一种水面探测搜救机器人

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种水面探测搜救机器人。

背景技术：

随着时代的发展，水上运动爱好者越来越多。为了最大限度避免落水事故引起的生命及财产损失，带水上搜救功能的水面搜救机器人应运而生。

目前现有的水面搜救机器人较少，虽然功能强大，但大多功能单一，体积庞大，结构复杂且难以携带移动。在狭小水域移动不便，且工作效率低，使用成本高，另外使用燃油驱动的方式还会导致空气污染和噪音污染的问题。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明提供一种水面探测搜救机器人，是一种可在浅水区如水库、鱼塘等水域执行探测及搜救任务的多功能水面机器人，该水面机器人摆脱原来水面搜救机器人功能单一的缺陷，能够在进行水面水质探测的同时对水库落水人员进行救援。

一种水面探测搜救机器人，包括主船体1、左船体2、右船体3，其中左船体2和右船体3分别通过连接件固定在主船体1的左右两侧，左船体2和主船体1之间的连接件上固定有左推进器21，右船体3和主船体1之间的连接件上固定有右推进器31；

自稳云台相机5、机械臂4、试样储存舱6和锂离子储能电池7从前往后依次固定在主船体1上，且锂离子储能电池7下方的主船体1上还固定有单片机和通讯模块，其中通讯模块通过信号线与单片机连接；

右led探照灯32、电子罗盘33和水浊度传感器34从前往后依次固定在右船体3上，且水浊度传感器34的测量头位于右船体3的侧壁上；

左led探照灯22、gps定位装置23和ph传感器24从前往后依次固定在左船体2上，且ph传感器24的测量头位于左船体2的侧壁上；

机械臂4包括底座41、机械爪42、舵机43、一号臂44、一号关节45、二号臂46、二号关节47、三号臂48和三号关节49，其中底座41包括壳体411、步进电机架412和转向步进电机413，其中壳体411固定在主船体1上，步进电机架412固定在壳体411内部的主船体1上，转向步进电机413固定在步进电机架412上，且转向步进电机413的电机轴穿过壳体411并通过联轴器与一号臂44底端连接；

一号臂44顶端通过一号关节45与二号臂46一端连接，二号臂46另一端通过二号关节47与三号臂48一端连接，三号臂48另一端连接有三号关节49，舵机43固定在三号关节49上，机械爪42包括左爪421、左爪齿轮、右爪422和右爪齿轮，其中左爪421固定在左爪齿轮上，右爪422固定在右爪齿轮上，且左爪421通过转轴连接在三号关节49上，右爪齿轮套置在舵机43的舵机轴上，受舵机43驱动旋转，左爪齿轮配合连接在右爪齿轮上；

所述的一号关节45包括一号电机451、一号关节左壳体452和一号关节右壳体453，其中一号关节左壳体452配合连接并固定在一号臂44的顶端，一号电机451固定在一号关节左壳体452内，一号关节右壳体453通过联轴器与一号电机451的转轴连接，且一号关节右壳体453配合连接并固定在二号臂46的一端；

所述的二号关节47包括二号电机471、二号关节左壳体472和二号关节右壳体473，其中二号关节左壳体472配合连接并固定在二号臂46的另一端，二号电机471固定在二号关节左壳体472内，二号关节右壳体473通过联轴器与二号电机471的转轴连接，且二号关节右壳体473配合连接并固定在三号臂48的一端；

所述的三号关节49包括三号电机491、三号关节左壳体492和三号关节右壳体493，其中三号关节左壳体492配合连接并固定在三号臂48的另一端，三号电机491固定在三号关节左壳体492内，三号关节右壳体493一端通过联轴器与三号电机491的转轴连接，三号关节右壳体493另一端上设有连接板4931，左爪421通过转轴连接在三号关节49的连接板4931上，舵机43固定在三号关节49的连接板4931上；

单片机的数据传输口分别与自稳云台相机5、舵机43、转向步进电机413、一号电机451、二号电机471、三号电机491、左led探照灯22、电子罗盘33、水浊度传感器34、右led探照灯32、gps定位装置23和ph传感器24通过信号线连接；

