CN110271656A - 一种rov水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种ROV水下机器人，包括控制器、机架、第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构和第二驱动机构均与控制器电联，所述控制器用于控制第一驱动机构和第二驱动机构动作，从而驱动机器人整体在水平方向和在竖直方向移动；通过设置对称且与机架轴线呈一定夹角的两对第一推进器，能够在稳定驱动机器人前进和后退的同时，提高原地改变朝向的能力和转向速度，从而适应深水养殖区域复杂的环境。

Description

一种ROV水下机器人

技术领域

本发明属于无人潜水器领域，具体涉及一种ROV水下机器人。

背景技术

水下机器人分为两种，一种称为ROV即远程遥控潜水器；目前ROV技术较为成熟，且在国外已经形成完整的产业，被广泛应用在抢险、海底探测、海洋石油勘探和海底管道铺设等方面；另一种为有缆机器人，其通过电缆直连的方式控制水下机器人，由于其安全、高效和可持续作业性，适合用用于靠岸浅海的水产养殖方面。

发明人发现，虽然有缆机器人能够满足现有的靠岸浅海水产养殖的需求，但是对于距离岸边较远且较深的远海牧场养殖区域和对于淡水养殖的大片区域有缆机器人也不能满足需求；传统的ROV适用于特种作业，但并不适合于海洋牧场养殖和淡水养殖，因此，需要一种适用于水下养殖的ROV水下机器人。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，本发明提供一种ROV水下机器人，通过采用水平和竖直方向的推进，配合轻量化的机架，实现对海洋牧场养殖区的检测，采样检测快速方便，提高了海产养殖行业的产品和水质的检测效率。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种ROV水下机器人，包括控制器、机架、第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构和第二驱动机构均与控制器电联，所述控制器用于控制第一驱动机构和第二驱动机构动作，从而驱动机器人整体在水平方向和在竖直方向移动；

所述第一驱动机构包括四个第一推进器，所述四个第一推进器相对机架轴线对称水平布置在机架上，第一推进器的轴线与机架轴线呈45°夹角，相邻的两个第一推进器的轴线互相垂直；

第二驱动机构包括两个第二推进器，所述两个第二推进器相对于机架轴线对称竖直布置在机架上。

更进一步地，所述机架包括一对相对设置的侧板，所述两个侧板的上部通过第一支撑架连接，下部通过第三支撑板连接，所述两个侧板的中部分别设有一个第二支撑板，两个第二支撑板之间通过圆箍连接。

更进一步地，所述圆箍上配合安装有密封舱，所述密封舱包括依次连接的半球罩、舱体和舱盖，所述半球罩、舱体和舱盖共同形成一个的空腔，所述控制器设置在此空腔内。

更进一步地，所述半球罩为透明结构，所述的空腔内还安装有图像采集装置，所述图像采集装置透过半球罩采集水下图像数据，并上传至控制器；

优选的，所述图像采集装置采用水下摄像机，所述水下摄像机通过防抖云台安装在密封舱内部空腔，保证水下摄像机在水下平稳的获取图像数据。

更进一步地，所述机器人还包括数据采集系统，所述数据采集系统与控制器电联，能够将采集的数据传输到控制器进行处理；所述数据采集系统包括温度传感器、PH值传感器和水深水压传感器，所述温度传感器用于采集海水的温度数据，所述PH值传感器用于采集海水PH值数据，所述水深水压传感器用于采集机器人运行位置处的水深、水压数据。

