一种海底垃圾清理机器人的制作方法

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种海底垃圾清理机器人。

背景技术：

从工业革命以来，随着人类社会的快速发展，我们对海洋的开发与影响越来越多，随之而来的便是海洋环境的急剧恶化。造成海洋环境恶化的因素有很多，其中之一便是大量的海底垃圾。现如今各种各样的海洋垃圾问题十分严峻，不仅仅威胁到了海洋生物和鸟类的安全，也对我们人类的生存造成了很大的影响。当前垃圾清理船等设备大多都只能在海面上工作，对于海底垃圾如今却没有一个很好的解决办法。大多数地区现在还是靠潜水员下潜捡垃圾，这种方法不仅工作效率底且潜水员还可能出现生命危险。

现有的水下机器人的传统下潜伏方式为通过一根脐带缆下放至海底，需回收时再通过脐带缆将其拉回。但海下浪涌和湍流较强，脐带缆经常发生打结，使机器人下落受到冲击扰动，不能保证下潜时的平衡，且单次下潜仅能有一次作业周期，回收垃圾效率较低。

现有的水下机器人机械臂主要分为柔性、刚性两大类，柔性机械臂是当前较热门的研究方向，刚性机械臂较为传统，发展也更为完善。柔性机械臂可以控制范围广，自由度高，但难以实现精确建模与控制，依赖智能软材料制备以及结构成型，受能源供应装置限制，驱动力较小。刚性机械臂建模精确、容易控制；控制方式成熟、已有完备的控制体系，但自由度固定，可以到达的范围较小，体系较完善，视觉传感器——识别——利用软硬识别完成抓握控制。且现有水下机器人的作业系统多为两爪系统，使用范围较小，对于一些工作目标无法进行有效抓取，如杯状、球状等形状的物体。

现有的水下机器人海底行走方式多为履带式和多足式，履带式机器人在不平地面上的机动性较差，行驶时机身晃动严重；由于没有自位轮和转向机构，多足式机器人能够在凸凹不平的地上行走、跨越沟壑，具有广泛的适应性；步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印，运动时只需要离散的点接触地面，可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点，对崎岖地形的适应性强。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海底垃圾清理机器人。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种海底垃圾清理机器人，包括箱体结构、抓取结构、足部结构、逐级传送运输装置以及传感器；

在所述箱体结构上方开口，其内部设置有逐级传送运输装置、箱体两侧设置有两个抓取结构和四个足部结构；

所述抓取结构包括连接关节、多关节机械臂和机械手指，所述连接关节安装于箱体结构外壁，所述多关节机械臂安装于连接关节上，包括依次连接的第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂和第四机械臂，所述第四机械臂上安装有机械手指和吸力扇；

所述足部结构包括固定架、u型架、第一中间节、第二中间节、第三中间节和末肢节，所述固定架安装于箱体结构外壁，所述u型架与固定架相连接并可绕其转动，所述第一中间节安装在u型架上，第一中间节与第二中间节相连，第二中间节与第三中间节相连，末肢节与第三中间节相连，足底过渡架设置于末肢节末端，在足底过渡架的下方设置有足底结构；

所述逐级传送运输装置包括固定架、双向电机、传送结构、锁合夹、网袋和气囊，所述固定架对称设置于箱体结构内部的左右两侧，在固定架上设置有双向电机和分别位于双向电机左右两侧受其驱动的传送结构，所述网袋设置于两固定架的中间，所述传送结构的链条上设置有用于夹持网袋的锁合夹，在网袋上设置有气囊；

所述传感器包括水深传感器、高度传感器、称重传感器和探测传感器，所述水深传感器、高度传感器设置于固定架上，所述称重传感器设置于网袋下方的箱体结构内的底面上，所述探测传感器设置于箱体结构的外表面(前端或后端)。

在上述技术方案中，所述连接关节内部还有一号舵机，第一机械臂和连接关节之间设置有二号舵机，第二机械臂和第一机械臂之间设置有三号舵机，第三机械臂和第二机械臂之间设置有四号舵机，第三机械臂分为两部分，两部分之间设置有五号舵机使其可以绕轴线转动，所述第三机械臂和第四机械臂之间设置有六号舵机；上述各舵机共同工作最后实现机械臂多自由度抓取的功能。

在上述技术方案中，所述第四机械臂内设置有用于驱动机械手指的液压缸和活塞杆，所述活塞杆连接对应的手指。

在上述技术方案中，所述一号舵机和二号舵机采用dhlg-02x大型自密封舵机，所述三号舵机和四号舵机采用ds500型号自密封舵机，所述五号舵机和六号舵机采用bbps-380型号自密封舵机。

