CN109878669A - 一种防止水草缠绕的水下采集机器人及其采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防止水草缠绕的水下采集机器人及其采集方法，其特征是包括基础组件、驱动组件、抓取组件、以及遥测组件五部分。其中，基础组件包括壳体、收纳筐、密封盖、以及起落架；驱动组件包括六个安装在所述壳体上预定位置处的桨叶隐藏式推进器，以及安装在所述壳体内部、并位于其首尾两端的两个蓄水舱；抓取组件包括伸缩连接在所述起落架一侧的机械臂，以及伸缩连接在所述机械臂一端的机械爪；遥测组件包括固定在所述壳体一侧的图像采集单元，安装在所述壳体内部的控制电路，以及与所述图像采集单元之间无线电连接的用户终端。本发明在拥有充沛动力的同时不会被水草等海底植物缠绕，运行可靠。

Description

一种防止水草缠绕的水下采集机器人及其采集方法

技术领域

本发明涉及一种水下探测器，具体涉及一种防止水草缠绕的水下采集机器人及其采集方法。

背景技术

水下机器人也称无人遥控潜水器，是一种工作于水下的极限作业机器人。水下环境恶劣危险，人的潜水深度有限，所以水下机器人已成为开发海洋的重要工具。潜水器通常依靠蓄水舱排蓄水改变自身重量，从而完成上浮和下沉动作，当需要前进时，利用多个螺旋桨的配合提供驱动力。

由于海底环境复杂，常有水草等各种植物生长，这类植物通常呈带状，当潜水器进入此区域后极易被水草等植物缠绕，最终导致桨叶输出动力不足，严重时造成桨叶停转。

发明内容

发明目的：提供一种防止水草缠绕的水下采集机器人，解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种防止水草缠绕的水下采集机器人，包括基础组件、驱动组件、抓取组件、以及遥测组件五部分。

其中，基础组件，包括壳体，固定在所述壳体上的收纳筐，转动连接在所述收纳筐上的密封盖，以及固定在所述壳体下端的起落架；

驱动组件，包括六个安装在所述壳体上预定位置处的桨叶隐藏式推进器，以及安装在所述壳体内部、并位于其首尾两端的两个蓄水舱，所述蓄水舱与壳体外连通；

抓取组件，包括伸缩连接在所述起落架一侧的机械臂，以及伸缩连接在所述机械臂一端的机械爪；

遥测组件，包括固定在所述壳体一侧的图像采集单元，安装在所述壳体内部的控制电路，以及与所述图像采集单元之间无线电连接的用户终端。

在进一步的实施例中，位于所述壳体四角的桨叶隐藏式推进器垂直于水平面安装，位于所述壳体一端两侧的桨叶隐藏式推进器为角度可调式安装，调节角度通过步进电机控制，调节范围为以水平线为基准线正负45度；垂直于水平面安装的四个桨叶隐藏式推进器用于快速推进该水下机器人，角度可调式安装的两个桨叶隐藏式推进器通过调整角度实现该水下机器人前进、后退、转弯等动作。

在进一步的实施例中，所述桨叶隐藏式推进器包括一个动力发生器和一个焊接在所述动力发生器上的风道形成器；所述动力发生器与所述壳体贯通连接，所述动力发生器包括筒体，固定在所述筒体内部的驱动电机，以及与所述驱动电机的输出轴连接的桨叶，所述筒体的底部镂空；所述风道形成器包括两段相互接错焊接在所述筒体上的第一风道部和第二风道部，所述第一风道部和第二风道部之间留有预定间隙，所述第一风道部和第二风道部的截面呈U形，即一端闭合、一端开口；空气从动力发生器内形成后经过风道形成器，气流最终从预定间隙内喷射出，并夹带着周边的空气一起向前形成负压，最终形成能够推动水下机器人前进的推力。

在进一步的实施例中，所述机械臂包括固定在所述起落架上的第一电动推杆，固定在所述第一电动推杆一端的连接座，与所述连接座转动连接的第一关节，与所述第一关节转动连接的第二关节，以及与所述第二关节转动连接的第二电动推杆；该机械臂拥有三个活动关节，并配合电动推杆，能够采集周边的物质。