更进一步地，所述温度传感器和PH值传感器安装在第二支撑板的上方，所述水深水压传感器安装在密封舱的舱盖上；

优选的，所述第二支撑板上还安装有照明灯。

更进一步地，所述的第一驱动机构安装在第二支撑板的底面上，所述第二支撑板上还开设有对应第二驱动机构的通孔，所述第二驱动机构安装在该通孔上方的第二支撑板顶面上。

更进一步地，所述机器人还包括采样系统，所述采样系统与控制器电联，用于在控制器的控制下进行采样。

更进一步地，所述采样系统包括机械手、舵机和机械手支架，所述机械手支架安装在机架上，所述机械手通过舵机安装在机械手支架上，所述机械手用于在舵机的驱动下抓取样品。

更进一步地，所述采样系统安装在靠近密封舱半球罩的位置，所述图像采集系统能够透过半球罩获取采样系统的动作状态图像。

本发明和现有技术相比，拥有以下有益技术效果：

1.本发明通过设置对称且与机架轴线呈一定夹角的两对第一推进器，能够在稳定驱动机器人前进和后退的同时，提高原地改变朝向的能力和转向速度，从而适应深水养殖区域复杂的环境；

2.通过将两个第二推进器分别布置在机架的两侧，从而能够对称的输出竖直升力，提高机器人在上升和下降过程中的平稳性，另一方面通过两侧的第二推进器的推动作用，配合第一推进器，能够快速调节机器人在水中的姿态，以满足不同角度和不同位置的采集图像的需求；

3.所述的第一推进器和第二推进器均能进行正转和反转，从而在不同情况下输出相反方向的推力，满足更为复杂的动作方式需求；

4.以位于正方形四个边上的第一推进器的布置，在前进和后退过程中，第一组对称的推进器正转，第二组对称的推进器反转，从而使第一组输出力的合力和第二组输出力的合力同向，从而提供双倍的推力，提高动作速度和动力大小；

5.通过位于正方形对边上的两个推进器共同正转或共同反转输出，能够提供双倍的切向力，提高机器人在水平方向的转动速度和动力大小；

6.通过两个侧板之间的三层支撑布置，在提高稳固能力的同时减轻了机架整体的重量，达到轻量化设计提高动力效率的目的；

7.半球罩在机器人前进时能够起到降低水流阻力的作用，将密封舱整体安置在机架内部，外部设有机架进行支撑保护，避免在发生碰撞时损伤到密封舱，引起密封舱损坏海水进入；

8.图像采集装置配合防抖云台，提高水下摄像机在工作过程中的稳定性，提高采集图像的精度，并且能够透过半球罩对外界水域环境进行采集，作为视觉系统，辅助避障；

9.通过数据采集装置，对海水的各类指标参数进行采集，能够对海水进行持续精确检测，达到在机器人工作过程中实时获取相应区域水质的效果；

10.通过图像采集装置配合采样装置，辅助进行采样装置的操控，提高采样装置抓取试样的效率和准确度，提高采样的效率和精度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的正视图；

图3是本发明的侧视图；

图4是本发明机架的结构示意图；

图5是本发明机架的仰视图示意图；

图6是本发明第二推进器与机架的配合示意图；

图7是本发明第一推进器与机架的配合示意图；

图8是本发明密封舱及其内部结构示意图；

图9为本发明采样系统的结构示意图；

图10为本发明水深水压传感器的结构示意图；

图11为本发明温度传感器的结构示意图；

图12为本发明PH值传感器的结构示意图；

图13为本发明照明灯的结构示意图。

其中：1、密封舱，2、机架，3、第一支撑架，4、第二支撑板，5、圆箍，6、侧板，7、第三支撑板，8、第二推进器，9、第二推进器支架，10、第一推进器，11、第一推进器支架，12、防抖云台，13、水下摄像机，14、半球罩，15、垫圈，16、密封法兰，17、控制器，18、舱盖，19、穿线螺栓，20、机械手，21、舵机，22、机械手支架，23、水深水压传感器，24、温度传感器支架，25、温度传感器，26、PH值传感器支架，27、PH值传感器，28、照明灯，29、照明灯支架。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括””时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如背景技术中所介绍的，现有有缆机器人能够满足现有的靠岸浅海水产养殖的需求，但是对于距离岸边较远且较深的远海牧场养殖区域和对于淡水养殖的大片区域有缆机器人也不能满足需求；传统的ROV适用于特种作业，但并不适合于海洋牧场养殖和淡水养殖，为了解决上述技术问题，本申请提出了一种ROV水下机器人。