在上述技术方案中，所述机械手指通过活塞杆与液压缸连接并受其驱动，液压缸的型号为mob30*75-fb型，液压泵为cb-b2.5型，额定压力为2.5mpa的齿轮油泵，溢流阀为dbdh10g2.5型溢流阀，电磁换向阀为dsg-03-3c2-d24-n1-50型换向阀；液压系统各部件相互配合，共同完成机械手的抓取工作。

在上述技术方案中，所述固定架部位的中心轴线与机壳外身中心轴线正交，对整个机械足装置起到固定支撑作用。

在上述技术方案中，所述固定架内设置有一套筒密封的dh-03x型号260kg/cm的舵机(称该处舵机为第一舵机)，套筒底部与壳体的凸台接触固定，第一舵机轴可绕轴线步态角范围内转动，驱使机械足整体在水平范围内摆动。

在上述技术方案中，所述的第一舵机输出轴与u型架首端内孔中深沟球轴承密封配合，u型架为两个开口方向相反正交的连接件，u型架末端内孔中深沟球轴承与第一中间节中包含的第二舵机输出轴密封配合，第二舵机可绕轴线在步态角范围内转动，驱使机械足下肢在垂直平面内转动。

在上述技术方案中，所述的第一中间节内部含有滑槽，滑槽底部与第二中间节头部的固定块密封配合，固定套筒，第二舵机密封在套筒内部。

在上述技术方案中，所述第二中间节内部密封驱动舵机的电池，电池底部有橡胶绝缘基座，基座两端有金属固定块，固定基座在第二中间节内部的位置，第二中间节尾部的固定块与第三中间节滑槽底部密封配合，第三中间节滑槽与密封第三舵机的套筒配合。

在上述技术方案中，所述的末肢节内孔中深沟球轴承与第三中间节中包含的第三舵机输出轴密封配合，第三中间节在末肢节的u型槽中在步态角范围内转动，驱使机械足在垂直平面内转动，末肢节另一端内部开有长槽，其中装有铰孔四连杆，四连杆两端与空心圆柱金属连接，两端空心圆柱金属中间支撑有刚度很大的弹簧。末肢节与防腐蚀橡足底胶密封相连。底端空心圆柱金属在防腐蚀橡胶足底内部圆柱槽内用螺栓固定。

在上述技术方案中，所述固定架上设置有耐压仓。

在上述技术方案中，所述逐级传送运输装置的固定架与箱体通过螺钉连接固定，在固定架上装有水深传感器、高度传感器、耐压仓及五个支座，分别为两个链轮轴承支座，两个传送架支座，一个电机轴承座，各轴承座与固定架用螺钉连接。

本实用新型的优点和有益效果为：

本实用新型的有益效果在于一种带有机械臂和机械足的水下机器人，操作简便，延长水下工作周期，提高了海底垃圾清理效率。机械抓取部分采用了多关节机械臂，自由度灵活，抓取机械手的设计上针对水下抓取稳定性问题采用了三爪结构与吸力扇配合工作的形式，提高了抓取的稳定性；机械足采用了三自由度，多连杆结构，一个水平面的转动和两个垂直平面的转动实现机械足的步态运动，本实用新型在足端加入了弹性结构，使机器人在水底受到扰动失衡而落地时有缓冲，也能够适应复杂地形，增大机器人稳定性；箱体内部垃圾的储存装置设计上提出了一种逐级传送的装置，实现一次下潜可进行多个工作周期，同时打破了机器人外形体积对抓取垃圾总量的限制，提高了抓取效率。

附图说明

图1为本实用新型的俯视结构示意图。

图2为本实用新型的立体结构示意图。

图3为本实用新型的抓取结构安装示意图。

图4为本实用新型的抓取结构装配示意图。

图5为本实用新型的抓取结构内部剖视图。

图6为本实用新型的足部结构安装示意图。

图7为本实用新型的足部结构内部剖视图。

图8为本实用新型的箱体内部装置示意图。

图9为本实用新型逐级传送运输装置的结构示意图。

图10为本实用新型的网带结构安装示意图。

图11为本实用新型的网带安装局部放大示意图。

图12为本实用新型的锁合夹装置示意图。

图13为本实用新型的气囊装置示意图。

其中：1为抓取结构；2为足部结构；3为逐级传送运输装置；4为箱体结构；

1-1为第一机械臂；1-2为第二机械臂；1-3为第三机械臂；1-4为第四机械臂；1-5为一号舵机；1-6为二号舵机；1-7为三号舵机；1-8为四号舵机；1-9为五号舵机；1-10为六号舵机；1-11为吸力扇；1-12为液压缸；1-13为活塞杆；1-14为机械手指；1-15为连接关节；

