CN105711779A - 一种八推进器水下清刷机器人 - Google Patents

一种八推进器水下清刷机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种八推进器水下清刷机器人，包括外框架、姿态水深传感器、两个水下摄像头、两个水下照明灯、顶面浮材板、圆筒形密封舱、八个推进器、四个万向轮、两个硬毛刷、底面浮材板和两个步进电机。本发明提供一种八推进器水下清刷机器人，不仅通过零浮力线缆与上位机通讯，上位机通过水下机器人上发的数据获取深度、姿态及图像信息，从而控制各个推进器相应的推进力，达到定深，定航，定姿态和悬停，还可以驱动清刷装置对大坝的坝面，水池的池壁等进行清刷，本发明整体上密封性好，静稳性高，可操作性强，并具有一定的可扩展性。

Description

一种八推进器水下清刷机器人
技术领域
本发明涉及一种八推进器水下清刷机器人，属于机器人技术领域。
背景技术
在我国，水下作业主要是依赖于人和简单的潜水器，复杂、危险的水下环境对人的生命安全造成较大威胁。现有的潜艇式ROV机器人，上升和下潜大多通过改变本体在水中的浮力来实现，而且通常只有一到两个动力推动器，反应时间慢，不够机动灵活，虽然机器人能实现一定角度的旋转，但控制繁琐，稳定性差。因此，市场上继续一种改善水下机器人工作效率的新型机器人。
发明内容
发明目的：为了克服现有的潜艇式ROV机器人控制繁琐，反应时间慢，不够机动灵活，稳定性差的问题，提供一种可在提供动力输出的同时，使机身按指令实现任意角度的旋转，并且控制简单，反应灵敏，从而满足水下作业，科学探查，水质监测等需要的水下机器人。
技术方案：本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一种八推进器水下清刷机器人，包括外框架、姿态水深传感器、两个水下摄像头、两个水下照明灯、顶面浮材板、圆筒形密封舱、八个推进器、四个万向轮、两个硬毛刷、底面浮材板和两个步进电机；
所述外框架为长方体结构框架，且外框架的一组对侧面上分别设有高度相对应的第一横梁，所述两根第一横梁之间设有两根第二横梁，所述外框架的底面的四角上分别设有斜梁，且底面的一组与第一横梁相垂直的对边之间设有第三横梁；
所述姿态水深传感器安装在外框架上两根第二横梁的任意一根上，主要负责实施监测水下机器人的姿态及下潜深度，并把信息上传给上位机，以供上位机软件进行闭环处理及操作人员进行下一步操作；所述两个水下摄像头分别安装在两根第一横梁上，且一个水下摄像头呈前视视角，另一个水下摄像头呈俯视视角，主要负责给上位机提供水下状况的图像，让操作人员更直观的看到水下的状况从而进行更科学的操作；两个水下照明灯分别安装在两个水下摄像头旁边，且所述两个水下照明灯的照明方向与各自旁边的水下摄像头的视角一致，与摄像头保持一定距离，主要负责照明，从而能让水下摄像头拍摄到更清晰，质量更高的图片或图像；所述圆筒形密封舱通过夹具固定在外框架的两根第二横梁中间，所述八个推进器中的四个固定在外框架的四根竖梁上，主要负责水下机器人的上浮，下潜，翻转功能，另外四个固定在外框架底面的四根斜梁上，主要负责水下机器人的前进，后退，转向功能，所述四个万向轮设置在外框架底面的四角上，主要负责水下机器人的前进，后退，转向功能，减轻人工搬运所需的劳动力。所述外框架的顶面安装有顶面浮材板，底面安装有底面浮材板，主要负责增大水下机器人的浮力，所述两个步进电机通过夹具固定在外框架底面的第三横梁上，且分别位于圆筒形密封舱的两侧，所述两个步进电机分别通过万向联轴器连接着一个硬毛刷，主要负责对水下一些被污泥杂物覆盖的壁面进行清刷。
优选地，所述圆筒形密封舱包括密封桶、圆形橡胶圈、两个法兰端盖、若干个防水接头、防水插座、圆形凹槽、电源和控制电路；
所述两个法兰端盖均设有圆形凹槽，用于卡住圆形橡胶圈，所述密封桶通过两个法兰端盖及圆形橡胶圈将控制电路和电源密封在桶内，所述个防水接头和防水插座设置在其中一个法兰端盖上，用于与电源和控制电路中的各元器件连接。
优选地，所述控制电路包括推进器、步进电机和照明灯的驱动电路、图像采集和传感器数据采集电路以及与上位机的通信电路，所述电源经零浮力电缆通过圆筒形密封舱一端的法兰端盖上的防水插座引入，经过处理后的通信和驱动信号通过防水接头及防水线缆分别与推进器，步进电机，水深姿态传感器，水下摄像头，水下照明灯相连。