本发明的一种典型实施例：如图1-13所示，一种适用于水下养殖的ROV水下机器人。

如图1、图2和图3所示，本装置包括机架2、驱动系统、密封舱1、采样系统和数据采集系统组成，其中机架作为承载结构，其他部分均按需求安装到机架上，实现装置整体的移动、采集数据、采集样本、处理数据等功能。

在本实施例中，对于机架的制作材料并不进行限制，采用耐腐蚀、重量轻、质地坚硬的材料，满足在潜入深海时的长久使用即可。

如图4和图5所示，所述的机架包括侧板、位于上部的第一支撑架3、位于中部的第二支撑板4和位于底部的第三支撑板7，所述侧板6有两个，其之间通过上述的第一支撑架和第三支撑板直接连接固定，形成三层式固定结构，结构强度高，稳定性好；上部的第一支撑架有两个，分别安装在机架的前部和后部，通过铰制孔作为配合孔，通过螺栓固定连接；中部支撑板与侧板之间也通过铰制孔与螺栓的配合实现固定，两个中部支撑板不直接相连，其之间通过两个半圆弧连接，形成一个圆箍5，作为密封舱的安装支架，下部的第三支撑板采用铰制孔配合螺栓固定在两个侧板上；

当然，可以理解的是，此处所述的第一支撑架为一个杆件或板件，作为中间连接件固定在两个侧板上，在起到连接两个侧板形成稳定结构的同时，还能够将机架中间部分形成一定程度的遮挡，从而避免机架与外界发生干涉时直接碰撞到机架内的精密结构；在有进一步的强度或其他需求时，可以适当增加第一支撑架的数量，并适当调节第一支撑架的排布方式，从而达到提高刚度和提高防撞能力的效果。

另一方面，所述的第二支撑板为板件，一侧开设螺纹孔，对应的侧板上开设通孔，固定螺栓穿过侧板上的通孔后与螺纹孔配合，将第二支撑板安装到侧板上；

再一方面，所述的第三支撑板能够选用杆件或板件，作为中间连接件固定在两个侧板上，起到连接两个侧板形成稳定结构的同时，还能够对机架中间部分形成一定程度的遮挡，从而避免机架与外界发生干涉时直接碰撞到机架内部的精密结构；为了满足进一步提高刚度的需求，可以通过增加第三支撑板的方式来实现；

优选的，所述的第三支撑板采用X形状的板件，不仅能够实现交叉固定，还能够降低板件的质量，从而减轻整个装置的重量，提高驱动效率；为了提高对密封舱的固定效果，所述的圆箍可以采用多个，对密封舱的不同位置进行稳定支撑。

如图6和图7所示，所述的驱动系统包括第一驱动机构和第二驱动机构，第一驱动机构包括四个第一推进器，所述四个第一推进器10相对机架轴线对称水平布置在机架上，第一推进器的轴线与机架轴线呈45°夹角，相邻的两个第一推进器的轴线互相垂直，即四个推进器分别位于正方形的四个边上；第二驱动机构包括两个第二推进器8，所述两个第二推进器相对于机架轴线对称竖直布置在机架上。

优选的，所述四个第一推进器通过第一推进器支架11安装在第二支撑板的底面上，每个支撑板上分别安装有两个，所述的第一推进器能够正转和反转，从而能够在不同需求的情况下输出相反方向的水流，产生相反方向的推力；

所述的两个第二推进器通过第二推进器支架9竖直安装到第二支撑板的顶面上，对应第二推进器输出水流的第二支撑板上还开有通孔，用于使输出水流通过和吸入水流，避免因支撑板遮挡水流路径导致的驱动力过小或不足的问题。

通过设置对称且与机架轴线呈一定夹角的两对第一推进器，能够在稳定驱动机器人前进和后退的同时，提高原地改变朝向的能力和转向速度，从而适应深水养殖区域复杂的环境；将两个第二推进器分别布置在机架的两侧，从而能够对称的输出竖直升力，提高机器人在上升和下降过程中的平稳性，另一方面通过两侧的第二推进器的推动作用，配合第一推进器，能够快速调节机器人在水中的姿态，以满足不同角度和不同位置的采集图像的需求。