自稳云台相机5、舵机43、转向步进电机413、一号电机451、二号电机471、三号电机491、左led探照灯22、电子罗盘33、水浊度传感器34、右led探照灯32、gps定位装置23、ph传感器24、单片机和通讯模块均通过电源线与锂离子储能电池7的供电端连接；

主船体1的尾部固定有搜救挂钩11。

所述左推进器21和右推进器31的结构相同，均是由无刷电机以及螺旋桨组成，其中螺旋桨通过刚性联轴器与无刷电机的转轴连接。

还包括太阳能供电板，太阳能供电板通过电源线与锂离子储能电池7的充电端连接。

所述试样储存舱6内设置试管架。

本发明的有益效果：

本发明结构简单且方便携带移动，在狭小水域移动灵活，工作效率高，成本低，另外使用电驱动的方式减小空气污染和噪音污染，可在浅水区如水库、鱼塘等水域执行探测及搜救任务。

附图说明

图1为本发明的俯视结构示意图。

图2为本发明的立体结构示意图。

图3为本发明的机械臂结构示意图。

图4为本发明的侧视结构示意图。

图5为本发明的一号关节结构示意图。

图6为本发明的二号关节结构示意图。

图7为本发明的三号关节结构示意图。

图8为本发明的机械爪结构示意图。

图9为本发明机械臂发底座内部结构示意图。

其中：1主船体、11搜救挂钩、2左船体、21左推进器、22左led探照灯、23gps定位装置、24ph传感器、3右船体、31右推进器、32右led探照灯、33电子罗盘、34水浊度传感器、4机械臂、41底座、411壳体、412步进电机架、413转向步进电机、42机械爪、421左爪、422右爪、43舵机、44一号臂、45一号关节、451一号电机、452一号关节左壳体、453一号关节右壳体、46二号臂、47二号关节、471二号电机、472二号关节左壳体、473二号关节右壳体、48三号臂、49三号关节、491三号电机、492三号关节左壳体、493三号关节右壳体、4931连接板、5自稳云台相机、6试样储存舱、7锂离子储能电池。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚，下面根据附图来描述本发明专利。

如图1所示，一种水面探测搜救机器人，包括主船体1、左船体2、右船体3、其中左船体2和右船体3分别通过连接件固定在主船体1的左右两侧，左船体2和主船体1之间的连接件上固定有左推进器21，右船体3和主船体1之间的连接件上固定有右推进器31；

自稳云台相机5、机械臂4、试样储存舱6和锂离子储能电池7从前往后依次固定在主船体1上，且锂离子储能电池7下方的主船体1上还固定有单片机和通讯模块，其中通讯模块通过信号线与单片机连接；实现信号的传输；

左led探照灯22、电子罗盘33和水浊度传感器34从前往后依次固定在右船体3上；且水浊度传感器34的测量头位于右船体3的侧壁上；

右led探照灯32、gps定位装置23和ph传感器24从前往后依次固定在左船体2上；且ph传感器24的测量头位于左船体2的侧壁上；

机械臂4包括底座41、机械爪42、舵机43、机械臂关节231、一号臂44、一号关节45、二号臂46、二号关节47、三号臂48和三号关节49，其中底座41包括壳体411、步进电机架412和转向步进电机413，其中壳体411固定在主船体1上，步进电机架412固定在壳体411内部的主船体1上，转向步进电机413固定在步进电机架412上，且转向步进电机413的电机轴穿过壳体411并通过刚性联轴器与一号臂44底端连接；驱动一号臂44上下运动。

一号臂44顶端通过一号关节45与二号臂46一端连接，二号臂46另一端通过二号关节47与三号臂48一端连接，三号臂48另一端连接有三号关节49，舵机43固定在三号关节49上，机械爪42包括左爪421、左爪齿轮、右爪422和右爪齿轮，其中左爪421固定在左爪齿轮上，右爪422固定在右爪齿轮上，且左爪421通过转轴连接在三号关节49上，右爪齿轮套置在舵机43的舵机轴上，受舵机43驱动旋转，左爪齿轮配合连接在右爪齿轮上；