2-1为固定架；2-2为u型架；2-3为第一中间节；2-4为第二中间节；2-5为第三中间节；2-6为末肢节；2-7为足底过渡架；2-8为足底；2-9为第一舵机；2-10为第二舵机；2-11为电池；2-12为第三舵机；2-13为空心圆柱金属固定件；2-14为弹簧；2-15足底密封；

3-1为传送结构；3-2为锁合夹；3-2-1为夹片；3-2-2为固定板；3-3为网袋；3-4为固定架；3-5为气囊传送机构；3-5-1为折叠气囊；3-5-2为气瓶；3-5-3为气囊安装盒；3-5-4为气囊控制阀；3-6为水深传感器；3-7为高度传感器；3-8为链轮轴承支座；3-9为传送架支座；3-10为电机轴承座；3-11为联轴器；3-12为双向电机；3-13为耐压仓；

4-1为壳体；4-2为称重传感器；4-3为探测传感器。

对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

实施例

一种带有机械臂和机械足的水下机器人包括：箱体结构4、抓取结构1、足部结构2、逐级传送运输装置3。

设定机器人前后方向为纵向轴线。所述箱体部分纵向布置，两个抓取结构及四个足部结构在箱体外部两侧对称布置，逐级传送运输装置在箱体内部两侧对称布置，箱体上方留空，便于垃圾拾取放入。

一、抓取结构

参照图2-图5，所述抓取结构包括连接关节1-15、多关节机械臂和机械手指1-14，所述连接关节安装于箱体结构外壁，所述多关节机械臂安装于连接关节上，包括依次连接的第一机械臂1-1、第二机械臂1-2、第三机械臂1-3和第四机械臂1-4，所述第四机械臂上安装有机械手指和吸力扇1-11；

所述连接关节内部还有一号舵机1-5，第一机械臂和连接关节之间设置有二号舵机1-6，第二机械臂和第一机械臂之间设置有三号舵机1-7，第三机械臂和第二机械臂之间设置有四号舵机1-8，第三机械臂分为两部分，两部分之间设置有五号舵机1-9使其可以绕轴线转动，所述第三机械臂和第四机械臂之间设置有六号舵机1-10；上述各舵机共同工作最后实现机械臂多自由度抓取的功能。

一号舵机驱动连接关节上的圆盘转动，可以让手臂在圆盘平面内实现大幅度摆动，二号舵机驱动第一机械臂在垂直于圆盘平面的方向实现大幅度摆动，这两个舵机共同作用实现了机械臂大幅度运动的功能。尤其在抓取和收集两个过程的转换中，一号舵机要进行180°的旋转。

三号舵机负责第二机械臂的运动，在抓取过程中可以更精确地调节机械臂的位置，在收集过程中，由于第一机械臂的活动范围有限，这种情况下第二机械臂对于调节机械手的位置尤为重要。

四号舵机负责第三机械臂的运动，五号舵机负责第三机械臂自身绕轴线的转动，这样可以增加机械臂的自由度，让运动更加灵活。

六号舵机负责第四机械臂的运动，控制机械手的小幅度运动，增加精确性。

在第四机械臂内部有液压缸和吸力扇等，为机械手的运动提供动力。三爪机械手和吸力扇配合共同完成抓取工作，提高抓取结构的可靠性。

在机械臂的空余空间可以放置浮力材料来增大浮力，一方面可以减少能量消耗，一方面还能提高机械臂运动的精确性。

抓取结构部分的工作过程为：确认抓取目标之后，机械臂由各舵机驱动从而移动到合适的位置，液压缸驱动活塞杆使机械爪张开，同时吸力扇开始工作，抓取到目标物体之后，舵机再次驱动机械臂将垃圾放到箱体里的垃圾袋中，机械爪张开，同时吸力扇停止转动，垃圾被放到合适的位置，完成收集工作，一次工作循环完成。

二、足部结构

参照图6、图7，所述的足部结构采用了仿生多足昆虫的足部结构的方式进行足部设计。仿照昆虫的足部结构分为腰关节、髋关节、膝关节，本实用新型的腿部结构分为固定架2-1、u型架2-2、第一中间节2-3、第二中间节2-4、第三中间节2-5、末肢节2-6，通过控制舵机的转动来模仿多足昆虫关节的动作。

