CN109969363A - 一种带有机械臂的水下机器人 - Google Patents

一种带有机械臂的水下机器人 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有机械臂的水下机器人，包括底板，浮力块，控制模块，机械臂，螺旋桨，照明设备。可通过远程操作来控制机器人执行任务其六个推进器可在水中实现全方位的运动。同时，四个机械臂末端的电磁底座都可以替换为其他末端工具，便于应对不同的水下作业情况；四个机械臂也可以帮助机器人吸附在船体，水下管道等，更加稳定了机器人的巡航、探测、作业。独立放置的电源更能提供长续航能力。广泛应用在水下管道探测维修，海中巡航等方面，具有体积小、质量轻、操作简单等优点。

Description

一种带有机械臂的水下机器人
技术领域
本发明涉及水下机器人领域，尤其是一种带有机械臂的水下机器人。
背景技术
21世纪的人类面临“人口、环境和资源”的困扰，人口增长和现代生活方式对能源、食物的需求迅猛增加，陆地上有限的矿物资源日趋枯竭。而地球表面70.8％被蕴藏了丰富的生物、矿物和能源的海洋覆盖，走向海洋已经成为人们的共识。海洋资源如何利用已经成为了本世纪最受关注的问题之一，水下无人航行器(以下简称航行器)具有体积小、可控性好、经济性强和作业风险低等特点，近几年来成为海洋工程技术的研究热点并逐渐在海洋开发、海洋军事等领域得到了推广作用。航行器作为未来海洋探测和开发的重要工具之一，能在危险水域和大神都海域进行综合勘探，引领海洋开发进入新时代。例如，海洋石油资源的勘测、海底管道检视、海洋环境勘察、海洋军事侦察等作业都需要应用航行器执行任务。随着电子技术、人工智能和材料技术的快速发展，航行器研制也进入了一个飞速发展时期，它在某种程度上反映了一个国家海洋高科技的水平，因此航行器技术备受各国重视。目前无人水下航行器主要分为两大类，一种是遥控无人航行器(简ROV)，另一种是自主式水下航行器(简称AUV)，水下机器人用途非常广泛。一方面，目前市面上的水下无人机器人大多数只是一种水下航行器，其目的也是在水下航行和勘探目标，航行器上的云台只能采集图像，而无法进行水下工作，如果海底管道有损坏，目前的航行器也只能达到探测损坏位置的功能水平，若要进行海底修复工作还需调用大量人力物力，如此看来，带有机械臂的水下机器人可以对管道进行探测和修复，大大减轻了人们的负担，同时也提高了勘探和作业效率；另一方面，大多数的水下航行器上升时依靠正螺旋桨，下降时依靠反螺旋桨，这种情况使得大多数航行器都装有正反两组螺旋桨，不仅浪费空间，增加了航行器的重量，同时效率又不高。通过添加角度可自动改变的螺旋桨可以实现水下机器人的高效率航行。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种带有机械臂的水下机器人。
本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。
一种带有机械臂的水下机器人，包括底板，浮力块，控制模块，机械臂，螺旋桨，照明设备。
设定机器人前后方向为纵向轴线。所述底板为纵向布置，其中两组浮力块分别对称布置在底板两侧，两组浮力块与底板通过螺栓相连接。
其中控制模块为方形，且控制模块中又分为五个小型模块，分别为主控制模块，图像处理模块，驱动控制模块，遥控信号模块，供电模块，其中主控制模块是控制整个机器人的核心部分，可以整合其他四个门模块的信息和资源；图像处理模块可以把外部图像进行处理，进行水下图像的实时反馈；驱动控制模块控制着机器人全部电机的运行；遥控信号模块可以实时保持与外部的通讯，控制机器人的运行；供电模块为单独布置在其他四个模块的中心，通过小型密封防水管道给其他四个模块进行供电。控制模块位于底板的中心位置，并与底板的左右两侧通过凹槽分隔开。
其中底板的左右两侧略长于中间的控制模块，且底板的前后两侧为圆形设计。底板的左右两侧装有加厚的筋板，两块筋板与底板两侧通过螺栓相连接，筋板可以在碰撞时保护浮力块和控制模块；
在底板前后及左右两侧安装四个角度可变螺旋桨，螺旋桨与底板的垂直，即底板右侧前后两个螺旋桨中心轴线重合，底板左侧前后两个螺旋桨中心轴线重合。四个螺旋桨通过矢量推力控制机器人在水中运动；