在进一步的实施例中，所述连接座与第一关节之间、第一关节与第二关节之间通过谐波减速机联动，所述第二关节和第二电动推杆之间通过伺服电机输出动力；谐波传动减速器是一种靠波发生器装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动；谐波减速机减速比高、转矩大、噪音小。

在进一步的实施例中，所述谐波减速机包括一个带有内齿圈的刚轮，嵌入设置在所述刚轮内、且带有外齿圈的柔轮，以及一个与所述柔轮内壁压紧贴合的波发生器；所述波发生器包括一根杆状部件，所述杆状部件的两端分别设有滚动轴承；所述柔轮可产生预定范围内的弹性形变。

在进一步的实施例中，所述图像采集单元包括一对摄像头、一对照明灯、以及一对距离传感器，所述摄像头仿照人眼的位置关系设置，所述照明灯设置在所述摄像头两侧，所述距离传感器以预定距离设置在所述摄像头上方；摄像头用于采集周边图像数据，照明灯用于深海照明，距离传感器用于感应前方障碍物的距离并做出主动避让。

在进一步的实施例中，所述用户终端包括预装有预定操作系统的便携式移动设备，包括但不局限于平板电脑、手机、智能手表；所述便携式移动设备与图像采集单元之间通过无线电接收数据并发送指令；操作人员无需特定的监视设备，只需使用安装有预定应用程序的便携式移动设备即可与该水下机器人建立无线电通讯，可以实时读取画面并可远程控制该水下机器人做出相应动作。

一种防止水草缠绕的水下采集机器人的采集方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、打开蓄水舱，往蓄水舱内注水，此时采集机器人因重力持续增大开始下沉；

第二步、当采集机器人下沉至海底后，抓取组件开始工作；

第三步、第一电动推杆控制机械臂整体伸出和缩回，机械臂上的多个关节和第二电动推杆之间相互配合，控制机械爪达到所需位置，对海底样本进行采集；

第四步、采集到的样本通过机械臂和机械爪的协同工作放入收纳筐中，并通过密封盖盖紧；

第五步、蓄水舱利用压力向外排水，此时采集机器人重量减小，开始上浮；

第六步、桨叶隐藏式推进器工作，通过动力发生器和风道形成器之间配合工作，其中四个垂直于水平面安装的桨叶隐藏式推进器用于控制采集机器人上浮速度，两个角度可调式安装的桨叶隐藏式推进器用于控制采集机器人前进与转向；

第七步、图像采集单元实时收集图像数据，并通过无线电传输信号至用户终端；

第八步、用户终端发送控制指令、并通过无线电传输至控制电路，控制电路驱动采集机器人做出动作。

有益效果：本发明涉及一种防止水草缠绕的水下采集机器人，通过蓄水舱和桨叶隐藏式推进器相结合，使得该机器人运行灵活；尤其是桨叶隐藏式推进器，由于桨叶隐藏在动力发生器内，并通过风道设计与空气力学设计，经过实验数据证实该桨叶形成的动力能够放大15倍，该水下采集机器人在拥有充沛动力的同时不会被水草等海底植物缠绕，运行可靠；此外，通过设计遥测组件，使得该水下机器人能够实时传送水下数据，并可通过用户终端控制；在进一步的实施例中，遥测组件还包括一对距离传感器，能够自动对前方障碍物进行主动避让。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明中桨叶隐藏式推进器的剖切视图。

图3为本发明中机械臂的结构示意图。

图4为本发明中谐波减速机的拆解示意图。

图5为本发明谐波减速机的工作过程图。

图6为本发明中图像采集单元的原理框图。

图中各附图标记为：收纳筐1、桨叶隐藏式推进器2、筒体201、桨叶202、驱动电机203、第一风道部204、第二风道部205、间隙206、起落架3、第一电动推杆4、机械臂5、连接座501、第一关节502、第二关节503、谐波减速机504、波发生器504a、柔轮504b、刚轮504c、滚动轴承504d、薄壁齿轮504e、第二电动推杆6、机械爪7、密封盖8、距离传感器9、照明灯10、摄像头11。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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。此外，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。