优选地，所述外框架上固定有若干配重块，负责调节机器人在水中的平衡，使水下机器人在未供电状态下能漂浮在水面，并保持水平姿态。
优选地，所述顶面浮材板采用螺栓螺母连接安装在与外框架的顶面，所述顶面浮材板的四个角处各开了一个第一通孔，且第一通孔的位置与安装在竖梁上的推进器的位置相对应，目的是让推进器推出的水顺利排出，所述顶面浮材板的正中央开有一个第二通孔，目的是减轻机器人在水下运动的阻力，每两个第一通孔之间各开有一个第三通孔。
优选地，所述底面浮材板采用螺栓螺母连接安装在外框架的底面，所述底面浮材板的中央位置开有两个第四通孔，且两个第四通孔的大小和位置与硬毛刷的大小和位置相对应，所述两个第四通孔中间靠上的位置开有第五通孔，用于控制机器人在水中的浮力。
优选地，所述四个万向轮采用螺栓螺母连接方式安装在外框架底面的四个角上。
优选地，所述外框架由铝型材搭建，且每根铝型材之间采用直角连接件连接。
优选地，所述夹具包括上夹具和下夹具，所述上夹具两端分别开有一个上通孔，所述下夹具两端均开有一个第一下通孔与两个第二下通孔，所述上通孔位置与第一下通孔位置对应，且通过螺栓螺母套件连接，从而实现上下夹具的连接及圆筒形密封舱的夹紧，所述夹具通过第二下通孔由螺栓螺母套件将圆筒形密封舱固定在外框架上。
有益效果：本发明提供一种八推进器水下清刷机器人，动力足，速度快，并且由于八个推进器的安装方向有所不同，根据推进力的合成，可使机器人在任意方向移动。水下机器人机身和密封舱采用铝合金制作，结构坚固，防碰撞。密封舱呈圆筒形，耐高压。密封舱内置空间综合考虑了散热、重心、平衡、载重、电气布放等问题，整体上密封性好。由于内置电路采用闭环控制，使得水下机器人操作便捷，反应迅速，密封舱法兰端盖预留多个防水接头，具有良好的可扩展性。
附图说明
图1是本发明的装配示意图；
图2是八推进器水下清刷机器人正视图；
图3是八推进器水下清刷机器人侧视图；
图4是八推进器水下清刷机器人爆炸视图；
图5是八推进器水下清刷机器人铝型材外框架示意图；
图6是八推进器水下清刷机器人密封舱爆炸示图；
图7是八推进器水下清刷机器人清刷机构示意图；
图8是八推进器水下清刷机器人顶面浮材结构示意图；
图9是八推进器水下清刷机器人底面浮材结构示意图；
图10是上夹具与下夹具结构示意图；
图11是铝型材横截面示意图。
图中：外框架1、竖梁1-1、第一横梁1-2、第二横梁1-3、第三横梁1-4、斜梁1-5、姿态水深传感器2、水下摄像头3、水下照明灯4、顶面浮材板5、第一通孔5-1、第二通孔5-2、第三通孔5-3、圆筒形密封舱6、密封桶6-1、圆形橡胶圈6-2、法兰端盖6-3、防水接头6-4、防水插座6-5、圆形凹槽6-6、推进器7、万向轮8、硬毛刷9、底面浮材板10、第四通孔10-1、第五通孔10-2、步进电机11、上夹具12、上通孔12-1、下夹具13、第一下通孔13-1、第二下通孔13-2。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图1-11所示，一种八推进器水下清刷机器人，包括外框架1、姿态水深传感器2、两个水下摄像头3、两个水下照明灯4、顶面浮材板5、圆筒形密封舱6、八个推进器7、四个万向轮8、两个硬毛刷9、底面浮材板10和两个步进电机11；
所述外框架1为长方体结构框架，且外框架1的一组对侧面上分别设有高度相对应的第一横梁1-2，所述两根第一横梁1-2之间设有两根第二横梁1-3，所述外框架的底面的四角上分别设有斜梁1-5，且底面的一组与第一横梁1-2相垂直的对边之间设有第三横梁1-4；
所述姿态水深传感器2安装在外框架1上两根第二横梁1-3的任意一根上；所述两个水下摄像头3分别安装在两根第一横梁1-2上，且一个水下摄像头3呈前视视角，另一个水下摄像头3呈俯视视角；两个水下照明灯4分别安装在两个水下摄像头3旁边，且所述两个水下照明灯4的照明方向与各自旁边的水下摄像头3的视角一致，所述圆筒形密封舱6通过夹具固定在外框架1的两根第二横梁1-3中间，所述八个推进器7中的四个固定在外框架1的四根竖梁1-1上，另外四个固定在外框架1底面的四根斜梁1-5上，所述四个万向轮8设置在外框架1底面的四角上，所述外框架1的顶面安装有顶面浮材板5，底面安装有底面浮材板10，所述两个步进电机11通过夹具固定在外框架1底面的第三横梁1-4上，且分别位于圆筒形密封舱6的两侧，所述两个步进电机11分别通过万向联轴器连接着一个硬毛刷9。