在底板的下方前后左右对称布置四个工作机械臂，且四个工作机械臂与底板通过可相对旋转的螺栓相连接；在四个机械臂的末端分别安装一个电磁吸附装置；
两个水下照明设备由供电模块进行供电，横向固定在底板的前侧，水下照明设备与底板轴线平行，进行水下照明。
在底板的左右两侧对称布置放置四个相同的浮力块，用来提供浮力，且浮力块表面线型为流线型，浮力块与底板通过螺栓相连接，整个机器人为刚性整体。
所述的工作机械臂包含三个连接件，三个电机，一个电磁底座。第一固定件与底板通过可相对旋转的螺栓连接，且第一固定件壳体内部装有第一驱动电机，可驱动第一连接件做垂直于底板的旋转运动；第一连接件与第二连接件通过转轴相连接，且第二连接件壳体内部装有第二驱动电机，可驱动第二连接件绕着转轴旋转；第二连接件与第三连接件通过转轴相连接，且第二连接件壳体内部装有第三驱动电机，可驱动第三连接件绕着转轴旋转，第三连接件下方装有转轴；第三连接件与电磁底座通过旋转联轴器相连接，电磁底座通过活动铆接与三个电磁吸附装置相连接，三个电磁吸附装置位于电磁底座下方，且一电磁底座平面的几何中心为圆心，在一个同心圆上均匀分布，由此构建完成一个工作机械臂。
所述的螺旋桨包括垂直于底板表面对称布置四个角度可变螺旋桨和沿着底板横向布置的两个推进螺旋桨，沿底板横向布置的两个螺旋桨其中心轴线相互平行；
其中角度可变螺旋桨包括螺旋桨叶片、舵机、转动轴；转动轴驱动电机安装在转动轴课题中；舵机输出轴转动带动螺旋桨叶片进行旋转，调节叶片角度，使得机器人可以上升和下降。
所述的工作机械臂为四自由度，其末端电磁底座可以替换为其他工作臂，可以满足机器人不同环境情况下的水下作业；
所述连接件壳体中的各电机协调运转带动末端手爪进行水下工作。
本发明的有益效果在于一种带有机械臂的水下机器人，体积较小，重量较轻，便于投放和回收工作，其六个推进器可在水中实现全方位的运动。同时，四个机械臂末端的电磁底座都可以替换为其他末端工具，便于应对不同的水下作业情况；四个机械臂也可以帮助机器人吸附在船体，水下管道等，更加稳定了机器人的巡航、探测、作业。独立放置的电源更能提供长续航能力。广泛应用在水下管道探测维修，海中巡航等方面。
附图说明
图1为本发明的总体结构示意图。
图2为本发明的角度可变螺旋桨机构示意图。
图3为本发明的机械臂机构示意图。
图4为本发明的电磁吸附装置示意图。
图5为本发明的控制模块示意图。
图6为本发明的后置螺旋桨示意图。
图7为本发明的立体示意图。
图中，1-底板；2-浮力块；3-控制模块；4-机械臂；5-螺旋桨；6-照明设备；7-叶片；8-舵机；9-转动轴；10-第一连接件；11-连接螺栓；12-第二连接件；13-第三连接件；14-电磁底座；15-固定底座；16-电磁吸附装置；17-图像处理模块；18-主控制模块；19-驱动控制模块；20-遥控信号模块；21-供电模块；22-推进螺旋桨。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种带有机械臂的水下机器人，包括底板，浮力块，控制模块，机械臂，螺旋桨，照明设备。
设定机器人前后方向为纵向轴线。所述底板为纵向布置，其中两组浮力块分别对称布置在底板两侧，两组浮力块与底板通过螺栓相连接。
其中控制模块为方形，且控制模块中又分为五个小型模块，分别为主控制模块，图像处理模块，驱动控制模块，遥控信号模块，供电模块，其中主控制模块是控制整个机器人的核心部分，可以整合其他四个门模块的信息和资源；图像处理模块可以把外部图像进行处理，进行水下图像的实时反馈；驱动控制模块控制着机器人全部电机的运行；遥控信号模块可以实时保持与外部的通讯，控制机器人的运行；供电模块为单独布置在其他四个模块的中心，通过小型密封防水管道给其他四个模块进行供电。控制模块位于底板的中心位置，并与底板的左右两侧通过凹槽分隔开。
其中底板的左右两侧略长于中间的控制模块，且底板的前后两侧为圆形设计。底板的左右两侧装有加厚的筋板，两块筋板与底板两侧通过螺栓相连接，筋板可以在碰撞时保护浮力块和控制模块；
在底板前后及左右两侧安装四个角度可变螺旋桨，螺旋桨与底板的垂直，即底板右侧前后两个螺旋桨中心轴线重合，底板左侧前后两个螺旋桨中心轴线重合。四个螺旋桨通过矢量推力控制机器人在水中运动；
在底板的下方前后左右对称布置四个工作机械臂，且四个工作机械臂与底板通过可相对旋转的螺栓相连接；在四个机械臂的末端分别安装一个电磁吸附装置；
