一种水下作业机器人的制作方法

本发明涉及机器人的技术领域，更具体地，涉及一种水下作业机器人。

背景技术：

近年来，随着科学技术不断提高，人类已经把海洋作为生存和发展的新领域，虽下环境恶劣危险，人类的潜水深度有限，而海洋研究与开发的不断深入，水下机器人开始得到广泛的应用。水下机器人成为人类探索未知水域、海洋探测和开发的重要手段和工具，在许多人类无法长期工作的水域,水下机器人发挥了重要作用,例如石油开采、海底矿藏探测、珊瑚礁群探测、沉船探测(救捞作业)、军事侦察、管道检测、渔业养殖。虽然水下作业已经得到了人们越来越多的关注，但是通过水下机器人进行海产品的捕捞还处于研究阶段。水下海产品的捕捞存在许多困难：一方面是养殖海域环境比较复杂，水下作业机器人的运动会受到许多阻碍；另一方面，通过视觉识别水下海产品也面临许多挑战。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种水下作业机器人，采用观测装置和机械臂代替人类执行各类有特殊需要的水下任务，具有较高的安全性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

提供一种水下作业机器人，包括固定支架、密封舱、机械臂、第一推进器及第二推进器，所述密封舱安装于固定支架的中部，所述机械臂安装于固定支架的前部，所述第一推进器安装于所述固定支架的后部，所述第二推进器安装于所述固定支架的上部，两组推进器的推进方向垂直；所述密封舱内安装有用于探测水下环境的观测装置，所述观测装置连接于上位机并将所监测的数据上传至上位机。

本发明的水下作业机器人，通过观测装置实时观测水下环境，利用第一推进器及第二推进器可控制水下作业机器人的运动方向，通过机械臂抓取水下物体执行任务和检测水质信息。本发明利用观测装置和机械臂代替人类执行各类有特殊需要的水下任务，安全性高，适用于水下搜救、捕捞工作、水下工程安全监测、地形探测和水产养殖等领域。

进一步地，所述固定支架包括底板、支撑板、第一侧板及第二侧板，所述底板与支撑板平行设置，所述第一侧板、第二侧板垂直安装于底板和支撑板的两侧，所述密封舱、第一推进器及第二推进器安装于支撑板，所述第二推进器位于支撑板与底板之间，所述机械臂安装于底板。底板、支撑板、第一侧板及第二侧板可采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料制作；第二推进器位于支撑板和底板之间，不影响第二推进器的推进工作，且布置合理、结构紧凑。

进一步地，所述第一侧板、第二侧板、支撑板及底板均设有镂空结构，所述固定支架呈方形结构，所述第一侧板、第二侧板底部设有着落部。设置镂空结构可利于减轻水下作业机器人的重量，设置着落部便于机器人在水下着落。

进一步地，所述机械臂包括第一关节、第二关节、第三关节、第四关节及执行爪，所述第一关节安装于固定支架，所述第二关节的一端与第一关节转动连接，所述第二关节的另一端与第三关节转动连接，所述第二关节转动方向与第三关节转动方向垂直；所述第三关节连接于第二关节和第四关节之间且第三关节可驱动执行爪旋转，所述第四关节连接于第三关节及执行爪之间且第四关节可驱动执行爪开合。第一关节为水平面的摆动，第二关节为竖直方向的摆动，第三关节控制执行爪的旋转，第四关节控制执行爪的开合，如此，第一关节、第二关节、第三关节、第四关节可构成仿生机械臂，有多个自由度，使得机械臂更加容易抓取到水下物体。

进一步地，所述机械臂为两组，两组机械臂对称安装于固定支架的前部。机械臂在水下进行作业时，机械臂受到的反作用力会影响机器人的稳定，而将两只机械臂分别装于机器人头部的两侧，可以保证机器人的平衡。

进一步地，所述执行爪设有处理器及与处理器信号连接的姿态传感器、弯度传感器、无线数据传输模块，所述无线数据传输模块连接于上位机，所述第一关节、第二关节、第三关节、第四关节连接于处理器。姿态传感器可实时监测手腕处的位置信息，弯度传感器检测手指的弯曲程度，无线数据传输模块将手腕处的位置信息及手指的弯曲程度发送到上位机。

进一步地，所述观测装置包括照明灯、摄像头、红外热成像仪及激光雷达，所述照明灯、摄像头、红外成像仪及激光雷达均与处理器连接，所述照明灯设于摄像头旁侧为摄像头补强光线。照明灯和摄像头配合使用，当水下光线不足时，打开照明灯为摄像头提供足够的亮度，摄像头的画面信息传至处理器后再上传至上位机，如此可通过上位机观测水下画面；摄像头所拍摄的范围有限，采用摄像头和红外热成像仪结合可提高机器人搜索和避障能力；利用激光雷达发射出的脉冲激光打到物体上引起散射，一部分光波回到激光雷达的接收器上，收集目标点的数据，进行成像处理后得到该空间的二维地图信息，可通过该二维地图信息规划机器人的运行路线。

