CN107389378B - 一种基于遥控水下机器人的水样采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于遥控水下机器人的水样采集装置，包括支架、底座、遥控水下机器人；支架的顶部设有若干采集管安装槽，若干采集管安装槽的槽孔内均螺纹旋紧有水样采集管；水样采集管包括水样采集管空桶、活塞推杆、挡片，活塞推杆置于水样采集管空桶内，且活塞推杆上设有挡片，当活塞推杆头部伸入到水样采集管最底部时，由于有挡片的限制，可以防止活塞推杆进一步伸入水样采集管，从而防止活塞推杆从水样采集管内脱出；水样采集管空桶远离活塞推杆的一端设有吸水口；通过本发明，该装置可嵌入安装在水下机器人的控制舱上，也可独立安装于水下机器人外部，它通过线缆与水下机器人主控制器连接，可接收控制指令，执行并完成水样的采集任务。

Description

一种基于遥控水下机器人的水样采集装置

技术领域

本发明涉及一种水样采集装置，特别是一种基于遥控水下机器人的水样采集装置。

背景技术

遥控水下机器人（Remote Operated Vehicle ,以下简称ROV）是一种有缆式水下机器人，它通过遥控方式，代替人进入危险、情况不明或者人无法直接到达的水域，利用自身携带的各类传感器进行目标物的探测和记录，可以有效保障人员的生命安全，提高工作效率。ROV动力充足，可以支持长时间的工作，并且由于它通过线缆在人的控制下运行，所以有更高的执行能力，信息和数据的传递交换也更快捷方便。在海洋资源开发和水下生产系统愈发重要的今天，各国都致力于ROV技术的研究，以使它能够在水下建筑物勘察、水质监测、侦查巡逻、应急救援等方面有更完善的应用。

随着我国人口的不断增加，城市数量与规模也日益扩张，水环境问题也越发严重，因此水质监测在保护环境方面有着至关重要的作用。但是传统的水质监测采样手段存在很大的缺陷，取样人员将有配重的采样瓶直接放入水中采取水样，采样区域相对局限，即使是在船只上操作，也无法准确判断采样深度，影响采样的准确性。

通过将采样装置安装在ROV上，就可以很好的解决这一问题。

发明内容

本发明目的是提供一种基于遥控水下机器人的水样采集装置，该装置结构简单，可嵌入安装在水下机器人的控制舱上，也可独立安装于水下机器人外部，它通过线缆与水下机器人主控制器连接，可接收控制指令，执行并完成水样的采集任务。

本发明的目的是这样实现的，一种基于遥控水下机器人的水样采集装置，包括支架、底座、遥控水下机器人，底座置于支架的下部，遥控水下机器人内设有主控制器；其特征是：

所述支架的顶部设有若干采集管安装槽，若干采集管安装槽的槽孔内均螺纹旋紧有水样采集管；所述水样采集管包括水样采集管空桶、活塞推杆、挡片，所述活塞推杆置于水样采集管空桶内，且活塞推杆上设有挡片，当活塞推杆头部伸入到水样采集管最底部时，由于有挡片的限制，可以防止活塞推杆进一步伸入水样采集管，从而防止活塞推杆从水样采集管内脱出；所述水样采集管空桶远离活塞推杆的一端设有吸水口；

所述伺服电机安装在底座的中心，支架的内侧切割有轨道，轨道内安装有转盘，且转盘置于伺服电机的正上方，伺服电机上的转轴与转盘固定连接，转盘随着伺服电机上转轴的转动而转动，当伺服电机的转轴转动一定的角度时，转盘会跟随转轴在轨道中转动相同的角度；

所述转盘上安装有电动推杆，且电动推杆与水样采集管空桶处于同轴心的位置；所述电动推杆一端与转盘固定，另一端设有卡扣；所述水样采集管的活塞推杆卡于卡扣内，活塞推杆通过卡扣与电动推杆连接；电动推杆伸缩运动，可带动卡扣上下运动，从而带动活塞推杆在水样采集管空桶中上下运动；当电动推杆回缩时，带动卡扣向下运动，从而拉动活塞推杆在水样采集管空桶中向下运动，水样经水样采集管空桶上的吸水口抽取到水样采集管内，当电动推杆伸长时，带动卡扣向上运动，从而推动活塞推杆在水样采集管空桶中向上运动，水样经水样采集管空桶上的吸水口抽排出水样采集管；当转盘转动时，带动电动推杆转动，电动推杆的转动也带动卡扣转动，使得活塞推杆嵌入到卡扣中；