两个水下照明设备由供电模块进行供电，横向固定在底板的前侧，水下照明设备与底板轴线平行，进行水下照明。
在底板的左右两侧对称布置放置四个相同的浮力块，用来提供浮力，且浮力块表面线型为流线型，浮力块与底板通过螺栓相连接，整个机器人为刚性整体。
所述的工作机械臂包含三个连接件，三个电机，一个电磁底座。第一固定件与底板通过可相对旋转的螺栓连接，且第一固定件壳体内部装有第一驱动电机，可驱动第一连接件做垂直于底板的旋转运动；第一连接件与第二连接件通过转轴相连接，且第二连接件壳体内部装有第二驱动电机，可驱动第二连接件绕着转轴旋转；第二连接件与第三连接件通过转轴相连接，且第二连接件壳体内部装有第三驱动电机，可驱动第三连接件绕着转轴旋转，第三连接件下方装有转轴；第三连接件与电磁底座通过旋转联轴器相连接，电磁底座通过活动铆接与三个电磁吸附装置相连接，三个电磁吸附装置位于电磁底座下方，且一电磁底座平面的几何中心为圆心，在一个同心圆上均匀分布，由此构建完成一个工作机械臂。
所述的螺旋桨包括垂直于底板表面对称布置四个角度可变螺旋桨和沿着底板横向布置的两个推进螺旋桨，沿底板横向布置的两个螺旋桨其中心轴线相互平行；
其中角度可变螺旋桨包括螺旋桨叶片、舵机、转动轴；转动轴驱动电机安装在转动轴课题中；舵机输出轴转动带动螺旋桨叶片进行旋转，调节叶片角度，使得机器人可以上升和下降。
所述的工作机械臂为四自由度，其末端电磁底座可以替换为其他工作臂，可以满足机器人不同环境情况下的水下作业；
所述连接件壳体中的各电机协调运转带动末端手爪进行水下工作。
水下巡航过程：
主控制模块输出信号到驱动控制模块，驱动控制模块驱使六个螺旋桨组合转动，从而螺旋桨产生推力差值，控制实现航行器的前进后退，上升和下降，左右转弯运动。
(1)垂直运动：航行器密度小于水，在螺旋桨不工作时浮于水面。航行器垂直运动时,底板上前后左右对称的四个螺旋桨转转向相反，舵机改变螺旋桨叶片的角度以增大垂直方向的力，增加螺旋桨的输出功率，当垂直方向的拉力足以克服整机的重量时，航行器离开水面垂直下降；反之，改变螺旋桨叶片角度并减小螺旋桨输出功率，航行器上升。
(2)前后运动：当航行器前后运动时，底板后侧横向布置的两个推进螺旋桨开始正向或反向转动，进而实现航行器的前后运动。改变推进螺旋桨的转速可实现前后运动速度的快慢。
(3)左右转弯运动：当航行器左右转弯时，底板对称布置的四个螺旋桨转左右两组转向相反，通过一不同的转速，产生一个航向扭矩与后推力，进而实现航行器的转弯。
(4)吸附工作：当该水下机器人需要进行水下监测和吸附船底时，此时主控制模块输出信号，航行器通过指令到达指定位置，驱动控制模块输出信号，使得机械臂上连接件中的电机协调运转，进而使得机械臂转向航行器上方，随后前面两个机械臂三个连接件中的电机锁死，使得机械臂方向保持不变，此时电磁底座与船底处于平行状态，同时螺旋桨转速降低，以减小吸附时机械臂的姿态阻力，后面两个机械臂进行姿态微调，当航行器需要脱离船底时需要先增大螺旋桨的转速，之后吸附机械臂逐一稳定地脱离船底。
(5)水下管道维修过程：当需要该水下机器人进行水下外围管道的修复时，可以事先将前面两个机械臂的电磁底座替换为水下作业工具。首先让航行器到达指定工作位置，此时机械臂第一连接件中的电机锁死，整个机械臂处于航行器下方，第二连接件和第三连接件的电机协调转动使得整个机械臂处于环抱状态，进而螺旋桨转速降低，电磁吸附装置吸附在管道表面，最后前面两个工具手臂开始进行维修工作。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入本发明要求保护的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种带有机械臂的水下机器人，包括底板，浮力块，控制模块，机械臂，螺旋桨，照明设备；
设定机器人前后方向为纵向轴线。所述底板为纵向布置，其中两组浮力块分别对称布置在底板两侧，两组浮力块与底板通过螺栓相连接；
