一种适应水下复杂工作环境的检测和辅助作业机器人装置

1.本发明属于水下设备技术领域，具体涉及一种适应水下复杂工作环境的检测和辅助作业机器人装置。


背景技术：

2.随着临海、内陆湖泊上基建工程的大量实施，基于水下机器人检测和辅助作业的应用需求越来越强烈。相比深海开发用水下机器人而言，临海、内陆湖泊用水下机器人有其特殊性：水下机器人的工作水深一般不会超过500米，且以100米以内的应用场合居多；水下机器人工作场景往往伴随有较大的流速，需要在水下建筑物附近作业等特点，这对机器人水下稳定工作提出了非常高的要求，也是目前已有各类深海用水下机器人或没有进行针对性研制的机器人难以满足使用要求的核心原因所在。
3.临海、内陆湖泊上基建工程用水下机器人实现水下高精度稳定控制是其面临的最大核心技术难题，也是水下机器人能否完成水下高精度作业的前提和基础。该类水下机器人的工作稳定性受到来自自身和外部环境的各种不确定性因素的干扰，主要包括：模型自身扰动，如模型本身的非线性，水动力参数的实时变化以及机械手等作业工具引起的重心变化；环境扰动：如海流、海浪干扰，水文参数温度盐度等变化产生的不平衡力，这种在水下复杂环境下的外部激励，对机器人水下观察和辅助作业带来极大的困难，严重制约了水下机器人在工程上的应用效果。同时，水下机器人为了适应水下大深度工作环境，通常需要把电子元件放置在密封舱体中，其电子元件主要包括电子调速器、控制电路板、电子模组、以及各类检测传感器等。随着水下机器人搭载的电子设备增多，会导致水下机器人的密封舱空间拥挤，内部电子元件不易布置，较多的大功率电子元器件集中布置，极易产生电磁兼容的问题，而且因为电子调速器在工作中会发热，使得电子调速器温度升高，如果温度过高会影响舱内电子元件的工作。
4.因此，如何提供一种能够提高整机流体性能，方便密封舱内部电子元件的布置及散热的检测和辅助作业的机器人装置，成为本领域技术人员需要解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种适应水下复杂工作环境的检测和辅助作业机器人装置，本发明将电调舱与密封舱分开布置，减小了电子调速器发热对密封舱内电子元器件的影响，提升了密封舱空间的使用效率，同时电调舱能够充分与海水接触，提高了电子调速器的散热效果。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适应水下复杂工作环境的检测和辅助作业机器人装置，包括集成式环绕结构、推进装置、密封舱、电调舱和浮体材料，所述集成式环绕结构的前后两端支架和侧方支架均为圆弧式结构，所述推进装置环绕布置在集成式环绕机构的边缘，所述密封舱、浮体材料和电调舱均设置在集成式环绕结构上，所述密封舱设置在集成式环绕结构的中心，所述浮体材料填充在密封舱与集成式环绕结构之
间，所述电调舱设置在密封舱与集成式环绕结构之间，所述推进装置和电调舱均与密封舱电连接。
7.进一步的，所述推进装置包括八个推进器，所述八个推进器固定在集成式环绕结构的八个拐角，所述八个推进器的推进方向的延长线的交点位于机器人装置的中心，用于保证机器人装置能够在水下实现全向运动。
8.进一步的，所述电调舱内设置有八个电子调速器，八个电子调速器在电调舱内呈矩形布置，八个所述电子调速器分别与八个推进器电连接。
9.进一步的，还包括超短基线和声学多普勒计程仪，所述超短基线设置在集成式环绕结构上方，所述声学多普勒计程仪设置在集成式环绕结构下方，所述超短基线和声学多普勒计程仪均与密封舱电连接，所述声学多普勒计程仪用于配合超短基线在水下实时定位。
10.进一步的，还包括多波束声呐，所述多波束声呐与密封舱电连接，所述多波束声呐设置在密封舱后端的上方，所述多波束声呐固定在集成式环绕结构上。
11.进一步的，还包括机械手，所述机械手与密封舱电连接，所述机械手设置于集成式环绕结构的前下方，用于在水下进行抓取、勘探、取样作业。
12.进一步的，还包括照明设备，所述照明设备与密封舱电连接，所述照明设备包括前置照明灯和后置照明灯，所述前置照明灯设置于集成式环绕结构的前端，所述后置照明灯设置于集成式环绕结构的后端，用于在不同的水下环境中提供光源，配合摄像机使用。