如图1至图6所示，本发明涉及一种防止水草缠绕的水下采集机器人及其采集方法。下面分别对一种防止水草缠绕的水下采集机器人和一种防止水草缠绕的水下采集机器人的采集方法进行具体描述。一种防止水草缠绕的水下采集机器人包括基础组件、驱动组件、抓取组件、以及遥测组件五部分。具体的，包括壳体、收纳筐1、密封盖8、起落架3、桨叶202隐藏式推进器2、蓄水舱、机械臂5、机械爪7、图像采集单元、控制电路、用户终端。所述收纳筐1固定在所述壳体上，所述密封盖8转动连接在所述收纳筐1上，所述起落架3固定在所述壳体下端；所述桨叶202隐藏式推进器2为六个，安装在所述壳体上的预定位置处，所述蓄水舱安装在所述壳体内部、并位于其首位两端，所述蓄水舱与壳体外连通，所述机械臂5伸缩连接在所述起落架3一侧，所述机械爪7伸缩连接在所述机械臂5的一端，所述图像采集单元固定在所述壳体的一侧，所述控制电路安装在所述壳体内部，所述用户终端与所述图像采集单元之间通过无线电连接。

作为一个优选方案，位于所述壳体四角的桨叶202隐藏式推进器2垂直于水平面安装，位于所述壳体一端两侧的桨叶202隐藏式推进器2为角度可调式安装，调节角度通过步进电机控制，调节范围为以水平线为基准线正负45度；垂直于水平面安装的四个桨叶202隐藏式推进器2用于快速推进该水下机器人，角度可调式安装的两个桨叶202隐藏式推进器2通过调整角度实现该水下机器人前进、后退、转弯等动作。所述桨叶202隐藏式推进器2包括一个动力发生器和一个焊接在所述动力发生器上的风道形成器；所述动力发生器与所述壳体贯通连接，所述动力发生器包括筒体201，固定在所述筒体201内部的驱动电机203，以及与所述驱动电机203的输出轴连接的桨叶202，所述筒体201的底部镂空；所述风道形成器包括两段相互接错焊接在所述筒体201上的第一风道部204和第二风道部205，所述第一风道部204和第二风道部205之间留有预定间隙206，所述第一风道部204和第二风道部205的截面呈U形，即一端闭合、一端开口；空气从动力发生器内形成后经过风道形成器，气流最终从预定间隙206内喷射出，并夹带着周边的空气一起向前形成负压，最终形成能够推动水下机器人前进的推力。所述机械臂5包括固定在所述起落架3上的第一电动推杆4，固定在所述第一电动推杆4一端的连接座501，与所述连接座501转动连接的第一关节502，与所述第一关节502转动连接的第二关节503，以及与所述第二关节503转动连接的第二电动推杆6；该机械臂5拥有三个活动关节，并配合电动推杆，能够采集周边的物质。所述连接座501与第一关节502之间、第一关节502与第二关节503之间通过谐波减速机504联动，所述第二关节503和第二电动推杆6之间通过伺服电机输出动力；谐波传动减速器是一种靠波发生器504a装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动；谐波减速机504减速比高、转矩大、噪音小。所述谐波减速机504包括一个带有内齿圈的刚轮504c，嵌入设置在所述刚轮504c内、且带有外齿圈的柔轮504b，以及一个与所述柔轮504b内壁压紧贴合的波发生器504a；所述波发生器504a包括一根杆状部件，所述杆状部件的两端分别设有滚动轴承504d；所述柔轮504b可产生预定范围内的弹性形变。所述图像采集单元包括一对摄像头11、一对照明灯10、以及一对距离传感器9，所述摄像头11仿照人眼的位置关系设置，所述照明灯10设置在所述摄像头11两侧，所述距离传感器9以预定距离设置在所述摄像头11上方；摄像头11用于采集周边图像数据，照明灯10用于深海照明，距离传感器9用于感应前方障碍物的距离并做出主动避让。所述用户终端包括预装有预定操作系统的便携式移动设备，包括但不局限于平板电脑、手机、智能手表；所述便携式移动设备与图像采集单元之间通过无线电接收数据并发送指令；操作人员无需特定的监视设备，只需使用安装有预定应用程序的便携式移动设备即可与该水下机器人建立无线电通讯，可以实时读取画面并可远程控制该水下机器人做出相应动作。