其中控制模块为方形，且控制模块中又分为五个小型模块，分别为主控制模块，图像处理模块，驱动控制模块，遥控信号模块，供电模块，其中主控制模块是控制整个机器人的核心部分，可以整合其他四个门模块的信息和资源；图像处理模块可以把外部图像进行处理，进行水下图像的实时反馈；驱动控制模块控制着机器人全部电机的运行；遥控信号模块可以实时保持与外部的通讯，控制机器人的运行；供电模块为单独布置在其他四个模块的中心，通过小型密封防水管道给其他四个模块进行供电。控制模块位于底板的中心位置，并与底板的左右两侧通过凹槽分隔开；
其中底板的左右两侧略长于中间的控制模块，且底板的前后两侧为圆形设计。底板的左右两侧装有加厚的筋板，两块筋板与底板两侧通过螺栓相连接，筋板可以在碰撞时保护浮力块和控制模块；
在底板前后及左右两侧安装四个角度可变螺旋桨，螺旋桨与底板的垂直，即底板右侧前后两个螺旋桨中心轴线重合，底板左侧前后两个螺旋桨中心轴线重合。四个螺旋桨通过矢量推力控制机器人在水中运动；
在底板的下方前后左右对称布置四个工作机械臂，且四个工作机械臂与底板通过可相对旋转的螺栓相连接；在四个机械臂的末端分别安装一个电磁吸附装置；
两个水下照明设备由供电模块进行供电，横向固定在底板的前侧，水下照明设备与底板轴线平行，进行水下照明；
在底板的左右两侧对称布置放置四个相同的浮力块，用来提供浮力，且浮力块表面线型为流线型，浮力块与底板通过螺栓相连接，整个机器人为刚性整体；
所述的工作机械臂包含三个连接件，三个电机，一个电磁底座。第一固定件与底板通过可相对旋转的螺栓连接，且第一固定件壳体内部装有第一驱动电机，可驱动第一连接件做垂直于底板的旋转运动；第一连接件与第二连接件通过转轴相连接，且第二连接件壳体内部装有第二驱动电机，可驱动第二连接件绕着转轴旋转；第二连接件与第三连接件通过转轴相连接，且第二连接件壳体内部装有第三驱动电机，可驱动第三连接件绕着转轴旋转，第三连接件下方装有转轴；第三连接件与电磁底座通过旋转联轴器相连接，电磁底座通过活动铆接与三个电磁吸附装置相连接，三个电磁吸附装置位于电磁底座下方，且一电磁底座平面的几何中心为圆心，在一个同心圆上均匀分布，由此构建完成一个工作机械臂；
所述的螺旋桨包括垂直于底板表面对称布置四个角度可变螺旋桨和沿着底板横向布置的两个推进螺旋桨，沿底板横向布置的两个螺旋桨其中心轴线相互平行；
其中角度可变螺旋桨包括螺旋桨叶片、舵机、转动轴；转动轴驱动电机安装在转动轴课题中；舵机输出轴转动带动螺旋桨叶片进行旋转，调节叶片角度，使得机器人可以上升和下降；
所述的工作机械臂为四自由度，其末端电磁底座可以替换为其他工作臂，可以满足机器人不同环境情况下的水下作业；
所述连接件壳体中的各电机协调运转带动末端手爪进行水下工作。
2.根据权利要求1所述的一种带有机械臂的水下机器人，其特征在于：
所述的工作机械臂包含三个连接件，三个电机，一个电磁底座。第一固定件与底板通过可相对旋转的螺栓连接，且第一固定件壳体内部装有第一驱动电机，可驱动第一连接件做垂直于底板的旋转运动；第一连接件与第二连接件通过转轴相连接，且第二连接件壳体内部装有第二驱动电机，可驱动第二连接件绕着转轴旋转；第二连接件与第三连接件通过转轴相连接，且第二连接件壳体内部装有第三驱动电机，可驱动第三连接件绕着转轴旋转，第三连接件下方装有转轴；第三连接件与电磁底座通过旋转联轴器相连接，电磁底座通过活动铆接与三个电磁吸附装置相连接，三个电磁吸附装置位于电磁底座下方，且一电磁底座平面的几何中心为圆心，在一个同心圆上均匀分布，由此构建完成一个工作机械臂。
3.根据权利要求1所述的一种带有机械臂的水下机器人，其特征在于：
其中控制模块为方形，且控制模块中又分为五个小型模块，分别为主控制模块，图像处理模块，驱动控制模块，遥控信号模块，供电模块，其中主控制模块是控制整个机器人的核心部分，可以整合其他四个门模块的信息和资源；图像处理模块可以把外部图像进行处理，进行水下图像的实时反馈；驱动控制模块控制着机器人全部电机的运行；遥控信号模块可以实时保持与外部的通讯，控制机器人的运行；供电模块为单独布置在其他四个模块的中心，通过小型密封防水管道给其他四个模块进行供电。控制模块位于底板的中心位置，并与底板的左右两侧通过凹槽分隔开。
4.根据权利要求1所述的一种带有机械臂的水下机器人，其特征在于：
在底板前后及左右两侧安装四个角度可变螺旋桨，螺旋桨与底板的垂直，即底板右侧前后两个螺旋桨中心轴线重合，底板左侧前后两个螺旋桨中心轴线重合。
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