CN101797968A - 一种开架水下检测和探测的机器人机构 - Google Patents

一种开架水下检测和探测的机器人机构 Download PDF

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万磊
庞永杰
黄海
邹劲
秦再白
张赫
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Abstract

本发明的目的在于提供一种开架水下检测和探测的机器人机构。该机构包括机器人主体、环境感知设备、运动感知设备和运动执行设备，机器人主体包括框架(2)、浮力材(11)和耐压舱(1)，环境感知设备包括超声测厚仪(14)、前视图像声纳(12)和水下微光摄像机(15)，运动感知设备包括光纤罗经(6)和深度计(7)，运动执行设备包括左主推螺旋桨(17)、右主推螺旋桨(10)、后侧推螺旋桨(8)、后垂推螺旋桨(9)、前侧推螺旋桨(3)和前垂推螺旋桨(4)、二自由度云台(13)和大灯(16)。本发明结构简单，作业灵活可靠，适应性强，其机构可扩展性强，易于组装，具有一定的容错性。

Description

一种开架水下检测和探测的机器人机构
技术领域
本发明涉及的是一种机器人机构，具体地说是用于水下作业的机器人机构。
背景技术
水下的很多设备诸如管道，船体等需定期检测以排除安全隐患，采用潜水员手持设备进行水下检测，不仅效率低，而且作业存在很大的危险性，这就催生了水下检测机器人的出现。
美国等国家最先开展了船体检测水下机器人的研制。MIT水下机器人实验室先后研制了CetusII AUV，HAUV用于船舶水下检测。Bluefin公司的Bluefin-9利用了其先进的声学扫描系统对美国的战舰进行了船底危险物的检测。迈阿密大学的Shahriar教授及其课题组采用商业机器人，利用水下光学系统对船体进行了快速扫描试验。以上检测的目标主要是船舶底部吸附爆炸物的检测，真正意义上的用于船体钢板厚度检测的水下机器人还鲜见报道。
申请号为2004200637560.2的中国专利文件(授权公告日：2006年5月10日)中公开的“水下机器人的组合式框架结构”提供了一种搜索，探测或打捞水下目标的水下机器人骨架虽然与本专利属于同一技术领域，但其只是机器人框架，其结构并不具备作业能力。申请号为200410082862.X的中国专利文件(授权公告日：2006年6月14日)中公开的“一种水下机器人结构”提供了一种可重组的模块化水下机器人结构，但它是封闭式水下机器人的整体结构，并不能根据机器人的功能需要，随着仪器，设备，工具的形状或位置进行灵活的调整。
发明内容
本发明的目的在于提供主要用于检测船体的安全隐患、水下管道检测、水下环境探测的一种开架水下检测和探测的机器人机构。
本发明的目的是这样实现的：
本发明包括机器人主体、环境感知设备、运动感知设备和运动执行设备；机器人主体包括框架、浮力材和耐压舱，浮力材安装在框架的上部，耐压舱共有两个、固定在框架上、位于浮力材下方的两侧、呈对称分布；环境感知设备包括超声测厚仪、前视图像声纳和水下微光摄像机，前视图像声纳安装在机器人的前端上部中间，水下微光摄像机固定在机器人的前端下部、并和二自由度中间云台相连，超声测厚仪固定在框架上、位于机器人的最前端；运动感知设备包括光纤罗经和深度计，光纤罗经固定在机器人后端中间的上部、两个耐压舱中间，深度计固定在框架上、位于右侧耐压舱左边；运动执行设备包括左主推螺旋桨、右主推螺旋桨、后侧推螺旋桨、后垂推螺旋桨、前侧推螺旋桨和前垂推螺旋桨、二自由度云台和大灯，左主推螺旋桨和右主推螺旋桨分别固定在框架的两侧，前侧推螺旋桨和后侧推螺旋桨分别固定在框架的前侧和后侧的正中间，前垂推螺旋桨和后垂推螺旋桨分别固定在机器人框架的前侧和后侧中间，云台位于机构的前端、左右两侧固定两个大灯。
本发明的优势在于：结构简单，作业灵活可靠，适应性强，其机构可扩展性强，易于组装，具有一定的容错性。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的右视图；
图4是本发明水下机器人在水平面运动的推力器布置图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1——4，水下检测机器人主体上安装有环境感知设备、运动感知设备和运动执行设备。水下检测机器人由框架2，安装在框架2上的左右两个耐压舱(控制舱和电源舱)1、5，浮力材11组成的水下机器人主体；所述的环境感知设备包括超声测厚仪14、前视图像声纳12、水下微光摄像机15；所述的运动感知设备包括光纤罗经6、深度计7；所述的运动执行设备包括左主推螺旋桨17、右主推螺旋桨10、后侧推螺旋桨8、后垂推螺旋桨9、前侧推螺旋桨3和前垂推螺旋桨4、二自由度云台13(包括固定在云台上的两个大灯16)。
其中主框架2结构简单，易于组装，可灵活的添加机器人所需设备；浮力材11安装在主框架2的上部利于机器人的上浮和下潜；左右两个耐压舱及电源舱5和控制舱1，分别固定在浮力材11下面的的两侧，呈对称分布以保证机器人在水中的姿态；左、右主推螺旋桨17和3分别固定在框架2的两侧，前、后侧推螺旋桨3和8分别固定在框架2的前侧和后侧的正中间，四个螺旋桨形成了冗余的，容错的，可靠的，合理的水平推力布置，控制机器人在水平面X-Y方向进行运动；前、后垂推螺旋桨4和9分别固定在机器人框架的前侧和后侧中间，可以保证机器人顺利下潜，并保持正确的姿态，见图4；前视图像声纳12安装在机器人的前端上部中间，拥有最广阔的视野，可以准确的扫描到机器人前进的方向从而实现机器人前进时快速无误的避障，水下微光摄像机15固定在机器人的前端下部二自由度中间云台13上，同样拥有广阔的视野，并可以通过云台13的运动获得更广阔的视角，云台13的左右固定着两个大灯16获得更清楚的视频图像，从而准确的实现在水下的探测和跟踪；超声测厚仪14的探头固定在机器人的最前端，机器人在水下检测船体时对船体只需一触，就可以检测到船体的厚度；光纤罗经6固定在机器人后端中间的上部，使机器人在行驶中准确的获得机器人姿态，并平衡前面的前视图像声纳12，二自由度云台13，微光摄像机15的重量使机器人在水中不产生埋艏(纵倾)。
图4中，ri，i＝1，2，...，6表示推进器的位置，ei，i＝1，2，...，6表示推进器的推力的方向，x0，y0表示水平面坐标系。
工作原理：水下机器人在水中进行目标探测或船体检测时通过左主推螺旋桨17、右主推螺旋桨10、后侧推螺旋桨8、前侧推螺旋桨3控制机器人的水平运动，通过后垂推螺旋桨9和前垂推螺旋桨4控制机器人上浮和下潜，从而机器人通过微光摄像机15配合二自由度云台13获取水下被跟踪物体及场景图像，通过识别，进行实时跟踪路径规划，对水下机器人发送运动控制指令，从而控制机器人的导管螺旋桨使其完成跟踪和探测的动作。
另一方面通过前视图像声纳12获取水下障碍物信息，采对机器人避碰路径进行规划，对水下机器人发送运动控制指令，从而控制机器人的导管螺旋桨使其完成避碰的动作。
机器人在水下检测船体时根据控制指令到达船体指定位置，只需对船体一触，就可以用超声测厚仪14检测到船体的厚度。