所述支架的顶部设有耐压筒，耐压筒上设有若干单向阀，若干单向阀与水样采集管上的吸水口相连接，用于防止在耐压筒内部由于气体压缩后使得水样被排出，从而确保水样的采集完成；

所述底座的底部设有电机驱动控制箱，电机驱动控制箱内设有单片机模块、电机驱动模块，电机驱动模块电压输出端分别与伺服电机和电动推杆的电压输入端相连接；单片机模块与遥控水下机器人的主控制器连接，单片机模块根据遥控水下机器人的主控制器采集到的信息，向电机驱动模块输出伺服电机驱动信号，实现伺服电机的正向或反向运动，并根据伺服电机反馈的运动角度信号来向电机驱动模块输出电动推杆的驱动信号，实现电动推杆伸缩运动，然后根据电动推杆反馈的运动位置信号，单片机模块向电机驱动模块发出电动推杆定点运行或停止信号，实现电动推杆定点运行或停止。

所述底座为圆形底座。

所述伺服电机上的转轴与转盘的中心固定，伺服电机上的转轴与转盘为同轴心配合连接。

所述水样采集管的一端设有螺纹，水样采集管设有螺纹的一端旋紧于采集管安装槽的槽孔内。

所述水样采集管的外壁上套有密封圈，密封圈旋紧安装于采集管安装槽中。

所述若干采集管安装槽的槽孔按圆周分布于支架的顶部。

所述电动推杆上配备电位器，通过电位器可以控制电动推杆运行的位置。

所述活塞推杆尾部设有活塞柄，活塞推杆的活塞柄嵌入至卡扣内。

所述单片机模块、电机驱动模块的电源由遥控水下机器人的电源模块提供。

所述单片机模块的型号为STC15W4K32S4。

本发明结构合理简单、生产制造容易、使用方便，通过本发明，本发明采用如下技术方案：一种基于遥控水下机器人的水样采集装置，包括耐压筒、水样采集管、采集管安装槽、支架、底座、伺服电机、转盘、电动推杆、卡扣、活塞推杆、单向阀、单片机模块、电机驱动模块。伺服电机安装在圆形底座的中心并配备编码器，通过转轴与正上方的转盘采用同轴心配合连接，转盘安装在支架内侧切割的轨道中，当伺服电机的转轴转动一定的角度时，转盘会跟随其在轨道中转动相同的角度。采集管安装槽的槽孔按圆周分布，每个水样采集管底部外侧有螺纹，将密封圈套在水样采集管的外套圈边上，旋紧安装在采集管安装槽中。活塞推杆上有可滑动的挡片，安装到水样采集管内部，当活塞推杆头部移动到水样采集管底部时，由于有挡片的限制，可以防止活塞推杆脱出。电动推杆安装在转盘上，且电动推杆与水样采集管处于同轴心的位置，电动推杆配备电位器，可以控制运行的位置。卡扣固定在电动推杆的顶部，电动推杆上下运动时，带动卡扣一起上下运动，同时转盘转动时，卡扣也随之移动，使得活塞推杆尾部的活塞柄嵌入到卡扣中，电动推杆收缩，拉动活塞推杆向下运动，在水下压力的共同作用下将水样抽取到水样采集管内。单向阀安装在耐压筒上，并且与水样采集管的头部相连接，用于防止在耐压筒内部由于气体压缩后使得水样被排出，从而确保水样的采集完成。

本发明中，单片机模块输出电机驱动信号给电机驱动模块，电机驱动模块电压输出端分别与伺服电机和电动推杆的电压输入端相连接。单片机模块根据水下机器人主控制器采集到的水深、位置等信息后，输出伺服电机驱动信号，实现伺服电机的正向或反向运动，并根据伺服电机反馈的运动角度信号来输出电动推杆的驱动信号，配合电动推杆反馈的运动位置信号，从而实现电动推杆定点运行和停止。单片机模块、电机驱动模块的电源由水下机器人的电源模块提供。