优选地，所述圆筒形密封舱6包括密封桶6-1、圆形橡胶圈6-2、两个法兰端盖6-3、若干个防水接头6-4、防水插座6-5、圆形凹槽6-6、电源和控制电路；
所述两个法兰端盖6-3均设有圆形凹槽6-6，用于卡住圆形橡胶圈6-2，所述密封桶6-1通过两个法兰端盖6-3及圆形橡胶圈6-2将控制电路和电源密封在桶内，所述个防水接头6-4和防水插座6-5设置在其中一个法兰端盖6-3上，用于与电源和控制电路中的各元器件连接。
优选地，所述控制电路包括推进器7、步进电机11和照明灯4的驱动电路、图像采集和传感器数据采集电路以及与上位机的通信电路，所述电源经零浮力电缆通过圆筒形密封舱6一端的法兰端盖6-3上的防水插座6-5引入，经过处理后的通信和驱动信号通过防水接头6-4及防水线缆分别与推进器7，步进电机11，水深姿态传感器2，水下摄像头3，水下照明灯4相连。
优选地，所述外框架1上固定有若干配重块，用于在未供电时使机器人依靠浮材水中保持水平漂浮姿态。
优选地，所述顶面浮材板5采用螺栓螺母连接安装在与外框架1的顶面，所述顶面浮材板5的四个角处各开了一个第一通孔5-1，且第一通孔5-1的位置与安装在竖梁1-1上的推进器7的位置相对应，所述顶面浮材板5的正中央开有一个第二通孔5-2，每两个第一通孔5-1之间各开有一个第三通孔5-3。
优选地，所述底面浮材板10采用螺栓螺母连接安装在外框架1的底面，所述底面浮材板10的中央位置开有两个第四通孔10-1，且两个第四通孔10-1的大小和位置与硬毛刷的大小和位置相对应，所述两个第四通孔10-1中间靠上的位置开有第五通孔10-2，用于控制机器人在水中的浮力。
优选地，所述四个万向轮8采用螺栓螺母连接方式安装在外框架1底面的四个角上。
优选地，所述外框架1由铝型材搭建，且每根铝型材之间采用直角连接件连接，如图11所示所述铝型材横截面为正方形，每一面上开有通槽，中心及四角开有通孔，通槽用来放入螺栓螺母套件，实现铝型材间的连接，及设备的固定，通孔是为了减轻铝型材重量。
优选地，所述夹具包括上夹具12和下夹具13，所述上夹具12两端分别开有一个上通孔12-1，所述下夹具13两端均开有一个第一下通孔13-1与两个第二下通孔13-2，所述上通孔12-1位置与第一下通孔13-1位置对应，且通过螺栓螺母套件连接，从而实现上下夹具的连接及圆筒形密封舱的夹紧，所述夹具通过第二下通孔13-2由螺栓螺母套件将圆筒形密封舱固定在外框架1上。
本发明中提及的控制电路为自主设计的控制电路，本领域的技术人员根据说明书中的记载通过所掌握的技术手段可实现该控制电路，而且该控制电路中所涉及的驱动装置、图像和传感器数据采集装置、通信电路等各元器件属于现有技术。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于，所述机器人包括外框架（1）、姿态水深传感器（2）、两个水下摄像头（3）、两个水下照明灯（4）、顶面浮材板（5）、圆筒形密封舱（6）、八个推进器（7）、四个万向轮（8）、两个硬毛刷（9）、底面浮材板（10）和两个步进电机（11）；
所述外框架（1）为长方体结构框架，且外框架（1）的一组对侧面上分别设有高度相对应的第一横梁（1-2），所述两根第一横梁（1-2）之间设有两根第二横梁（1-3），所述外框架的底面的四角上分别设有斜梁（1-5），且底面的一组与第一横梁（1-2）相垂直的对边之间设有第三横梁（1-4）；
所述姿态水深传感器（2）安装在外框架（1）上两根第二横梁（1-3）的任意一根上；所述两个水下摄像头（3）分别安装在两根第一横梁（1-2）上，且一个水下摄像头（3）呈前视视角，另一个水下摄像头（3）呈俯视视角；两个水下照明灯（4）分别安装在两个水下摄像头（3）旁边，且所述两个水下照明灯（4）的照明方向与各自旁边的水下摄像头（3）的视角一致，所述圆筒形密封舱（6）通过夹具固定在外框架（1）的两根第二横梁（1-3）中间，所述八个推进器（7）中的四个固定在外框架（1）的四根竖梁（1-1）上，另外四个固定在外框架（1）底面的四根斜梁（1-5）上，所述四个万向轮（8）设置在外框架（1）底面的四角上，所述外框架（1）的顶面安装有顶面浮材板（5），底面安装有底面浮材板（10），所述两个步进电机（11）通过夹具固定在外框架（1）底面的第三横梁（1-4）上，且分别位于圆筒形密封舱（6）的两侧，所述两个步进电机（11）分别通过万向联轴器连接着一个硬毛刷（9）。