13.进一步的，还包括拍摄设备，所述拍摄设备与密封舱电连接，所述拍摄设备包括云台摄像机和固定摄像机，所述云台摄像机设置在密封舱的前端中心位置，所述固定摄像机设置在集成式环绕结构的后端，所述固定摄像机设置在后置照明灯的中间。
14.进一步的，还包括深度计，所述深度计与密封舱电连接，所述深度计设置在密封舱的端面上。
15.进一步的，所述密封舱内设置有集成锂电池组件、集成光电信号转换模块、集成通讯模块和集成控制电路板，所述集成光电信号转换模块、集成通讯模块和集成控制电路板均与集成锂电池组件电连接，所述集成锂电池组件用于水下控制装置的供电，所述集成光电信号转换模块用于光信号与电信号的互相转换，所述集成通讯模块用于网络协议数据传输，所述集成控制电路板用于输入、输出控制信号及为各个部件分配供电。
16.本发明的有益效果为：
17.1、本发明设置的集成式环绕结构，一方面便于设备安装、保护各类水下仪器，另一方面提高整机流体性能，还能提供足够的结构强度刚度，以便支撑机器人装置携带的作业设备；
18.2、本发明将体积大、发热量高的电子调速器与密封舱分离，提升了密封舱空间的使用效率，使密封舱内部可以布置更多的元器件以及存放更大容量的电池，克服了现有技术中电子调速器安装在密封舱中，因散热性能差而导致的电子元器件因温度高而烧毁，继而引发安全事故的技术缺陷；
19.3、本发明设置独立的电调舱，可以更充分的与液体接触，提升了电子调速器的散热效果；由于电子调速器独立于密封舱外部，因此减小了电子调速器发热对密封舱内电子元器件的影响，规避了由于大电流导致的舱内多电子设备之间的电磁兼容问题，提高了设
备使用的稳定性和寿命。
附图说明
20.图1为本发明主体结构示意图；
21.图2为本发明另一角度主体结构示意图；
22.图3为本发明正视图(去除浮体材料)；
23.图4为本发明左视图(去除浮体材料)；
24.图5为本发明剖视图；
25.图6为本发明控制原理图。
26.图中：1.推进装置；1-1.第一推进器；1-2.第二推进器；1-3.第三推进器；1-4.第四推进器；1-5.第五推进器；1-6.第六推进器；1-7.第七推进器；1-8.第八推进器；2.密封舱；2-1.集成锂电池组件；2-2.集成光电信号转换模块；2-3.集成通讯模块；2-4.集成控制电路板；3.照明设备；3-1.第一照明灯；3-2.第二照明灯；3-3.第三照明灯；3-4.第四照明灯；3-5.第五照明灯；3-6.第六照明灯；4.多波速声呐；5.机械手；6.声学多普勒计程仪；7.超短基线；8.云台摄像机；9.深度计；10.固定摄像机；11.电调舱；11-1.第一电子调速器；11-2.第二电子调速器；11-3.第三电子调速器；11-4.第四电子调速器；11-5.第五电子调速器；11-6.第六电子调速器；11-7.第七电子调速器；11-8.第八电子调速器；12.集成式环绕结构；13.浮体材料；14.起吊环。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
28.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“内”、“外”、“一侧”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，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.实施例1
30.如图1-5所示，本发明公开了一种适应水下复杂工作环境的检测和辅助作业机器人装置，包括：推进装置1、密封舱2、照明设备3、多波速声呐4、机械手5、声学多普勒计程仪6、超短基线7、云台摄像机8、深度计9、固定摄像机10、电调舱11、集成式环绕结构12、浮体材料13和起吊环14。
31.其中，集成式环绕结构12的前后两端支架和侧方支架均为圆弧式结构，一方面便于设备安装、保护各类水下仪器，另一方面提高整机流体性能，还能提供足够的结构强度刚度，以便支撑水下机器人携带的作业设备；优先地，集成式环绕结构12选用铝合金材料，亦