一种防止水草缠绕的水下采集机器人的采集方法及具体过程如下：

操作人员通过预装有预定操作系统的便携式移动设备远程操控与监视该水下机器人，所述便携式移动设备包括但不局限于平板电脑、手机、智能手表；所述便携式移动设备与图像采集单元之间通过无线电接收数据并发送指令。

首先，操作人员远程打开蓄水舱，往蓄水舱内注水，此时该水下机器人的重量不断增加，直至大于其预定的排水量，采集机器人开始下沉；当采集机器人下沉至海底后，抓取组件开始工作：第一电动推杆4控制机械臂5整体伸出和缩回，第一关节502与连接座501之间活动连接，第二关节503与第一关节502之间活动连接，第二关节503与第二电动推杆6之间转动连接；其中，第一关节502与连接座501之间、第一关节502与第二关节503之间通过谐波减速机504联动，第二关节503与第二电动推杆6之间通过伺服电机输出动力。谐波传动减速器是一种靠波发生器504a装配上柔性轴承使柔性齿轮产生可控弹性变形，并与刚性齿轮相啮合来传递运动和动力的齿轮传动；谐波减速机504具有减速比高、转矩大、噪音小的特点。谐波减速机504的工作原理如下：谐波减速机504主要由三个基本构件组成：刚轮504c、柔轮504b、波发生器504a，所述刚轮504c带有内齿圈，所述柔轮504b嵌入设置在所述刚轮504c内、且带有外齿圈，所述内齿圈与外齿圈之间相互啮合，所述波发生器504a与所述柔轮504b的内壁压紧贴合。所述波发生器504a是一个杆状部件，其两端装有滚动轴承504d构成滚轮，与柔轮1的内壁相互压紧。柔轮504b为可产生较大弹性变形的薄壁齿轮504e，其内孔直径略小于波发生器504a的总长。波发生器504a是使柔轮504b产生可控弹性变形的构件。当波发生器504a装入柔轮504b后，迫使柔轮504b的剖面由原先的圆形变成椭圆形，其长轴两端附近的齿与刚轮504c的齿完全啮合，而短轴两端附近的齿则与刚轮504c完全脱开。周长上其他区段的齿处于啮合和脱离的过渡状态。当波发生器504a沿图示方向连续转动时，柔轮504b的变形不断改变，使柔轮504b与刚轮504c的啮合状态也不断改变，由啮入、啮合、啮出、脱开、再啮入……，周而复始地进行，从而实现柔轮504b相对刚轮504c沿波发生器504aH相反方向的缓慢旋转。工作时，固定刚轮504c，由电机带动波发生器504a转动，柔轮504b作为从动轮，输出转动，带动负载运动。在传动过程中，波发生器504a转一周，柔轮504b上某点变形的循环次数称为波数，以 n 表示。谐波齿轮传动的柔轮504b和刚轮504c的齿距相同，但齿数不等，通常采用刚轮504c与柔轮504b齿数差等于波数，即z2－z1=n。式中 z1、z2分别为柔轮504b与刚轮504c的齿数。当刚轮504c固定、发生器主动、柔轮504b从动时，谐波齿轮传动的传动比为i=-z1/(z2-z1)双波传动中，z2－z1=2，柔轮504b齿数很多。上式负号表示柔轮504b的转向与波发生器504a的转向相反。由此可看出，谐波减速器可获得很大的传动比。