当然，可以理解的是所述的推进器为喷水推进器，在螺旋桨的带动下吸入水流并排出水流产生反作用力，从而推动机器人运动。

在机器人行进时，第一推进器的动作方式：以位于正方形四个边上的第一推进器的布置，在前进和后退过程中，第一组对称的推进器正转，第二组对称的推进器反转，从而使第一组输出力的合力和第二组输出力的合力同向，从而提供双倍的推力，提高动作速度和动力大小；

在机器人需要进行水平的转向时，第一推进器的动作方式：位于正方形对边上的两个推进器共同正转或共同反转输出，能够提供双倍的切向力，提高机器人在水平方向的转动速度和动力大小。

需要特别指出的是，在需要进行更为精密的水平方向的角度和位置变化时，可以将第一推进器通过第一推进器支架铰接在第二支撑板上，并且配置相应的调向电机，控制器控制调向电机的转动对第一推进器的朝向进行改变，从而获取更多样的推进效果，提高动作的精准度。

当然，为了进行机器人的运动以及姿态调整，可以采用现有的适配多推进器的控制方法，比如通过陀螺仪配合PID算法的方式对水下机器人的姿态进行调整，控制第二驱动机构使机器人保持稳定的工作姿态，控制第一推进器的正反转、转速和朝向来进行水平的行进、后退与转向，这些控制算法都是水下机器人常用的姿态调整方式，其具体算法过程并不是本发明所要保护的，因此根据需求在现有技术中进行自行选择即可完成上述姿态调整的目的。

如图8所示，密封舱包括半球罩、圆柱形舱体和舱盖18，所示半球罩14和圆柱形舱体通过密封法兰16连接，其与圆箍配合处还设有垫圈15，在提高安装稳定度的同时，还起到一定的缓冲作用；舱盖通过密封橡胶环与圆柱形舱体配合，形成一个空腔，所述控制器17安装在此空腔内；所述舱盖上开设有一个螺纹孔，所述螺纹孔上安装有穿线螺栓19，穿线螺栓负责密封舱内与密封舱外的有线连接；控制器负责整个机器人的控制工作以及对接受到的数据进行处理和发送工作；密封舱主要用于保护紧密的控制器；

需要特别指出的是，所述的密封法兰之间设有橡胶垫圈，用于提高法兰对接处的密封性；所述的穿线螺栓在走线结束后，对通孔处进行环氧树脂灌胶密封，从而达到密封舱内与外界的隔离。

半球罩在机器人前进时能够起到降低水流阻力的作用，将密封舱整体安置在机架内部，外部设有机架进行支撑保护，避免在发生碰撞时损伤到密封舱，引起密封舱损坏海水进入。

进一步的，所述半球罩为透明结构，所述的空腔内还安装有图像采集装置，所述图像采集装置透过半球罩采集水下图像数据，并上传至控制器；

优选的，所述图像采集装置采用水下摄像机13，所述水下摄像机通过防抖云台12安装在密封舱内部空腔，保证水下摄像机在水下平稳的获取图像数据。

所述的防抖云台即为普通的摄像机用云台，针对水下不稳定的环境，水下摄像过程中图像会发生抖动，通过防抖云台能够提供一个主动的运动来抵消外界的不稳定性，使得摄像机获取的图像更为稳定清晰；图像采集装置配合防抖云台，提高水下摄像机在工作过程中的稳定性，提高采集图像的精度，并且能够透过半球罩对外界水域环境进行采集，作为视觉系统，辅助避障。

如图9所示，所述的采样系统由机械手20、舵机21和机械手支架22组成，所述机械手包括左右两个夹爪，左右夹爪通过齿轮和齿轮槽配合连接，机械手与舵机通过舵机的驱动齿轮配合机械手上的齿轮槽连接传动，通过舵机带动夹爪的开合，从而实现对采集样品的抓取和释放，所述舵机安装在机械手支架上，机械手支架的两端分别固定在两个侧板上，从而实现对采样系统的固定；

