一种水下履带智能机器人的制作方法

本发明特别涉及一种水下履带智能机器人。

背景技术：

随着人类海洋开发的步伐不断加快，水下机器人技术作为人类探索海洋最重要的手段得到了空前的重视和发展。占地球表面积71％的海洋是人类赖以生存和发展的战略空间，是能源、生物资源和金属资源的战略性开发基地，不但是目前最现实的，而且是最具发展潜力的空间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种水下履带智能机器人，有效地减小海洋环境造成的影响与搬运物体时产生的反作用力对机器人的干扰。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种水下履带智能机器人，其特点是，包含：水下履带智能机器人总控单元、水下履带智能机器人动力单元、水下履带智能机器人浮力调节单元、水下履带智能机器人工作臂单元、水下履带智能机器人图像采集单元和电力母线；

所述的水下履带智能机器人总控单元连接于水下履带智能机器人动力单元和水下履带智能机器人工作臂单元，用于根据总控光纤信号生成电机控制信号和工作臂控制信号，同时水下履带智能机器人总控单元将机器人周围环境的信息反馈给上位机；

所述的水下履带智能机器人动力单元根据所述的电机控制信号控制伺服电机运行；

所述的水下履带智能机器人工作臂单元根据所述的工作臂控制信号控制工作臂动作；

所述的水下履带智能机器人浮力调节单元采集机器人的加速度信号，并将所述的加速度信号转化为浮力控制信号；

所述的水下履带智能机器人图像采集单元用于采集水下图像，并将所述的水下图像传送出去；

所述的电力母线给所述的水下履带智能机器人总控单元、水下履带智能机器人动力单元、水下履带智能机器人浮力调节单元、水下履带智能机器人工作臂单元和水下履带智能机器人图像采集单元供电。

所述的水下履带智能机器人总控单元包含：第一变压整流模块、机械臂单元can模块、光纤模块、动力单元can模块、第一主控制器模块；

所述第一变压整流模块将电源的ac电压转换成dc电压，供给所述机械臂单元can模块、第一光纤模块、动力单元can模块、第一主控制器模块；

上位机通过光纤与所述第一光纤模块连接，机械臂单元与所述机械臂单元can模块连接，动力单元与所述动力单元can模块连接；

所述第一主控制器模块分别通过异步通讯总线与所述机械臂单元can模块、第一光纤模块、动力单元can模块连接；

上位设备通过总控光纤信号发送给第一光纤模块，所述第一光纤模块将总控光纤信号发送给第一主控制器模块处理得到电机控制信号和工作臂控制信号，所述的机械臂单元can模块输出工作臂控制信号，所述的动力单元can模块输出电机控制信号；

同时第一主控制器模块将机器人周围环境的信息通过第一光纤模块发送给上位机。

所述的水下履带智能机器人动力单元输入端连接于动力单元can模块，所述的水下履带智能机器人动力单元包含：第二变压整流模块、第一can收发模块、第一数据处理模块以及伺服电机驱动器模块；

所述的第二变压整流模块将电源的ac电压转换成dc电压，并给所述的第一can收发模块和第一数据处理模块供电；

所述的第一can收发模块接收发出的电机控制信号，并将所述的电机控制信号发送给所述的第一数据处理模块；

所述的第一数据处理模块与所述的第一can收发模块相连，用于将所述的电机控制信号转化成控制脉冲信号；

所述的伺服电机驱动器模块输入端连接于所述的第一数据处理模块，用于根据所述的控制脉冲信号控制伺服电机运行。

所述的水下履带智能机器人工作臂单元输入端连接于机械臂单元can模块，所述的水下履带智能机器人工作臂单元包含：第三变压整流模块、第二can收发模块、位移信号转换模块、第二主控制器模块、液压动力模块、电磁阀控制模块；