2.根据权利要求1所述的一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于，所述圆筒形密封舱（6）包括密封桶（6-1）、圆形橡胶圈（6-2）、两个法兰端盖（6-3）、若干个防水接头（6-4）、防水插座（6-5）、圆形凹槽（6-6）、电源和控制电路；
所述两个法兰端盖（6-3）均设有圆形凹槽（6-6），用于卡住圆形橡胶圈（6-2），所述密封桶（6-1）通过两个法兰端盖（6-3）及圆形橡胶圈（6-2）将控制电路和电源密封在桶内，所述个防水接头（6-4）和防水插座（6-5）设置在其中一个法兰端盖（6-3）上，用于与电源和控制电路中的各元器件连接。
3.根据权利要求2所述的一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于,所述圆筒形密封舱内的控制电路包括推进器（7）、步进电机（11）和水下照明灯（4）的驱动电路、图像采集和传感器数据采集电路以及与上位机的通信电路，所述电源经零浮力电缆通过圆筒形密封舱（6）一端的法兰端盖（6-3）上的防水插座（6-5）引入，经过处理后的通信和驱动信号通过防水接头（6-4）及防水线缆分别与推进器（7），步进电机（11），水深姿态传感器（2），水下摄像头（3）、水下照明灯（4）相连。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于，所述外框架（1）上固定有若干配重块，用于在未供电时使机器人依靠浮材水中保持水平漂浮姿态。
5.根据权利要求4所述的一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于，所述顶面浮材板（5）采用螺栓螺母连接安装在与外框架（1）的顶面，所述顶面浮材板（5）的四个角处各开了一个第一通孔（5-1），且第一通孔（5-1）的位置与安装在竖梁（1-1）上的推进器（7）的位置相对应，所述顶面浮材板（5）的正中央开有一个第二通孔（5-2），每两个第一通孔（5-1）之间各开有一个第三通孔（5-3）。
6.根据权利要求4所述的一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于，所述底面浮材板（10）采用螺栓螺母连接安装在外框架（1）的底面，所述底面浮材板（10）的中央位置开有两个第四通孔（10-1），且两个第四通孔（10-1）的大小和位置与硬毛刷的大小和位置相对应，所述两个第四通孔（10-1）中间靠上的位置开有第五通孔（10-2），用于控制机器人在水中的浮力。
7.根据权利要求1所述的一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于，所述四个万向轮（8）采用螺栓螺母连接方式安装在外框架（1）底面的四个角上。
8.根据权利要求1所述的一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于，所述外框架（1）由铝型材搭建，且每根铝型材之间采用直角连接件连接。
9.根据权利要求1所述的一种八推进器水下清刷机器人，其特征在于，所述夹具包括上夹具（12）和下夹具（13），所述上夹具（12）两端分别开有一个上通孔（12-1），所述下夹具（13）两端均开有一个第一下通孔（13-1）与两个第二下通孔（13-2），所述上通孔(12-1)位置与第一下通孔（13-1）位置对应，且通过螺栓螺母套件连接，从而实现上下夹具的连接及圆筒形密封舱的夹紧，所述夹具通过第二下通孔（13-2）由螺栓螺母套件将圆筒形密封舱固定在外框架（1）上。
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