进一步地，所述密封舱的一端设有半球罩，所述照明灯、摄像头、红外成像仪及激光雷达均设于半球罩内。半球罩对照明灯、摄像头、红外成像仪及激光雷达可起到很好的保护作用。

进一步地，还包括与处理器连接的数据采集系统。除观测水下环境外，本发明还设有数据采集系统用于实时监测水下环境状况，以及时做出反应。

进一步地，所述数据采集系统包括安装于固定支架的深度传感器、ph值传感器、压力传感器和浊度传感器，所述深度传感器、ph值传感器、压力传感器和浊度传感器均连接于处理器。深度传感器、ph值传感器、压力传感器和浊度传感器所监测的数据经处理器上传至上位机。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的水下作业机器人，利用观测装置和机械臂代替人类执行各类有特殊需要的水下任务，安全性高，适用于水下搜救、捕捞工作、水下工程安全监测、地形探测和水产养殖等领域；

本发明的水下作业机器人，通过设置第一推进器、第二推进器实现机器人上下运动、左右运动及机器人的转向，可保持机器人平衡及运动平稳性；

本发明的水下作业机器人，照明灯和摄像头配合使用，当水下光线不足时，打开照明灯为摄像头提供足够的亮度；采用摄像头和红外热成像仪结合可提高机器人搜索和避障能力。

附图说明

图1为水下作业机器人的结构示意图；

图2为水下作业机器人的机械臂的结构示意图；

图3为水下作业机器人的电气原理示意图；

附图中：1-固定支架；11-底板；12-支撑板；13-第一侧板；14-第二侧板；15-着落部；2-密封舱；21-半球罩；22-圆孔；3-机械臂；31-第一关节；32-第二关节；33-第三关节；34-第四关节；35-执行爪；4-第一推进器；5-第二推进器；6-上位机；7-观测装置；71-照明灯；72-摄像头；73-红外热成像仪；74-激光雷达；8-处理器；81-姿态传感器；82-弯度传感器；83-无线数据传输模块；9-数据采集系统；91-深度传感器；92-ph值传感器；93-压力传感器；94-浊度传感器；95-电子罗盘。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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发明和简化描述，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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例

如图1至图3所示为本发明的水下作业机器人的实施例，包括固定支架1、密封舱2、机械臂3、第一推进器4及第二推进器5，密封舱2安装于固定支架1的中部，机械臂3安装于固定支架1的前部，第一推进器4安装于固定支架1的后部，第二推进器5安装于固定支架1的上部，两组推进器的推进方向垂直；密封舱2内安装有用于探测水下环境的观测装置7，观测装置7连接于上位机6并将所监测的数据上传至上位机6。

本实施例在实施时，通过观测装置7实时观测水下环境，利用第一推进器4及第二推进器5可控制水下作业机器人的运动方向，通过机械臂3抓取水下物体执行任务和检测水质信息；本实施例可利用观测装置7和机械臂3代替人类执行各类有特殊需要的水下任务。

在其中一个实施例中，第一推进器4为两组，两组第一推进器4位于固定支架1的后部，提供前进或后退的反作用力实现水下作业机器人的前后运动，第一推进器4包括推进电机，可通过控制推进电机的转速来控制反作用力的大小从而控制速度，还可以通过控制两组第一推进器的转速差来形成两个具有相同方向而大小不一的力，从而使得机器人可以完成转向运动；第二推进器5为两组，两组第二推进器5位于机器人的上部，提供向上和向下的反作用力来使得机器人向上、向下运动和通过这两个力的大小来保持平衡以及运动稳定性，还可以通过控制两组第二推进器的转速差来形成两个具有相同方向而大小不一的力，从而使得机器人可以完成转向运动。

在其中一个实施例中，固定支架1包括底板11、支撑板12、第一侧板13及第二侧板14，底板11与支撑板12平行设置，第一侧板13、第二侧板14垂直安装于底板11和支撑板12的两侧，密封舱2、第一推进器4及第二推进器5安装于支撑板12，第二推进器5位于支撑板12与底板11之间，机械臂3安装于底板11。其中，底板11、支撑板12、第一侧板13及第二侧板14可采用重量轻、浮力大、强度高、耐腐蚀、降噪的轻质复合材料制作；第二推进器5位于支撑板12和底板11之间，不影响第二推进器5的推进工作，布置合理，结构紧凑。其中，第一侧板13、第二侧板14、支撑板12及底板11均设有镂空结构，固定支架1呈方形结构，第一侧板13、第二侧板14底部设有着落部15。但需要说明的是，第一侧板13、第二侧板14设置为镂空部的设置是为了减轻水下作业机器人的重量而做出的优选，并不作为限制性规定；设置着落部15是为了便于机器人在水下着落而做出的优选，并不作为限制性规定。

在其中一个实施例中，机械臂3包括第一关节31、第二关节32、第三关节33、第四关节34及执行爪35，第一关节31安装于固定支架1，第二关节32的一端与第一关节31转动连接，第二关节32的另一端与第三关节33转动连接，第二关节32转动方向与第三关节33转动方向垂直；第三关节33连接于第二关节32和第四关节34之间且第三关节33可驱动执行爪35旋转，第四关节34连接于第三关节33及执行爪35之间且第四关节34可驱动执行爪35开合。如此在实施时，第一关节31、第二关节32、第三关节33、第四关节34可构成仿生机械臂3，有多个自由度，使得机械臂3更加容易抓取到水下物体。