所述第三变压整流模块将电源的ac电压转换成dc电压，供给所述第二can收发模块、位移信号转换模块、第二主控制器模块、电磁阀控制模块；

所述液压动力模块使用电源的ac电压；

所述液压动力模块通过液压管路与电磁阀控制模块连接；

所述位移信号转换模块接收多路工作臂位移信号后，并通过同步通讯总线传递给所述第二主控制器模块；

所述第二can收发模块接收工作臂控制信号后，发送控制指令给所述第二主控制器模块；

所述第二主控制器模块在收到第二can收发模块传递过来的控制指令后启动液压动力模块产生液压动力源，并根据控制指令来控制电磁阀控制模块的液压输出，实现控制工作臂的运行；

当位移信号转换模块接收到的工作臂位移量与控制指令中指定的位移量一致时电磁阀控制模块关闭电磁阀，停止工作臂移动，再停止液压动力模块中的液压泵，等待下次动作指令。

所述的水下履带智能机器人浮力调节单元包含：第四变压整流模块、加速度传感器模块、第二数据处理模块以及第一控制信号放大模块；

所述的第四变压整流模块将电源的ac电压转换成dc电压，并给所述的加速度传感器模块、第二数据处理模块和第一控制信号放大模块供电；

所述的加速器传感器模块用于采集机器人的加速度信号，并将所述的加速度信号发送给所述的第二数据处理模块；

所述的第二数据处理模块与所述的加速器传感器模块相连，用于将所述的加速度信号转换为浮力控制信号；

所述的第一控制信号放大模块输入端连接第二数据处理模块，用于将所述的浮力控制信号进行放大。

所述的水下履带智能机器人图像采集单元包含：图像采集模块、采集模块控制模块、第二控制信号放大模块、第三数据处理模块和第二光纤模块；

所述采集模块控制模块与图像采集模块连接，以控制图像采集模块的旋转；

所述图像采集模块与第三数据处理模块连接，所述第三数据处理模块与控制信号放大模块连接，控制信号放大模块与采集模块控制模块连接；

所述第三数据处理模块与第二光纤模块连接，第二光纤模块通过光纤与上位机连接；

所述图像采集模块将采集到的数据发送给第三数据处理模块进行图像的编码，将数据转化成以太网协议后发送给光纤模块转化成光纤协议，将图像信号传送到上位机；

同时第二光纤模块将上位机发送过来用于控制的图像采集模块旋转的指令传递给第三数据处理模块，第三数据处理模块根据指令发出控制指令，经过第二控制信号放大模块将控制信号放大后驱动采集模块控制模块的电机控制图像采集模块旋转。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

有效地减小海洋环境造成的影响与搬运物体时产生的反作用力对机器人的干扰。

附图说明

图1为本发明一种水下履带智能机器人的结构示意图；

图2为水下履带智能机器人总控单元的示意图；

图3为水下履带智能机器人动力单元；

图4为水下履带智能机器人工作臂单元；

图5为水下履带智能机器人浮力调节单元；

图6为水下履带智能机器人图像采集单元。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种水下履带智能机器人，包含：水下履带智能机器人总控单元、水下履带智能机器人动力单元、水下履带智能机器人浮力调节单元、水下履带智能机器人工作臂单元、水下履带智能机器人图像采集单元和电力母线；所述的水下履带智能机器人总控单元连接于水下履带智能机器人动力单元和水下履带智能机器人工作臂单元，用于根据总控光纤信号生成电机控制信号和工作臂控制信号，同时水下履带智能机器人总控单元将机器人周围环境的信息反馈给上位机；所述的水下履带智能机器人动力单元根据所述的电机控制信号控制伺服电机运行；所述的水下履带智能机器人工作臂单元根据所述的工作臂控制信号控制工作臂动作；所述的水下履带智能机器人浮力调节单元采集机器人的加速度信号，并将所述的加速度信号转化为浮力控制信号；所述的水下履带智能机器人图像采集单元用于采集水下图像，并将所述的水下图像传送出去；所述的电力母线给所述的水下履带智能机器人总控单元、水下履带智能机器人动力单元、水下履带智能机器人浮力调节单元、水下履带智能机器人工作臂单元和水下履带智能机器人图像采集单元供电。