当舵机43的舵机轴转动时带动右爪齿轮运动，从而右爪转动，左爪通过左爪齿轮与右爪齿轮啮合而转动，这样就实现了机械爪42的抓取动作。

所述的一号关节45包括一号电机451、一号关节左壳体452和一号关节右壳体453，其中一号关节左壳体452配合连接并固定在一号臂44的顶端，一号电机451固定在一号关节左壳体452内，一号关节右壳体453通过联轴器与一号电机451的转轴连接，受一号电机451的驱动转动，且一号关节右壳体453配合连接并固定在二号臂46的一端；

一号电机451位于一号关节左壳体452内，一号关节左壳体452通过“卯榫”结构连接在一号臂44的顶端。而一号关节右壳体453与联轴器连接，联轴器与一号电机451的电机轴连接，一号关节右壳体453也是通过“卯榫”结构连接在二号臂46的一端，然后一号关节左壳体452和一号关节右壳体453也是同样通过“卯榫”结构合为一体，共同组成关节。下面的两个关节同样也是这种结构。

所述的二号关节47包括二号电机471、二号关节左壳体472和二号关节右壳体473，其中二号关节左壳体472配合连接并固定在二号臂46的另一端，二号电机471固定在二号关节左壳体472内，二号关节右壳体473通过联轴器与二号电机471的转轴连接，受二号电机2331的驱动转动，且二号关节右壳体473配合连接并固定在三号臂48的一端；

所述的三号关节49包括三号电机491、三号关节左壳体492和三号关节右壳体493，其中三号关节左壳体492配合连接并固定在三号臂48的另一端，三号电机491固定在三号关节左壳体492内，三号关节右壳体493一端通过联轴器与三号电机491的转轴连接，受三号电机491的驱动转动，三号关节右壳体493另一端上设有连接板4931，左爪421通过转轴连接在三号关节49的连接板4931上，舵机43固定在三号关节49的连接板4931上；

单片机的数据传输口分别与双目摄像头51、自稳云台相机5、舵机43、转向步进电机413、一号电机451、二号电机471、三号电机491、左led探照灯22、电子罗盘33、水浊度传感器34、右led探照灯32、gps定位装置23和ph传感器24通过信号线连接；以实现核心控制板即单片机对于这些部件的控制；单片机的型号为mega2560；

双目摄像头51、自稳云台相机5、舵机43、转向步进电机413、一号电机451、二号电机471、三号电机491、左led探照灯22、电子罗盘33、水浊度传感器34、右led探照灯32、gps定位装置23、ph传感器24、单片机和通讯模块均通过vcc，gnd两根电源线与锂离子储能电池7的供电端连接；也就是所谓的正极。

主船体1的尾部固定有搜救挂钩11，当船体运动到被搜救人员处，被搜救人员可抓住搜救挂钩11随船体运动回岸上。

所述左推进器21和右推进器31的结构相同，均是由型号为2845的无刷电机即金刚无感无刷电机以及螺旋桨组成，其中螺旋桨通过刚性联轴器与无刷电机的转轴连接，在无刷电机的驱动下旋转，进而实现船体在水中运动。

所述左推进器21和右推进器31的无刷电机分别通过铝型材直角连接件连接在左船体2和主船体1之间的连接件、右船体3和主船体1之间的连接件上；

还包括太阳能供电板，太阳能供电板通过vcc，gnd两根电源线与锂离子储能电池7的充电端连接。

所述试样储存舱6内设置试管架。

所述自稳云台相机5包括型号为h314的台和双目摄像头51，双目摄像头51为14倍光学变焦4k高清无人机专业云台相机，

自稳云台相机5可以保证机器人在水面上行进时所获取的画面稳定，方便用户的观察。左led探照灯22和右led探照灯32为可远近距离更换的灯，分别位于左船体2和右船体3的前端，可方便夜间的救援和探测。

机械臂4位于主船体1的前端，其功能为方便机器人在水面进行作业和进行救援任务。太阳能供电板与锂离子储能电池7位于主船体1的后端中央，太阳能供电板在白天吸收太阳能进行转化储存电能提供给锂离子储能电池7，当然锂离子储能电池7也可以拆卸下来进行充电来满足作业时所需要的耗电。