采集到的样本通过机械臂5和机械爪7的协同工作放入收纳筐1中，并通过密封盖8盖紧；

当采集到的样本放入收纳筐1并密封完成后，操作人员操控该水下机器人上浮：蓄水舱利用压力向外排水，此时采集机器人重量减小，开始上浮。

此外，该水下机器人在利用蓄水舱进行上浮和下潜的同时，还可以通过桨叶202隐藏式推进器2进行加速上浮以及前进后退、转向等操作。桨叶202隐藏式推进器2工作，通过动力发生器和风道形成器之间配合工作，其中四个垂直于水平面安装的桨叶202隐藏式推进器2用于控制采集机器人上浮速度，两个角度可调式安装的桨叶202隐藏式推进器2用于控制采集机器人前进与转向，其中调节角度通过步进电机控制，调节范围为以水平线为基准线正负45度，通过分别控制两侧的桨叶202隐藏式推进器2，可以制造出合力方向为任意方向的推力，从而控制该水下机器人转向。

值得一提的是，所述桨叶202隐藏式推进器2具体的工作原理如下：空气从动力发生器内形成后经过风道形成器，气流最终从预定间隙206内喷射出，并夹带着周边的空气一起向前形成负压，最终形成能够推动水下机器人前进的推力。该装置利用“雾沫夹带”原理，起到气流放大的作用，当有一束气流急速通过时，它会拉扯周围的空气，将它们跟着它一起运动。当气流从预定间隙206内以55英里的时速吹出时，它将夹带着周边的空气一起向前；风道形成器后的气压会降低，并导致后方更多的空气加入以平衡气压，导致同一方向前进的气流被显著放大，达到涡轮风扇本身抽取量的15倍。

图像采集单元实时收集图像数据，并通过无线电传输信号至用户终端；值得一提的是，所述图像采集单元包括一对摄像头11、一对照明灯10、以及一对距离传感器9，所述摄像头11仿照人眼的位置关系设置，所述照明灯10设置在所述摄像头11两侧，所述距离传感器9以预定距离设置在所述摄像头11上方；摄像头11用于采集周边图像数据，照明灯10用于深海照明，距离传感器9用于感应前方障碍物的距离并做出主动避让，距离传感器9利用红外线工作原理，当一束平行红外线发射出后被前方物体遮挡后反射回接收器，利用单片机实时计算该时间差，从而计算出前方物体距离该水下机器人的位置。

值得一提的是，所述控制电路包括OV7620摄像头11芯片、FPGA现场可编程门阵列、SH-4处理器、以及串口，所述OV7620摄像头11芯片与FPGA现场可编程门阵列之间建立通道用于传输数据，所述FPGA现场可编程门阵列与所述SH-4处理器串联，所述串口与所述SH-4处理器电性连接，所述SH-4处理器同时对OV7620摄像头11芯片发送指令，所述FPGA现场可编程门阵列内封装有两个RAM，即随机存取存储器。所述摄像头11通过焊接在控制电路板上的OV7620摄像头11芯片处理数据，从而使得该水下机器人具有视觉处理能力，视觉系统具体的工作过程如下：首先水下机器人移动至接近摄像头11，向图像采集部分发送触发脉冲，随后图像采集部分按照事先设定的程序分别向摄像头11和照明等发送触发脉冲；图像采集部分接收摄像头11数据并将视频信号由模拟信号转变为数字信号，最终通过无线电将该数字信号发送至用户终端。SH-4处理器用于对图像数据进行处理、分析、识别、纠正。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (9)

1.一种防止水草缠绕的水下采集机器人，其特征是包括：

基础组件，包括壳体，固定在所述壳体上的收纳筐，转动连接在所述收纳筐上的密封盖，以及固定在所述壳体下端的起落架；

驱动组件，包括六个安装在所述壳体上预定位置处的桨叶隐藏式推进器，以及安装在所述壳体内部、并位于其首尾两端的两个蓄水舱，所述蓄水舱与壳体外连通；

抓取组件，包括伸缩连接在所述起落架一侧的机械臂，以及伸缩连接在所述机械臂一端的机械爪；

遥测组件，包括固定在所述壳体一侧的图像采集单元，安装在所述壳体内部的控制电路，以及与所述图像采集单元之间无线电连接的用户终端。

2.根据权利要求1所述的一种防止水草缠绕的水下采集机器人，其特征在于：位于所述壳体四角的桨叶隐藏式推进器垂直于水平面安装，位于所述壳体一端两侧的桨叶隐藏式推进器为角度可调式安装，调节角度通过步进电机控制，调节范围为以水平线为基准线正负45度。