本发明中，耐压筒是最外层的防护罩（只有一个），耐压筒顶盖上打有孔，单向阀是嵌在孔上并与吸水口连接的；因为整个装置没有排气孔，因此将水抽入装置的过程中，必然会导致装置内的气体被压缩，压强增大，如果没有单向阀的话，水有可能会因为装置内压强过大而被挤出装置。在实际中，可以改进，增加排气孔，在取样完成后在地面上排出气体，打开装置取出样品。

本发明中，挡片可以在活塞推杆上滑动，但一般情况下是挡片和水样采集管空桶底部的外套圈边密合固定在一起，形成一个相对密封的容器，让活塞推杆可以运动来控制这个容器的容量。

与现有技术相比，本发明具备如下几个优势：

(1)本发明安装于水下机器人上，利用水下机器人在被测水域的不同位置、不同深度、不同时刻来采集水样，与传统的投入式水样采集装置相比更精确，无需船只在水面的配合，可大大节省人力。

(2)本发明中的水样采集管底部外侧有螺纹，固定在安装槽上外加密封圈可以有效防水，活塞推杆上的挡片既有防止活塞推杆脱出水样采集管的作用，又可以起到水样采集管底部防水的作用。

(3)本发明中的耐压筒结构简单，可选择嵌入安装在水下机器人的控制舱上，也可独立安装在水下机器人外部通过线缆连接，可根据防水需求自主选择安装方式。

(4)本发明暴露在水中的部分均不是电子设备，防水成本较低且相对安全可靠。

(5)本发明中的耐压筒内还有剩余空间，可随需求适当安装温湿度传感器等设备加以分析研究水样采集装置内部的实时情况。

附图说明

图1为本发明的一种基于遥控水下机器人的水样采集装置的结构示意图；

图2为图1中所示的水样采集装置的结构示意图；

图3为图2中所示的水样采集管的结构示意图。

图中有：1水样采集装置、2遥控水下机器人、1-1耐压筒、1-2采集管安装槽、1-3单向阀、1-4水样采集管、1-5卡扣、1-6电动推杆、1-7转盘、1-8支架、1-9伺服电机、1-10电机驱动控制箱、1-11底座、1-4-1活塞推杆、1-4-2挡片、1-4-3密封圈、1-4-4水样采集管空桶。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1至图3所示，一种基于遥控水下机器人的水样采集装置，包括耐压筒1-1、采集管安装槽1-2、单向阀1-3、水样采集管1-4、卡扣1-5、电动推杆1-6、转盘1-7、支架1-8、伺服电机1-9、电机驱动控制箱1-10、底座1-11。

选用电机直径42mm、长度140mm的微型直流伺服电机1-9，额定电压为24V，配有编码器。伺服电机1-9安装在圆形底座1-11的中心，伺服电机1-9的转轴直接与正上方的转盘1-7采用同轴心方式连接。转盘1-7固定在支架1-8的轨道上。伺服电机1-9的转轴转动一定的角度时，转盘1-7也会被带动在轨道内旋转相同的角度。底座1-11和转盘1-7的采用硬质板材，直径均为200mm。

采集管安装槽1-2采用硬质板材制作，采集管安装槽1-2的槽孔按圆周分布。水样采集管1-4为有机玻璃材质，直径为30mm，长度为100mm，每个水样采集管空桶1-4-4底部外侧有螺纹，将密封圈1-4-3套在水样采集管空桶1-4-4的外套圈边上，旋紧安装在采集管安装槽1-2中。

选用有机玻璃作为活塞推杆1-4-1，活塞推杆1-4-1头部有螺纹橡胶，活塞推杆1-4-1上有可滑动的挡片1-4-2，活塞推杆1-4-1安装到水样采集管空桶1-4-4内部，当活塞推杆1-4-1头部移动到水样采集管空桶1-4-4底部时，由于有挡片1-4-2的限制，可以防止活塞推杆1-4-1脱出。

电动推杆1-6采用直流电机式，额定电压与伺服电机1-9工作的额定电压相同，最大行程可达20mm，安装在转盘1-7上，且电动推杆1-6与水样采集管1-4处于同轴心的位置，电动推杆1-6配备电位器，可以控制运行的位置。