可选用工程塑胶；推进装置1包括第一推进器1-1；第二推进器1-2；第三推进器1-3；第四推进器1-4；第五推进器1-5；第六推进器1-6；第七推进器1-7；第八推进器1-8，八个推进器呈翼展结构布置，固定在集成式环绕结构的八个拐角，八个推进器在三维空间的布置分别与x轴、y轴、z轴呈特定夹角固定在集成式环绕结构12上，八个推进器的推进方向的延长线的交点位于机器人装置的中心，通过这种布置方式，减少了流动动力学阻力，提高了整机流体性能、控制精度和自适应性；当开启推进器时，通过控制推进器的转速可以产生不同方向的分力，从而控制设备按照预定的轨迹运动，使得设备能够在水下实现全向运动，并抑制设备横滚晃动。
32.其中，密封舱2安装固定于集成式环绕结构12上，密封舱内设置有集成锂电池组件2-1、集成光电信号转换模块2-2、集成通讯模块2-3和集成控制电路板2-4，集成光电信号转换模块2-2、集成通讯模块2-3和集成控制电路板2-4均与集成锂电池组件2-1电连接，集成锂电池组件2-1，用于水下控制装置的供电；集成光电信号转换模块2-2，用于光信号与电信号的互相转换；集成通讯模块2-3，用于网络协议数据传输；集成控制电路板2-4，用于输入、输出控制信号及为各个部件分配供电。
33.其中，照明设备3包括前置照明灯四个和后置照明灯两个，前置照明灯包括第一照明灯3-1，第二照明灯3-2，第三照明灯3-3，第四照明灯3-4，环绕布置于集成式环绕结构12前方；后置照明灯包括第五照明灯3-5，第六照明灯3-6，对称布置于集成式环绕结构12后方，用于在不同的水下环境中提供光源，配合摄像机使用。
34.其中，多波束声呐4安装固定于集成式环绕结构12前上方，当云台摄像机8拍摄的画面无法满足操控要求时，比如作业区域海水较为浑浊，云台摄像机8无法拍摄清晰画面时，可启动多波束声呐4获取工作水域的实时画面。
35.其中，机械手5安装固定于集成式环绕结构12前下方，用于在水下进行抓取、勘探、取样等作业。
36.其中，声学多普勒计程仪6安装固定于集成式环绕结构12下方，超短基线7安装固定于集成式环绕结构12上方。声学多普勒计程仪6配合超短基线7可实现设备在水下作业时的实时定位，精确确定设备的方位、速度及航向，以便设备操作人员对机器人装置的状态做出最佳判断。
37.其中，云台摄像机8安装固定于密封舱2前端面上，固定摄像机10安装固定于集成式环绕结构12的后方，设置在第五照明灯3-5和第六照明灯3-6之间。云台摄像机8配合固定摄像机10可实时监控设备正前方及正后方的环境画面，便于设备操作人员实时了解水下环境。
38.其中，深度计9安装固定于密封舱2的前端面上，用于检测设备在水下的实时深度。
39.其中，电调舱11安装固定于集成式环绕结构12下方，电调舱11内安装电子调速器共计八个，包括第一电子调速器11-1，第二电子调速器11-2，第三电子调速器11-3，第四电子调速器11-4，第五电子调速器11-5，第六电子调速器11-6，第七电子调速器11-7，第八电子调速器11-8，分别用于控制推进装置的工作，呈矩形阵列布置，电调舱11的设置，将电子调速器从密封舱2中独立出来，增加了密封舱2内其它电子设备可利用的空间。电调舱11用于隔绝电子调速器与水接触，同时，电调舱11直接与液体接触，增加了电子调速器的散热效果。
40.其中，浮体材料13为水下机器人提供充足的浮力保证设备在水下运行时不会沉底；起吊环14设置在集成式环绕结构12的顶端，起吊环14用于搬运和吊装设备时使用。
41.其中，如图6所示，水下机器人稳定性控制系统中，操作人员下达指令，水下机器人做出相应的动作。稳定性控制系统主要由水上控制单元15、水下姿态控制单元16、水下驱动单元17配合声学多普勒计程仪6、超短基线7、深度计9组成。水下驱动单元17包含电子调速器11和推进器1，电子调速器11控制推进器1的速度按照给出的指令执行升降、前后、左右的运动，使机器人能够在水下实现全方位运动，抑制机器人横滚晃动，提高水下机器人稳定控制。
42.以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。