CN102975830A - 混合动力水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种混合动力水下机器人，包括水下机器人本体和水上控制箱两个部分，其特征在于：水下机器人本体顶部开有输出电缆插座，通过屏蔽的电缆与水上控制箱相连，所述的电缆为硅胶管封装的六芯导线，两对双绞信号线，分别与水上控制箱的控制电路Ⅱ的信号差分变换电路和水下机器人本体的控制电路Ⅰ的信号差分变换电路相连，一对电源线与将水上控制箱和水下机器人本体的直流电源相连。本发明通过视频传感器将水下被测物的外形、运作状态图像实时的传送至水上工作站，供专业人员分析使用，并且配备各种机械手可以进行轻量级的抓取作业。
Description
技术领域
本发明属于光电测控领域，特别涉及一种用于水下作业与探测的功能性机器人。
背景技术
随着经济的发展，人类对水下资源的探测与利用越来越广泛，如水电站、核电站、大坝的修建。混合动力水下机器人在海洋石油开发、海洋科学研究、海底矿藏勘测开发、海底打捞救生、核电工业设备测量、水库堤坝探测等方面具有重要的意义，特别是一些狭窄、污染水质，且有一定危险的深水环境下作业，对混合动力水下机器人的需求越来越大。某些特殊设备常年处于水下工作，其运行状态无法实时了解，给正常的工程生产带来巨大的安全隐患。目前，上述对于水下设备的观测基本上都是取出水面观测或是采用进口水下观测机器人产品，其价格、维护费用都相当昂贵，在很大程度上制约了工程生产的进度，给工程生产带来了不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题:为了克服现有技术中存在的不能实时掌握水下设备的运作状态而带来的安全隐患及现有观测产品价格、维护费用昂贵的不足，提供了一种可以通过视频传感器把水下被测设备的外形、运作状态图像实时地传送至水上控制箱，供检修人员分析使用，并且配置的机械手可以进行轻量级的抓取作业。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案:
一种混合动力水下机器人，包括水下机器人本体和水上控制箱两个部分，其特征在于:水下机器人本体顶部开有输出电缆插座，通过屏蔽的电缆与水上控制箱相连，所述的电缆为硅胶管封装的六芯导线，两对双绞信号线，分别与水上控制箱的控制电路Ⅱ的信号差分变换电路和水下机器人本体的控制电路Ⅰ的信号差分变换电路相连，一对电源线与将水上控制箱和水下机器人本体的直流电源相连。
所述的水下机器人本体包括控制瓶、五个推进器、摄像机、云台、机械手、支架、照明灯，控制瓶的底部安装一个支架，四个推进器分别通过支架安装在控制瓶底部四个角上，另一个推进器安装在控制瓶中部垂直上方，云台、机械手安装在支架上，摄像机、照明灯安装在云台上，所述的推进器由封装在内部的直流电机和螺旋桨组成。
所述的控制瓶内部安装有控制电路Ⅰ、电子罗盘、温度传感器、深度传感器、陀螺仪;控制电路Ⅰ包含电源转换模块、水下主控制器、串口通信电路、信号差分变换路由器。
所述的水上控制箱包括控制面板、控制电路Ⅱ、电源转换器、LED显示屏、机箱本体，控制面板设计有四个角的推进器及垂直的推进器控制摇杆、变倍调焦按钮、电源开关按钮、视频切换按钮、照明亮度旋钮、显示屏对比度旋钮、机械手推杆、云台推杆，控制面板通过四个立柱与机箱本体下部相接;控制电路Ⅱ、电源转换器安装在机箱本体下部内，所述的控制电路Ⅱ包含五个推进器控制电路、机械手及云台控制电路、摄像机控制电路、LED照明灯控制电路、数据处理电路;其中所述的数据处理电路包括信号滤波电路、模数转换电路、主控制器、串口通信电路、信号差分变换电路，LED显示屏安装在机箱本体上部。
所述的推进器的螺旋桨由电力推动，机械手由液压推动。
所述的推进器的直流电机与驱动电路集成，采用磁性联轴器密封电机，为水下控制瓶节省体积和减轻重量，推进器的导流罩采用尼龙加玻纤高强度及耐腐蚀的硬材料，借助磁性连轴器的静密封完成在深水环境条件下的动密封。
所述的摄像机为可变焦摄像机，并配有LED照明灯，在混暗和夜间都能正常工作；所述的云台为俯仰方向的一维云台，运动范围为上下正负90度。
所述的机械手为单自由度夹持式机械手，夹持能力20Kg，可根据不同的工作需求，安装不同的机械手。
所述的水上控制箱本体为黑色工程塑料仪器箱，下箱体还安装有直流电源。
所述的水上控制箱控制电路Ⅱ包含的推进器控制电路、机械手及云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路具体特征如下:
推进器控制电路接收控制面板中的推进器控制摇杆的控制信号，首先经水上控制箱控制电路Ⅱ中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器将控制信号及方向信号经串口通信电路，再经信号差分变换电路，经电缆传输经水下机器人信号差分变换电路变换，传至串口通信电路，经由水下机器人主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人推进器的电机:各推进器工作原理相同，通过控制面板上文字标示区分。
机械手及云台控制电路接收控制面板中的机械手推杆及云台推杆控制信号，首先经水上控制箱控制电路Ⅱ中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器输出控制信号及方向信号经串口通信电路，再经信号差分变换电路，经电缆传输与水下机器人信号差分变换电路变换，传至串口通信电路，经水下机器人主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人机械手、云台的电机。
摄像机控制电路接收控制面板中的变倍调焦按钮控制信号，首先经水上控制箱控制电路Ⅱ板中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经水上主控制器I/O端口判读电路至串口通信电路，再经信号差分变换电路，经电缆传输与水下机器人信号差分变换电路变换，传至串口通信电路，经由水下机器人主控制器电路控制器相应端口输出高低电平至视频切换电路、前摄像机变倍调焦电路;照明灯控制电路接收控制面板中的照明亮度旋钮控制信号，首先经水上控制箱控制电路Ⅱ板中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经模数转换电路至水上主控制器，水上主控制器输出控制信号经串口通信电路，再经信号差分变换电路，经电缆传输与水下机器人信号差分变换电路变换，传至串口通信电路，经由水下机器人主控制器电路将控制信号给照明灯控制电路。
所述的控制面板上还装有辅显示器，用于显示水下机器人本体的深度、方位以及机器人所在环境的温度。
所述的机箱本体上还开有充电接口、视频输出接口和屏蔽电缆接口。
本发明与现有技术相比具有如下优点:
1、本发明的特点主要表现在:具有潜水巡航观察、狭窄区域安全监测、侦查、搜索等功能，体积小，成本低廉，便于携带，操作灵活，可以实时观测水下被测物的状态，脐带电缆导线芯数较少，适合批量生产;
2、本发明所述水下机器人配备了不同功能的传感器，为操作人员提供了丰富的信息数据:
3、本发明可以推广应用于核电反应堆大修管道检查以及石油、水下养殖、考古、探矿、航运、水下工程监测等一些危险或人无法进入的场合。
附图说明
图1是本发明的系统结构框图;
图2是本发明的水下机器人本体的结构示意图;
图3是本发明的水上控制箱结构示意图;
图4是本发明的推进器控制电路原理框图;
图5是本发明的机械手，摄像机及摄像机云台、LED照明灯控制电路原理框图;
图6是本发明的传感器控制电路原理框图;
具体实施方式
下面结合附图及具体实时方式对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2、图3所示，一种混合动力水下机器人，包括水下机器人本体和水上控制箱两个部分，水下机器人本体顶部开有输出电缆插座，通过屏蔽的电缆5与水上控制箱相连，所述的电缆5为硅胶管封装的六芯导线，两对双绞信号线，分别与水上控制箱的控制电路Ⅱ的信号差分变换电路和水下机器人本体的控制电路Ⅰ的信号差分变换电路相连，一对电源线与将水上控制箱和水下机器人本体的直流电源相连。其中一对双绞线负责控制信号的传输;另一对双绞线负责视频图像差分信号的传输，采用差分信号适合远距离传输，抗干扰能力强:剩下两芯为电源线，为推进器、各传感器及控制电路Ⅰ系统提供电源。
如图2所示，所述的水下机器人本体包括控制瓶6、五个推进器11、摄像机1、云台2、机械手7、支架8、照明灯4，控制瓶6的底部安装一个支架8，四个推进器11分别通过支架8安装在控制瓶6底部四个角上，另一个推进器11安装在控制瓶6中部垂直上方，云台2、机械手7安装在支架8上，摄像机1、LED照明灯4安装在云台2上，所述的推进器11由封装在内部的直流电机10和螺旋桨9组成。
所述的控制瓶内部安装有控制电路Ⅰ、电子罗盘3、温度传感器、深度传感器、陀螺仪;控制电路Ⅰ包含电源转换模块、水下主控制器、串口通信电路、信号差分变换路由器。