在主船体1的机械臂4后方设置试样储存舱6，试样储存舱6内设置试管架，用来存放需要特定测试的水样，提取的水样用于上岸后工作人员的后期检测。

在右船体3后端底部上安装多个防水性很好的水浊度传感器34，用来检测水体质量的污浊程度，便于用户及时了解某片水域的水体质量，同时也有助于用户及时做出相应的调整措施，以避免引起不必要的经济损失。

在左船体2后底部上安装着多个ph传感器24，用来辅助左船体2来进行水质检测实现对水域的全面监控。在主船体1和右船体3、主船体1和左船体2之间分别安装右推进器31和左推进器15，通过锂离子储能电池7供电来推动船体的各种运动。在主船体1后端设置搜救挂钩11，用来悬挂救生圈和空皮筏，营救不慎掉入水中的人员。在左船体2的中部安装gps定位装置23，用来反馈机器人自身的相对位置，用以机器人的导航定位，便于对各个区域进行实时测量。在右船体3中央安装电子罗盘33，用来配合gps定位装置23进行实时定位和最优路径的规划。

gps定位装置23为g28u8fdttl北斗双模gps模块，电子罗盘33为飞控gps电子罗盘地磁5883l。

驱动部分采用电机机构驱动，具备控制简单、尺寸紧凑、设计方便的优点。单片机通过控制机械臂4上各个关节上的电机以实现机械臂4能够完成目标动作。当想取水样时通过设置在船上的通讯模块接收信号，将信号传输给单片机，单片机识别此信号后，会通过事先编好的程序动作来控制机械臂4完成取水。此通讯模块型号为spp-ca蓝牙串口无线通讯传输数据模块，设置在主船体1的锂离子储能电池7下方，和单片机设置在一起，通讯模块与单片机通过信号线连接，实现信号的传输。

进行水质取样时的过程如下：

机械臂4的初始状态就是如图1和图2所示，是在主船体1的前方，即船头，当发出取水命令的信号时，设置在主船体1上的通讯模块接收此信号，并将此信号传输给单片机，单片机识别处理后，首先控制设置在底座41内的转向步进电机413水平旋转180度，机械臂4的机械爪端正对着试样储存舱6，然后控制一号电机451向下旋转10度，二号臂46在其带动下向下运动，接着控制二号电机471旋转13度，三号臂48在其带动下向下运动，再继续控制三号电机491旋转42度，机械爪42在其带动下向下运动，此时机械爪42运动到了试样储存舱6上面试管架上一个试管所在的位置，最后发送命令给舵机43，控制舵机43旋转进而带动右爪齿轮旋转，进而左爪齿轮旋转，此时右爪422和左爪421均向内运动，共同配合完成对试样储存舱6内试管架上试管的抓取动作；

然后依次把上述取试管的命令依次反向执行后机械臂4回到图1所示的初始位置，此时发出信号给主船体1上的通讯模块，通讯模块将此信号传输给单片机，单片机识别处理后，控制一号电机451旋转80度，此时二号臂46、三号臂48和机械爪42在其带动下向下运动，机械爪42进入船体所在水域内，右爪422和左爪421抓取的试管也就进入船下的水中进行取样，等待2秒后试管内注入水后，再次控制一号电机451反向旋转80度后回到原位；

再次执行上述的取试管动作，即控制设置在底座41内的转向步进电机413水平旋转180度，然后控制一号电机451向下旋转10度，二号电机471向下旋转13度，三号电机491向下旋转42度，此时右爪422和左爪421抓取的试管会被放入试样储存舱6内试管架上，最后发送命令给舵机43，控制舵机43反向旋转进而带动右爪齿轮旋转，进而左爪齿轮旋转，此时右爪422和左爪421均向外，将试管放开。

当机械臂4提取水样后，控制机械臂4和底座41旋转将提取的水样放入试管储存箱116内的试管架上，方便用户想对某片区域进行详细的水质检测。该机械臂4具备结构紧凑、转动灵活的特点。同时满足重量轻、钢性强、形变小的要求。

把试管返回原位之后再次执行方向动作，机械臂4回到初始状态，一次取水动作完成。

单片机控制两个推进器的无刷电机旋转，实现前进动作。机械臂4完成取水动作。完成的命令都是通过事先写好的控制程序通过信号传输给主船体1上的通讯模块，再由单片机控制各个部件完成相应动作的，其中源代码通过keil4编译。