在其中一个实施例中，机械臂3为两组，两组机械臂3对称安装于固定支架1的前部。机械臂3在水下进行作业时，机械臂3受到的反作用力会影响机器人的稳定，而本实施例将两只机械臂3分别装于机器人头部的两侧，可以保证机器人的平衡。

在其中一个实施例中，执行爪35设有处理器8及与处理器8信号连接的姿态传感器81、弯度传感器82、无线数据传输模块83，无线数据传输模块83连接于上位机6，第一关节31、第二关节32、第三关节33、第四关节34连接于处理器8。如此，姿态传感器81可实时监测手腕处的位置信息，弯度传感器82检测手指的弯曲程度，通过无线数据传输模块将手腕处的位置信息及手指的弯曲程度发送至上位机6，上位机6通过电力载波向第一关节31、第二关节32、第三关节33及第四关节34发送信号，控制机械臂3动作。本实施例的处理器8可采用armcortex-m3处理器8，无线数据传输模块83为一对多无线数据传输模块83，姿态传感器81、弯度传感器82、处理器8及无线数据传输模块83集成于一块电路板上。具体地，第一关节31、第二关节32、第三关节33及第四关节34均包括支架及舵机，其中第一关节31、第二关节32的舵机用于控制机械臂3的上下运动和左右运动，模拟人的手臂；第三关节33的舵机控制机械手的旋转，用于模拟人的手腕旋转；第四关节34的舵机用于控制机械手夹取物品，用于模拟人的手掌；第一关节31、第二关节32、第三关节33及第四关节34根据上位机6发送的指令动作。

在其中一个实施例中，观测装置7包括照明灯71、摄像头72、红外热成像仪73及激光雷达74，照明灯71、摄像头72、红外成像仪及激光雷达74均与处理器8连接，照明灯71设于摄像头72旁侧为摄像头72补强光线。本实施例在实施时：照明灯71和摄像头72配合使用，当水下光线不足时，打开照明灯71为摄像头72提供足够的亮度，摄像头72的画面信息传至处理器8后再上传至上位机6，如此可通过上位机6观测水下画面；摄像头72所拍摄的范围有限，采用摄像头72和红外热成像仪73结合可提高机器人搜索和避障能力；利用激光雷达74发射出的脉冲激光打到物体上引起散射，一部分光波回到激光雷达74的接收器上，收集目标点的数据，进行成像处理后得到该空间的二维地图信息，可通过该二维地图信息规划机器人的运行路线。

在其中一个实施例中，密封舱2的一端设有半球罩21，照明灯71、摄像头72、红外成像仪及激光雷达74均设于半球罩21内。本实施例中，密封舱2的一端采用透明状半球罩21使用环氧树脂密封，密封舱2的另一端使用圆环后盖密封，电缆以及其他线路通过圆孔22进入密封舱2内，使用法兰盘及环氧树脂密封圆孔22，密封舱2对照明灯71、摄像头72、红外成像仪、激光雷达74及其他电路元器件均可起到很好的保护作用。

在其中一个实施例中，还包括与处理器8连接的数据采集系统9。其中，数据采集系统9包括安装于固定支架1的深度传感器91、ph值传感器92、压力传感器93、浊度传感器94及电子罗盘95，深度传感器91、ph值传感器92、压力传感器93、浊度传感器94及电子罗盘95均连接于处理器8。本实施例的深度传感器91和压力传感器93可实时监测作业机器人所处深度、ph值传感器92实时监测ph值、浊度传感器94实时监测浊度、电子罗盘95可实时监测机器人的位置信息，并将监测的数据实时上传至上位机6。

在其中一个实施例中，上位机6可通过python语言开发，通过电力载波与机器人通信，机器人监测的数据可经上位机6计算后以折线图、饼状图等图表形式直观地将各种数据表达出来，不仅可以实时查询数据，还可直观地看到数据的变化；另外，本实施例的上位机6中可加载数据挖掘和深度学习算法，从大量的数据中提取出有用信息并进行学习，可对水下环境及水下生物的状况进行判断预测，及时发现水下环境中不利的因素和潜在的威胁，提醒操作人员采取相关措施。

在其中一个实施例中，上位机6采用自适应pid闭环控制算法控制水下作业机器人的动作：将位置参数的期望值同实时监测的数值进行对比得到误差值，将误差值作为pid闭环控制的比例部分输入，根据环境的变换不断改变比例、积分和微分三个参数，在非线性系统中有很好的控制能力，提高了系统的适应性，位置参数包括纵倾角、横滚角、深度等参数。机器人根据计算结果在保持固定三维角的状态下，实现前进、后退、上升、下潜及转向。

在其中一个实施例中，水下作业机器人还设有电源模块，本实施例的电源模块放置在面积较大的浮标上，如此，电池容量不会因水下机器人内部空间小而减少，也减轻了水下机器人的重量、操控性提高、能耗降低。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。