选用硬质板材作为卡扣1-5，卡扣1-5固定在电动推杆1-6的顶部，电动推杆1-6上下运动时，带动卡扣1-5也一起上下运动，同时转盘1-7转动时，卡扣1-5也随之转动，使得活塞推杆1-4-1尾部的活塞柄嵌入到卡扣1-5中，电动推杆1-6收缩，拉动活塞推杆1-4-1向下运动，在水下压力的共同作用下将水样抽取到水样采集管1-4内，完成一次水样抽取动作。

选用通径6mm的微型单向阀1-3，单向阀1-3安装在耐压筒1-1上，并且与水样采集管1-4的头部相连接，用于防止在耐压筒1-1内部由于气体压缩后使得水样被排出，从而确保水样的采集完成。

选用型号为STC15W4K32S4的单片机构成单片机模块，选用伺服电机配套的伺服电机驱动器和电动推杆的直线驱动器构成电机驱动模块。STC15W4K32S4单片机的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3作为伺服电机驱动器的编码器信号通道A+，A-，B+，B-。STC15W4K32S4单片机的P3.7和P4.1分别与伺服电机驱动器的脉宽控制输入端和外部使能控制端相连接。伺服电机驱动器的电机驱动电压输出端MOT+，MOT-与伺服电机驱动电压正、负输入端连接。STC15W4K32S4单片机的P0.4与电动推杆驱动器的电位器信号输出端相连，P0.5，P0.6与电动推杆驱动器的电机驱动信号输入端相连。电动推杆驱动器的电机驱动电压输出端M+，M-与电动推杆电机驱动电压正、负输入端连接。STC15W4K32S4单片机控制P3.7和P4.1输出相应的PWM信号和使能信号，实现伺服电机的正向或反向转动，根据P0.0-P0.4所接收到的编码器信号来判断伺服电机轴所转动的角度。如图1所示共有6个水样采集管，所以每转30°，STC15W4K32S4单片机控制P0.5，P0.6输出相应的高低电平，实现电动推杆的伸长或收缩，同时根据P0.4所接收到的信号来判断电动推杆运动的位置，从而起到限位的作用。

STC15W4K32S4单片机串行通信接口UART0的TxD口，RxD口增加485通信电路，与水下机器人的485总线相连接，由水下机器人主控制器发出控制指令，来决定是否要执行水样采集动作。

以上所有模块安放在电机驱动控制箱1-10内，电源均由外部提供，包括12v和5v，用于给电机驱动模块和STC15W4K32S4单片机提供工作电源。若有需要，可额外增加电源模块独立供电。

图1中的遥控水下机器人是扬州大学正在研发的最新的水下机器人，当然之前的几代遥控水下机器人都已经试验和投入使用过。水样采集装置并不局限于扬州大学所研发的水下机器人，它可以独立安装在其它机器人的外部。国内有F300水下探测机器人，国外有海獭（SeaOtter）ROV等，都可以采用一些固定装置将其固定在机器人上。

上述单片机模块、电机驱动模块均为成熟技术，未说明部分不再赘述。

本发明不限于上述实施例，一切采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于遥控水下机器人的水样采集装置，包括支架（1-8）、底座（1-11）、遥控水下机器人（2），底座（1-11）置于支架（1-8）的下部，遥控水下机器人（2）内设有主控制器；其特征是：

所述支架（1-8）的顶部设有若干采集管安装槽（1-2），若干采集管安装槽（1-2）的槽孔内均螺纹旋紧有水样采集管（1-4）；所述水样采集管（1-4）包括水样采集管空桶（1-4-4）、活塞推杆（1-4-1）、挡片（1-4-2），所述活塞推杆（1-4-1）置于水样采集管空桶（1-4-4）内，且活塞推杆（1-4-1）上设有挡片（1-4-2），当活塞推杆（1-4-1）头部伸入到水样采集管（1-4-4）最底部时，由于有挡片（1-4-2）的限制，可以防止活塞推杆（1-4-1）进一步伸入水样采集管（1-4-4），从而防止活塞推杆（1-4-1）从水样采集管（1-4-4）内脱出；所述水样采集管空桶（1-4-4）远离活塞推杆（1-4-1）的一端设有吸水口；