如图2所示，所述的水下履带智能机器人总控单元包含：变压整流模块、机械臂单元can模块、光纤模块、动力单元can模块、主控制器模块；所述变压整流模块将电源的ac电压转换成dc电压，供给所述机械臂单元can模块、光纤模块、动力单元can模块、主控制器模块；上位机通过光纤与所述光纤模块连接，机械臂单元与所述机械臂单元can模块连接，动力单元与所述动力单元can模块连接；所述主控制器模块分别通过异步通讯总线与所述机械臂单元can模块、光纤模块、动力单元can模块连接；上位设备通过总控光纤信号发送给光纤模块，所述光纤模块将总控光纤信号发送给主控制器模块处理得到电机控制信号和工作臂控制信号，所述的机械臂单元can模块输出工作臂控制信号，所述的动力单元can模块输出电机控制信号；同时主控制器模块将机器人周围环境的信息通过光纤模块发送给上位机。

上述的模块都设置在一个防水外壳的内部。变压整流模块包含hlk-pm01，将单相220v转换成dc5v；同时还包含ndr-240-24，将单相220v转换成dc24v；变压整流模块转换的dc5v电压输入给主控制器模块，变压整流模块转换的dc24v电压输入给机械臂单元can模块、光纤模块、动力单元can模块。

上位机通过光纤与所述光纤模块连接，机械臂单元通过异步通讯总线与所述机械臂单元can模块连接，动力单元通过异步通讯总线与所述动力单元can模块连接；所述主控制器模块分别通过异步通讯总线与所述机械臂单元can模块、光纤模块、动力单元can模块连接。本发明中主控制器模块使用stm32f429；机械臂单元can模块、动力单元can模块各使用adm3052来实现can协议通讯；光纤模块使用华为sfp-ge-t，将以太网协议转化成光纤通讯协议。

本发明的工作原理是：上位设备通过光纤将指令信号发送给光纤模块，所述光纤模块将光信号转化成以太网协议发送给主控制器模块，主控制器模块将接收到的以太网数据进行多任务并行处理，将指令以符合can协议标准的编码形式分别发送给机械臂单元can模块与动力单元can模块，进而机械臂单元can模块与动力单元can模块控制机械臂单元与动力单元来实现指令所要求的功能；同时主控制器模块将水下履带智能机器人周围环境的压力、密度、温度信息通过光纤模块发送给上位机。

另外，上位设备操作人员通过图像采集单元，肉眼获取指令执行的反馈信息，以达到闭环控制的效果。

如图3所示，所述的水下履带智能机器人动力单元输入端连接于动力单元can模块，所述的水下履带智能机器人动力单元包含：变压整流模块、can收发模块、数据处理模块以及伺服电机驱动器模块；所述的变压整流模块将电源的ac电压转换成dc电压，并给所述的can收发模块和数据处理模块供电；所述的can收发模块接收发出的电机控制信号，并将所述的电机控制信号发送给所述的数据处理模块；所述的数据处理模块与所述的can收发模块相连，用于将所述的电机控制信号转化成控制脉冲信号；所述的伺服电机驱动器模块输入端连接于所述的数据处理模块，用于根据所述的控制脉冲信号控制伺服电机运行。

所述的变压整流模块包括第一变压整流单元和第二变压整流单元，所述的第一变压整流单元用于将单相220v转换为第一直流电压，所述的第二变压整流单元将单相220v转换为第二直流电压，在具体实施例中，该第一变压整流单元型号为：hlk-pm01，第二变压整流单元型号为：ndr-240-24；具体地，变压整流模块首先将三相200v交流电通过变压器转换成单相220v。然后通过hlk-pm01将单相220v转换成dc5v，同时通过ndr-240-24将单相220v转换成dc24v。所述的第一直流电压(dc5v)用于给所述的数据处理模块供电，所述的第二直流电压(dc24v)用于给所述的can收发模块供电，同时还有另一路三相220v交流电给伺服电机驱动器模块提供工作电源。

