实施例中，六自由度机械臂7包括通过连接片固定在照明灯6下端的肩部71，在肩部71上铰接有可水平转动的大臂72，大臂72上铰接有可竖向转动的小臂73，小臂73前端连接有腕部74，在腕部74上安装有三指电磁手爪75。本发明的六自由度机械臂采用防水舵机对关节驱动，避免了防水密封的设计，并且防水舵机结构简单，体积小，质量轻。因此选择防水舵机对机械臂关节进行驱动。

具体的，三指电磁爪75包括连接腕部74的开合盘751，在开合盘751中心垂直设有套装有弹簧的可伸缩的开合拉杆752，所述开合拉杆752通过三个连杆753铰接有三个铰接在开合盘751上的三个手指754；工作时，电磁铁吸合开合盘751使开合拉杆752伸出，从而通过连杆753拉动三个手指754聚拢闭合；断电后，电磁铁分离，开合拉杆752在弹簧的弹力作用下恢复初始位置即收缩进开合盘751内，通过连杆753推动三个手指打开。

在前部水平安装板53上安装有可水平转动的u形的云台支架531，在云台支架531下底板上安装有能带动云台支架在水平面内转动的水平转动舵机532；在云台支架531的一个侧板上连接有垂直于壳体中心轴线的摄像机安装板533，摄像机安装板533的前壁上安装所述双目摄像机55，在双目摄像机55两侧的摄像机安装板533上安装两个所述测距激光头56；在摄像机安装板533的后壁上垂直设有一个与所述云台支架531的一个侧壁相平行紧贴且可转动连接的连接板，在摄像机安装板533的后壁上还垂直设有两个与所述云台支架531的另一个侧壁相平行紧贴的舵机固定板，在所述舵机固定板上安装有竖向转动舵机534，所述竖向转动舵机534与其紧贴的云台支架531的侧壁可转动连接。本发明中，在摄像机安装板上加工出四个螺纹孔，通过摄像机压板将双目摄像机安装在摄像机安装板上，因为摄像机是用来观测周围环境状况，因此在水下机器人头部位置的前部水平安装板上加工出与水平转动舵机安装孔位置相同的孔，通过螺钉将水平转动舵机与前部水平安装板固定，因此，当水平转动舵机在工作时，带动摄像机安装板以及云台支架转动，完成云台旋转运动，通过安装在摄像机安装板上的竖向转动舵机旋转带动摄像机安装板旋转，完成俯仰云台运动。

本实施例中的电池511为圆柱形结构，各个电池511的中心轴线与电池安装架51的中心轴线平行，且各电池511沿着电池安装架51所形成的弧形排布；在所述电池安装架51和后部水平安装板54的下表面之间垂直连接有弧形支撑板，用以支撑后部水平安装板54，所述弧形支撑板位于中心调整机构57的下方；所述壳体1外壁上部设有把手16。本发明的电池安装架的底部圆弧面与壳体内壁的底部通过胶粘的方式固定，电池安装架的上端与壳体的内壁之间通过固定连接件进行固定连接，本发明中的电池和电池安装架的布设方式既能满足供电要求，也有利于其他部件在密封耐压舱内进行布置。

本发明的竖向固定板、前部水平安装板和后部水平安装板的安装方式不会破坏壳体的内部结构，可整体取出或放入，便于调试安装，结构紧凑，便于加工和组合安装；其中，后部水平安装板与壳体的内壁之间通过固定连接件进行固定连接。

作为一种优选的方案，壳体1的端部和密封罩4之间依次设有o形垫片、两个o形密封圈和侧壁设有两个圆环形凹槽的圆筒形的连接环；两个o形密封圈紧密安装在连接环的两个圆环形凹槽内；在密封罩4外侧一周套有环形保护圈，保护圈依次将密封罩4、连接环、两个o形密封圈和o形垫片紧密压实并固定在壳体1的端部；在所述保护圈内壁涂有防水涂层，从而防止海水进入密封耐压舱5；线缆通孔12上安装有水密箱，水密箱上依次密封设有水密连接环和水密插头，用于使线缆8密封连通密封耐压舱5。

具体的，所述传感器为姿态传感器，用以采集机器人在水中的姿态和重心数据；在所述壳体1上还安装有声纳。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例提供一种深水水下智能操作机器人控制系统，包括实施例1的深水水下智能操作机器人，还包括密封安装在线缆通孔12上的线缆8、连接线缆8的地面操控箱和连接地面操控箱的视频眼镜；通过线缆8将地面操控箱的控制信号、电源和命令传输给深水水下智能操作机器人，并通过线缆8接收深水水下智能操作机器人采集的视频图像和传感器数据；地面操控箱将接收到的视频图像传输给视频眼镜。