所述底座（1-11）的中心安装有伺服电机（1-9），支架（1-8）的内侧切割有轨道，轨道内安装有转盘（1-7），且转盘（1-7）置于伺服电机（1-9）的正上方，伺服电机（1-9）上的转轴与转盘（1-7）固定连接，转盘（1-7）随着伺服电机（1-9）上转轴的转动而转动，当伺服电机（1-9）的转轴转动一定的角度时，转盘（1-7）会跟随转轴在轨道中转动相同的角度；

所述转盘（1-7）上安装有电动推杆（1-6），且电动推杆（1-6）与水样采集管空桶（1-4-4）处于同轴心的位置；所述电动推杆（1-6）一端与转盘（1-7）固定，另一端设有卡扣（1-5）；所述水样采集管（1-4）的活塞推杆（1-4-1）卡于卡扣（1-5）内，活塞推杆（1-4-1）通过卡扣（1-5）与电动推杆（1-6）连接；电动推杆（1-6）伸缩运动，可带动卡扣（1-5）上下运动，从而带动活塞推杆（1-4-1）在水样采集管空桶（1-4-4）中上下运动；当电动推杆（1-6）回缩时，带动卡扣（1-5）向下运动，从而拉动活塞推杆（1-4-1）在水样采集管空桶（1-4-4）中向下运动，水样经水样采集管空桶（1-4-4）上的吸水口抽取到水样采集管（1-4）内，当电动推杆（1-6）伸长时，带动卡扣（1-5）向上运动，从而推动活塞推杆（1-4-1）在水样采集管空桶（1-4-4）中向上运动，水样经水样采集管空桶（1-4-4）上的吸水口抽排出水样采集管（1-4）；当转盘（1-7）转动时，带动电动推杆（1-6）转动，电动推杆（1-6）的转动也带动卡扣（1-5）转动，使得活塞推杆（1-4-1）嵌入到卡扣（1-5）中；

所述支架（1-8）的顶部设有耐压筒（1），耐压筒（1）上设有若干单向阀（1-3），若干单向阀（1-3）与水样采集管（1-4）上的吸水口相连接；

所述底座（1-11）的底部设有电机驱动控制箱（1-10），电机驱动控制箱（1-10）内设有单片机模块、电机驱动模块，电机驱动模块电压输出端分别与伺服电机（1-9）和电动推杆（1-6）的电压输入端相连接；单片机模块与遥控水下机器人（2）的主控制器连接，单片机模块根据遥控水下机器人（2）的主控制器采集到的信息，向电机驱动模块输出伺服电机驱动信号，实现伺服电机（1-9）的正向或反向运动，并根据伺服电机（1-9）反馈的运动角度信号来向电机驱动模块输出电动推杆（1-6）的驱动信号，实现电动推杆（1-6）伸缩运动，然后根据电动推杆（1-6）反馈的运动位置信号，单片机模块向电机驱动模块发出电动推杆定点运行或停止信号，实现电动推杆（1-6）定点运行或停止。

2.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述底座（1-11）为圆形底座。

3.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述伺服电机（1-9）上的转轴与转盘（1-7）的中心固定，伺服电机（1-9）上的转轴与转盘（1-7）为同轴心配合连接。

4.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述水样采集管（1-4）的一端设有螺纹，水样采集管（1-4）设有螺纹的一端旋紧于采集管安装槽（1-2）的槽孔内。

5.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述水样采集管（1-4）的外壁上套有密封圈，密封圈旋紧安装于采集管安装槽（1-2）中。

6.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述若干采集管安装槽（1-2）的槽孔按圆周分布于支架（1-8）的顶部。

7.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述电动推杆（1-6）上配备电位器，通过电位器可以控制电动推杆（1-6）运行的位置。

8.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述活塞推杆（1-4-1）尾部设有活塞柄，活塞推杆（1-4-1）的活塞柄嵌入至卡扣（1-5）内。

9.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述单片机模块、电机驱动模块的电源由遥控水下机器人（2）的电源模块提供。

10.根据权利要求1所述的基于遥控水下机器人的水样采集装置，其特征是：所述单片机模块的型号为STC15W4K32S4。