Claims (1)

1.一种开架水下检测和探测的机器人机构，包括机器人主体、环境感知设备、运动感知设备和运动执行设备，其特征是：机器人主体包括框架(2)、浮力材(11)和耐压舱(1)，浮力材(11)安装在框架(2)的上部，耐压舱共有两个、固定在框架(2)上、位于浮力材(11)下方的两侧、呈对称分布；环境感知设备包括超声测厚仪(14)、前视图像声纳(12)和水下微光摄像机(15)，前视图像声纳(12)安装在机器人的前端上部中间，水下微光摄像机(15)固定在机器人的前端下部、并和二自由度中间云台(13)相连，超声测厚仪(14)固定在框架(2)上、位于机器人的最前端；运动感知设备包括光纤罗经(6)和深度计(7)，光纤罗经(6)固定在机器人后端中间的上部、两个耐压舱(1)中间，深度计(7)固定在框架上、位于右侧耐压舱(5)左边；运动执行设备包括左主推螺旋桨(17)、右主推螺旋桨(10)、后侧推螺旋桨(8)、后垂推螺旋桨(9)、前侧推螺旋桨(3)、前垂推螺旋桨(4)、二自由度云台(13)和大灯(16)，左主推螺旋桨(17)和右主推螺旋桨(3)分别固定在框架(2)的两侧，前侧推螺旋桨(3)和后侧推螺旋桨(8)分别固定在框架(2)的前侧和后侧的正中间，前垂推螺旋桨(4)和后垂推螺旋桨(9)分别固定在机器人框架的前侧和后侧中间，云台(13)位于机构的前端，左右两侧固定两个大灯(16)。
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