3.根据权利要求1所述的一种防止水草缠绕的水下采集机器人，其特征在于：所述桨叶隐藏式推进器包括一个动力发生器和一个焊接在所述动力发生器上的风道形成器；所述动力发生器与所述壳体贯通连接，所述动力发生器包括筒体，固定在所述筒体内部的驱动电机，以及与所述驱动电机的输出轴连接的桨叶，所述筒体的底部镂空；所述风道形成器包括两段相互接错焊接在所述筒体上的第一风道部和第二风道部，所述第一风道部和第二风道部之间留有预定间隙，所述第一风道部和第二风道部的截面呈U形，即一端闭合、一端开口。

4.根据权利要求1所述的一种防止水草缠绕的水下采集机器人，其特征在于：所述机械臂包括固定在所述起落架上的第一电动推杆，固定在所述第一电动推杆一端的连接座，与所述连接座转动连接的第一关节，与所述第一关节转动连接的第二关节，以及与所述第二关节转动连接的第二电动推杆。

5.根据权利要求4所述的一种防止水草缠绕的水下采集机器人，其特征在于：所述连接座与第一关节之间、第一关节与第二关节之间通过谐波减速机联动，所述第二关节和第二电动推杆之间通过伺服电机输出动力。

6.根据权利要求5所述的一种防止水草缠绕的水下采集机器人，其特征在于：所述谐波减速机包括一个带有内齿圈的刚轮，嵌入设置在所述刚轮内、且带有外齿圈的柔轮，以及一个与所述柔轮内壁压紧贴合的波发生器；所述波发生器包括一根杆状部件，所述杆状部件的两端分别设有滚动轴承；所述柔轮可产生预定范围内的弹性形变。

7.根据权利要求1所述的一种防止水草缠绕的水下采集机器人，其特征在于：所述图像采集单元包括一对摄像头、一对照明灯、以及一对距离传感器，所述摄像头仿照人眼的位置关系设置，所述照明灯设置在所述摄像头两侧，所述距离传感器以预定距离设置在所述摄像头上方。

8.根据权利要求1所述的一种防止水草缠绕的水下采集机器人，其特征在于：所述用户终端包括预装有预定操作系统的便携式移动设备，包括但不局限于平板电脑、手机、智能手表；所述便携式移动设备与图像采集单元之间通过无线电接收数据并发送指令。

9.一种防止水草缠绕的水下采集机器人的采集方法，其特征在于包括以下步骤：

S1、打开蓄水舱，往蓄水舱内注水，此时采集机器人因重力持续增大开始下沉；

S2、当采集机器人下沉至海底后，抓取组件开始工作；

S3、第一电动推杆控制机械臂整体伸出和缩回，机械臂上的多个关节和第二电动推杆之间相互配合，控制机械爪达到所需位置，对海底样本进行采集；

S4、采集到的样本通过机械臂和机械爪的协同工作放入收纳筐中，并通过密封盖盖紧；

S5、蓄水舱利用压力向外排水，此时采集机器人重量减小，开始上浮；

S6、桨叶隐藏式推进器工作，通过动力发生器和风道形成器之间配合工作，其中四个垂直于水平面安装的桨叶隐藏式推进器用于控制采集机器人上浮速度，两个角度可调式安装的桨叶隐藏式推进器用于控制采集机器人前进与转向；

S7、图像采集单元实时收集图像数据，并通过无线电传输信号至用户终端；

S8、用户终端发送控制指令、并通过无线电传输至控制电路，控制电路驱动采集机器人做出动作。