第一舵机2-9固定在箱体上，仿照多组昆虫的腰关节，带动u型架及整个足部前后摆动。

第二舵机与第一中间节相连，仿照多足昆虫的髋关节，第二舵机2-10的可旋转角度约为约30°，带动第一中间节、第二中间节、第三中间节和末肢节上下摆动。

第三舵机2-12与末肢节相连，仿照多足昆虫的膝关节，带动末肢节摆动。因此，通过同时控制第二舵机和第三舵机的转动可以实现末肢节的竖直抬起并落下，防止整个机器人的重心偏移导致机器人倾倒。

考虑到海底水阻力的影响，本实用新型将机器人的腿部外形设计为流线形，既有利于进行密封，也能减小水的阻力。

考虑到海底地形的复杂性，本实用新型在足端加入了弹性结构，使机器人在水底受到扰动失衡而落地时有缓冲，也能够适应复杂地形，增大机器人稳定性。

足部结构的空余空间用于存放浮力材料，增大机器人腿部在水中的浮力，防止机器人腿部过重，使机器人携带的电能过多的消耗在克服机器人腿部的重力上，降低能量利用效率。

四个足部结构配合行进的工作过程为：利用传感器以及集成芯片进行路径规划后，采用慢爬行步态前进，每次只有一个足部进行工作，依次运动完成一次向前移动。待移动到目的地后，所有舵机均停止工作，完成机器人在水下的移动过程。

三、逐级传送运输装置和传感器

所述的逐级传送运输装置为传送结构3-1、锁合夹3-2及气囊传送机构3-5配合工作。

所述的传送结构为四个配合工作，单个传送结构由链轮链条组件构成，选型标准型号为12a的链轮，选用各个单元组件上带有连接支架的链条。每个组件的链轮通过链轮轴承支座安装在固定架上，链轮轴与联轴器3-11一端连接，且联轴器另一端与双向电机的同侧端连接，每个双向电机均通过联轴器实现与同侧两个链轮轴的连接。

双向电机带动同侧链轮同步运转，链轮链条机构向上单向工作，通过锁合夹将网袋逐级运输到指定位置。

锁合夹结构共六个，每个结构中包括一个锁合夹固定板3-2-2及夹片3-2-1。其中锁合夹固定板通过螺钉与链条单元组件连接，夹片向上夹持住网袋，在链轮面向箱体内部的一侧线性排布12个锁合夹固定板，在每两个相邻固定板上通过螺钉与一个锁合夹连接。

网带装置包括六个相同的柔性网带结构及每个网带配置有五个连接组件。其中六个柔性网带沿传送装置工作方向采用逐层叠放的方式进行排布，通过四个连接组件与弹簧夹连接。在与弹簧夹连接安装的相邻面上边沿布置气囊连接件。

气囊装置采用型号为bhlt-01的救生气囊结构，包括折叠气囊3-5-1，气瓶3-5-2，气囊安装盒3-5-3和气囊控制阀3-5-4。气囊安装盒外部由一固定转轴，盒体上下端盖绕该转轴进行张合，同时该转轴安装在网带侧面的气囊连接件上实现气囊装置与网带的连接。气囊装置内部靠近固定转轴的一侧布置有气瓶安装空间及气囊控制阀开口，另一侧为折叠气囊空间。

所述的箱体结构外侧前端装有探测传感器4-3，内侧底部装有称重传感器4-2，称重传感器安置于网袋下端，用于采集拾取垃圾重力，探测传感器用于识别拾取垃圾的量，防止垃圾超过拾取网容量，导致拾取网无法系紧；所述固定架上设置有水深传感器3-6和高度传感器3-7，用于测量水深和垃圾高度。

当垃圾总量达到额定重力或高度传感器检测到一定的垃圾高度，在两者满足任一条件时，传感器发出信号，传送结构向上运行到下一级指定位置，运行过程中气囊控制阀控制气瓶开启，使气囊进行充气弹开气囊安装盒。

在本实施例中，随着充气的进行气囊上浮拉取网袋系紧。网袋受到总外力方向向上，各个锁合夹达到设定的张紧裕度后锁合夹打开，顶层网带脱离机器人箱体随气囊漂浮至水面上等待人工收集。

与此同时，机器人传送结构运动了一个工作行程，将下一层垃圾网袋输送到顶层成为新的使用层，以开始下一工作周期的垃圾收集。实现了单次下潜，多次垃圾收集的目的。待传送结构运送到最后一级后，所有传感器停止工作，完成机器人单次下潜的工作进程。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。