上述的can收发模块型号为adm3052，接收基于can协议编码的电机控制信号。数据处理模块型号为stm32f405，将获得的电机控制信号转化成控制脉冲信号。

变压整流模块会把输入的三相220v交流电转换成直流24v与直流5v为单元提供控制电源，当上位设备向水下履带智能机器人发出电机控制信号后，电机控制信号会被can收发模块接收到，并将电机控制信号传递到数据处理模块，数据处理模块会将电机控制信号通过运算把它转化成控制脉冲信号用以控制伺服电机驱动器模块，最后伺服电机驱动器模块根据输入的控制脉冲信号对伺服电机进行控制。

如图4所示，所述的水下履带智能机器人工作臂单元输入端连接于机械臂单元can模块，所述的水下履带智能机器人工作臂单元包含：变压整流模块、can收发模块、位移信号转换模块、主控制器模块、液压动力模块、电磁阀控制模块；所述变压整流模块将电源的ac电压转换成dc电压，供给can收发模块、位移信号转换模块、主控制器模块、电磁阀控制模块；所述液压动力模块使用电源的ac电压；所述液压动力模块通过液压管路与电磁阀控制模块连接；所述位移信号转换模块接收多路工作臂位移信号后，并通过同步通讯总线传递给所述主控制器模块；can收发模块接收工作臂控制信号后，发送控制指令给主控制器模块；主控制器模块在收到can收发模块传递过来的控制指令后启动液压动力模块产生液压动力源，并根据控制指令来控制电磁阀控制模块的液压输出，实现控制工作臂的运行；当位移信号转换模块接收到的工作臂位移量与控制指令中指定的位移量一致时电磁阀控制模块关闭电磁阀，停止工作臂移动，再停止液压动力模块中的液压泵，等待下次动作指令。

变压整流模块包含hlk-pm01，将单相220v转换成dc5v；同时还包含ndr-240-24，将单相220v转换成dc24v；变压整流模块转换的dc5v电压输入给主控制器模块，变压整流模块转换的dc24v电压输入给can收发模块、位移信号转换模块、电磁阀控制模块。所述液压动力模块直接使用电源的ac电压。

所述液压动力模块与液压油箱用液压管路进行连接，并且液压动力模块通过液压管路与电磁阀控制模块连接；电磁阀控制模块输出的液压油通过液压回油管路重新返回到所述液压油箱。所述位移信号转换模块接收多路工作臂位移信号后转换成数字信号，并通过同步通讯总线传递给所述主控制器模块；在这里，位移信号转换模块使用ad974，将4-20ma的位移信号转化成十六位spi通讯信号。所述can收发模块接收从用户传递过来的控制指令后，通过can协议发送控制指令信号给所述主控制器模块。

本发明的工作原理是：主控制器模块在收到can收发模块传递过来的控制指令后启动液压动力模块产生液压动力源，并根据控制指令来控制电磁阀控制模块的液压输出，实现控制工作臂的运行。当位移信号转换模块接收到的工作臂位移量与控制指令中指定的位移量一致时电磁阀控制模块关闭电磁阀，停止工作臂移动，再停止液压动力模块中的液压泵，等待下次动作指令。

在这里，液压动力模块使用单相交流异步电动机来驱动液压泵，can收发模块使用adm3052，主控制器模块使用stm8s207，电磁阀控制模块使用bifold-fp06p。