所述的推进器的螺旋桨由电力推动，机械手由液压推动。
所述的推进器的直流电机与驱动电路集成，采用磁性联轴器密封电机，为水下控制瓶节省体积和减轻重量，推进器的导流罩采用尼龙加玻纤高强度及耐腐蚀的硬材料，借助磁性连轴器的静密封完成在深水环境条件下的动密封。
所述的摄像机为可变焦摄像机，并配有LED照明灯，在混暗和夜间都能正常工作；所述的云台为俯仰方向的一维云台，运动范围为上下正负90度。所述的机械手为单自由度夹持式机械手，夹持能力20Kg，可根据不同的工作需求，安装不同的机械手。所述的水上控制箱本体为黑色工程塑料仪器箱，下箱体还安装有直流电源。
在控制瓶6上安装有四个推进器11，控制机器人的前进、后退、左转、右转等运动。安装的LED照明灯4，为摄像机提供照明:在控制瓶6中部垂直上方安装有垂直的推进器11，控制机器人上升、下沉运动;机械手7与控制瓶6底部成30度安装，使机械手7可以夹取与支架8底部平齐物体，不会出现夹取死区，同时可根据实际工作需要将机械手换装成水下吸尘器或其他作业工具;在控制瓶6安装一个可变焦前视摄像机1和一维俯仰旋转云台2，摄像机俯仰角为正负90度;在控制瓶6后部还可安装一个红外照明定焦摄像机3，用于水下机器人后退避障;控制瓶6前端面为45度的锥面，前后部是透明的半球型有机玻璃罩。在控制瓶6内部安装有数字式的电子罗盘3、温度传感器、深度传感器和控制电路Ⅰ，可以通过电子罗盘、深度传感器得知机器人的运动方位、深度，温度传感器测得作业环境温度;其中控制电路Ⅰ包含模数转换电路、水下主控制器、串口通信电路、信号差分变换电路、电机驱动电路;在控制瓶6顶部开有输出电缆接口，通过屏蔽的电缆5至水上控制箱。
操作人员只需扳动控制面板12上相应的摇杆、推杆、按钮、旋钮，就可实现对水下机器人本体的纵向、垂向的运动控制以及机械手7、云台2的动作控制、变焦摄像机1的功能控制，操作简单，使用方便。此外，在控制面板12上还装有符型辅显示屏，用于显示水下机器人本体的深度、方位以及机器人所在环境的温度。
如图3所示，所述的水上控制箱包括控制面板12、控制电路Ⅱ、液晶显示屏13、机箱本体14四部分，控制面板12由推进器控制摇杆、变倍调焦按钮、电源开关按钮、视频切换按钮、照明亮度旋钮、显示屏对比度旋钮、机械手推杆、云台推杆组成，控制面板12通过四个立柱与机箱本体14下部相连;控制电路安装在机箱本体14下部内，并配有风扇:其中控制电路包含推进器控制电路、机械手及摄像机云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路、数据处理电路;其中数据处理电路包括信号滤波电路、模数转换电路、水上主控制器、串口通信电路、信号差分变换电路;显示屏13选用12英寸的液晶显示屏，安装在机箱本体14上部;机箱本体14右侧开有充电接口、视频输出接口和屏蔽电缆接口。充电接口可用来对机箱内蓄电池进行充电;视频输出接口可以外接其他视频监视器或视频录放机，使设备具有可扩展性。
其中水上控制箱控制电路包括的推进器控制电路、机械手及摄像机云台控制电路、摄像机控制电路、照明灯控制电路具体实施方式如下:
如图4所示，推进器控制电路接收控制面板12中的推进器控制摇杆的控制信号，首先经水上控制箱控制电路中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器将控制信号及方向信号经串口通信电路，再经信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人信号差分变换电路变换，传至串口通信电路，经由水下机器人主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人推进器的电机。各推进器工作原理相同，通过控制面板12上文字标示区分;
如图5所示，机械手及摄像机云台控制电路接收控制面板12中的机械手推杆及云台推杆控制信号，首先经水上控制箱控制电路中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经模数转换电路至水上主控制器，同时进行方向判断，水上主控制器输出控制信号及方向信号经串口通信电路，再经信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人信号差分变换电路变换，传至串口通信电路，经由水下机器人主控制器电路将控制信号给电机驱动电路，电机驱动电路输出至水下机器人机械手、云台的电机;