如图5所示，所述的水下履带智能机器人浮力调节单元包含：变压整流模块、加速度传感器模块、数据处理模块以及控制信号放大模块；变压整流模块将电源的ac电压转换成dc电压，并给所述的加速度传感器模块、数据处理模块和控制信号放大模块供电；所述的加速器传感器模块用于采集机器人的加速度信号，并将所述的加速度信号发送给所述的数据处理模块；数据处理模块与所述的加速器传感器模块相连，用于将所述的加速度信号转换为浮力控制信号；所述的控制信号放大模块输入端连接数据处理模块，用于将所述的浮力控制信号进行放大。

所述的变压整流模块包括第一变压整流单元和第二变压整流单元，所述的第一变压整流单元用于将单相220v转换为第一直流电压，所述的第二变压整流单元将单相220v转换为第二直流电压，在具体实施例中，该第一变压整流单元型号为：hlk-pm01，第二变压整流单元型号为：ndr-240-24；具体地，变压整流模块首先将三相200v交流电通过变压器转换成单相220v。然后通过hlk-pm01将单相220v转换成dc5v，同时通过ndr-240-24将单相220v转换成dc24v。所述的第一直流电压(dc5v)用于给所述的加速器传感器模块和数据处理模块供电，所述的第二直流电压(dc24v)用于给所述的控制信号放大模块供电。

上述的加速度传感器模块型号为mpu-6000，将机器人与海平面垂直方向的变化速度量转化成加速度信号，并通过同步通讯总线发送给数据处理模块。

上述的数据处理模块型号为stm8s208，将接收到的加速度信号进行比例微积分运算得到对应的浮力控制信号。

上述的控制信号放大模块型号为opa445，用于将浮力控制信号放大，使之具备更大的输出功率。

在机器人发生垂直方向上的变化时，加速度传感器模块会将变化量转化成spi通讯信号发送给数据处理模块。数据处理模块根据变化数据的值进行比例微积分运算，将运算后的控制信号使用模拟量信号进行输出。控制信号放大模块会将数据处理模块输出的模拟量信号进行放大，提高信号的抗干扰能力与信号驱动能力。

如图6所示，所述的水下履带智能机器人图像采集单元包含：图像采集模块、采集模块控制模块、控制信号放大模块数据处理模块和光纤模块；所述采集模块控制模块与图像采集模块连接，以控制图像采集模块的旋转；所述图像采集模块与数据处理模块连接，数据处理模块与控制信号放大模块连接，控制信号放大模块与采集模块控制模块连接；数据处理模块与光纤模块连接，光纤模块通过光纤与上位机连接；所述图像采集模块将采集到的数据发送给数据处理模块进行图像的编码，将数据转化成以太网协议后发送给光纤模块转化成光纤协议，将图像信号传送到上位机；同时光纤模块将上位机发送过来用于控制的图像采集模块旋转的指令传递给数据处理模块，数据处理模块根据指令发出控制指令，经过控制信号放大模块将控制信号放大后驱动采集模块控制模块的电机控制图像采集模块旋转。

变压整流模块，其使用hlk-pm01，将单相220v转换成dc5v；同时还使用ndr-240-24，将单相220v转换成dc24v；变压整流模块转换的dc5v电压输入给数据处理模块、控制信号放大模块、图像采集模块，变压整流模块转换的dc24v电压输入给采集模块控制模块、光纤模块。

所述采集模块控制模块与图像采集模块连接，以控制图像采集模块的旋转；图像采集模块采集到的图像数据通过数字视频接口(dvp)传输给数据处理模块，所述数据处理模块与控制信号放大模块连接，控制信号放大模块与采集模块控制模块连接，所述数据处理模块通过以太网与光纤模块连接，光纤模块与上位机连接。

其中，数据处理模块使用stm32f779，控制信号放大模块使用irf640提高摄像头旋转信号的驱动能力；图像采集模块使用60帧720p图像传感器的ov5640摄像头；采集模块控制模块使用xd-37gb555直流电机驱动摄像头旋转，使得图像采集模块具有180°球形视野；光纤模块使用华为sfp-ge-t将以太网协议转化成光纤通讯协议。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。