如图6所示，摄像机控制电路接收控制面板12中的变倍调焦按钮控制信号，首先经水上控制箱控制电路板中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经水上主控制器I/O端口连接电路至串口通信电路，再经信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人信号差分变换电路变换，传至串口通信电路，经由水下机器人主控制器电路相应端口输出高低电平至视频切换电路、前摄像机变倍调焦电路;
照明灯控制电路接收控制面板12中的照明亮度旋钮控制信号，首先经水上控制箱控制电路板中信号滤波电路进行信号滤波处理，再经模数转换电路至水上主控制器，水上主控制器输出控制信号经串口通信电路，再经信号差分变换电路，经电缆5传输与水下机器人信号差分变换电路变换，传至串口通信电路，经由水下机器人主控制器电路将控制信号给照明灯控制电路。
本发明设计的混合动力水下机器人可实现两种环境下的作业工作，即只需观测的作业环境和需完成某些轻量级夹取工作的作业环境。由于本发明机器人本体设计合理，体积小，重量轻，技术含量高，可以在深海水下工作，产品性能高。安全可靠，控制器一律采用低功耗芯片，所以整体系统功率小，适合长期水下工作。
Claims (10)
1.一种混合动力水下机器人，包括水下机器人本体和水上控制箱两个部分，其特征在于:水下机器人本体顶部开有输出电缆插座，通过屏蔽的电缆(5)与水上控制箱相连，所述的电缆(5)为硅胶管封装的六芯导线，两对双绞信号线，分别与水上控制箱的控制电路Ⅱ的信号差分变换电路和水下机器人本体的控制电路Ⅰ的信号差分变换电路相连，一对电源线与将水上控制箱和水下机器人本体的直流电源相连。
2.根据权利要求1所述的混合动力水下机器人，其特征在于: 所述的水下机器人本体包括控制瓶、五个推进器、摄像机、云台、机械手、支架、照明灯，控制瓶的底部安装一个支架，四个推进器分别通过支架安装在控制瓶底部四个角上，另一个推进器安装在控制瓶中部垂直上方，云台、机械手安装在支架上，摄像机、照明灯安装在云台上，所述的推进器由封装在内部的直流电机（10）和螺旋桨（9）组成。
3.根据权利要求2所述的混合动力水下机器人，其特征在于: 所述的控制瓶内部安装有控制电路Ⅰ、电子罗盘、温度传感器、深度传感器、陀螺仪;控制电路Ⅰ包含电源转换模块、水下主控制器、串口通信电路、信号差分变换路由器。
4.根据权利要求1所述的混合动力水下机器人，其特征在于: 所述的水上控制箱包括控制面板(12)、控制电路Ⅱ、电源转换器、LED显示屏(13)、机箱本体(14)，控制面板(12)设计有四个角的推进器及垂直的推进器控制摇杆、变倍调焦按钮、电源开关按钮、视频切换按钮、照明亮度旋钮、显示屏对比度旋钮、机械手推杆、云台推杆，控制面板(12)通过四个立柱与机箱本体(14)下部相接;控制电路Ⅱ、电源转换器安装在机箱本体(14)下部内，所述的控制电路Ⅱ包含五个推进器控制电路、机械手及云台控制电路、摄像机控制电路、LED照明灯控制电路、数据处理电路;其中所述的数据处理电路包括信号滤波电路、模数转换电路、主控制器、串口通信电路、信号差分变换电路，LED显示屏(13)安装在机箱本体(14)上部。
5.根据权利要求2所述的混合动力水下机器人，其特征在于: 所述的推进器的直流电机与驱动电路集成，采用磁性联轴器密封电机，推进器的导流罩采用尼龙加玻纤高强度及耐腐蚀的硬材料，借助磁性连轴器的静密封完成在深水环境条件下的动密封。
6.根据权利要求2所述的混合动力水下机器人，其特征在于:所述的摄像机为可变焦摄像机，并配有LED照明灯；所述的云台(2)为俯仰方向的一维云台，运动范围为上下正负90度。
7.根据权利要求2所述的混合动力水下机器人，其特征在于：所述的机械手(7)为单自由度夹持式机械手，夹持能力20Kg，可根据不同的工作需求，安装不同的机械手。
8.根据权利要求4所述的混合动力水下机器人，其特征在于:所述的水上控制箱本体为黑色工程塑料仪器箱，下箱体还安装有直流电源。
9.根据权利要求4所述的混合动力水下机器人，其特征在于:所述的控制面板(12)上还装有辅显示器。
10.根据权利要求4所述的一种混合动力水下机器人，其特征在于:所述的机箱本体(14)上还开有充电接口、视频输出接口和屏蔽电缆接口。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130320 |