当然，可以理解的是，所述的舵机能够通过铰接的方式安装到机械手支架上，并配合一伸缩杆带动舵机、机械手整体产生偏移，改变抓取角度；所述的舵机和伸缩杆均做防水处理。

通过图像采集装置配合采样装置，辅助进行采样装置的操控，提高采样装置抓取试样的效率和准确度，提高采样的效率和精度。

图10-12所示，所述数据采集系统与控制器电联，能够将采集的数据传输到控制器进行处理；所述数据采集系统包括温度传感器25、PH值传感器27和水深水压传感器23，所述温度传感器用于采集海水的温度数据，所述PH值传感器用于采集海水PH值数据，所述水深水压传感器用于采集机器人运行位置处的水深、水压数据；

更进一步地，所述温度传感器通过温度传感器支架24安装在机器人第二支撑板上，所述PH值传感器通过PH值传感器支架26安装在第二支撑板的上方，所述水深水压传感器安装在密封舱的舱盖上。

通过数据采集装置，对海水的各类指标参数进行采集，并对数据进行初步分析后上传到云端，以供下一步调用进行更为专业的分析，能够对海水进行持续精确检测，达到在机器人工作过程中实时获取相应区域水质的效果。

如图13所示，所述控制器还连接有照明灯28，所述照明灯通过照明灯支架29安装到第二支撑板上，所述照明灯有两个，用于在光线不良的环境中提供辅助照明，提高可视度。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种ROV水下机器人，其特征在于，包括控制器、机架、第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构和第二驱动机构均与控制器电联，所述控制器用于控制第一驱动机构和第二驱动机构动作，从而驱动机器人整体在水平方向和在竖直方向移动；

所述第一驱动机构包括四个第一推进器，所述四个第一推进器相对机架轴线对称水平布置在机架上，第一推进器的轴线与机架轴线呈45°夹角，相邻的两个第一推进器的轴线互相垂直；

第二驱动机构包括两个第二推进器，所述两个第二推进器相对于机架轴线对称竖直布置在机架上。

2.如权利要求1所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述机架包括一对相对设置的侧板，所述两个侧板的上部通过第一支撑架连接，下部通过第三支撑板连接，所述两个侧板的中部分别设有一个第二支撑板，两个第二支撑板之间通过圆箍连接。

3.如权利要求2所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述圆箍上配合安装有密封舱，所述密封舱包括依次连接的半球罩、舱体和舱盖，所述半球罩、舱体和舱盖共同形成一个的空腔，所述控制器设置在此空腔内。

4.如权利要求3所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述半球罩为透明结构，所述的空腔内还安装有图像采集装置，所述图像采集装置透过半球罩采集水下图像数据，并上传至控制器；

优选的，所述图像采集装置采用水下摄像机，所述水下摄像机通过防抖云台安装在密封舱内部空腔，保证水下摄像机在水下平稳的获取图像数据。

5.如权利要求3所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述机器人还包括数据采集系统，所述数据采集系统与控制器电联，能够将采集的数据传输到控制器进行处理；所述数据采集系统包括温度传感器、PH值传感器和水深水压传感器，所述温度传感器用于采集海水的温度数据，所述PH值传感器用于采集海水PH值数据，所述水深水压传感器用于采集机器人运行位置处的水深、水压数据。

6.如权利要求5所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述温度传感器和PH值传感器安装在第二支撑板的上方，所述水深水压传感器安装在密封舱的舱盖上；优选的，所述第二支撑板上还安装有照明灯。

7.如权利要求2所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述的第一驱动机构安装在第二支撑板的底面上，所述第二支撑板上还开设有对应第二驱动机构的通孔，所述第二驱动机构安装在该通孔上方的第二支撑板顶面上。

8.如权利要求4所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述机器人还包括采样系统，所述采样系统与控制器电联，用于在控制器的控制下进行采样。

9.如权利要求8所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述采样系统包括机械手、舵机和机械手支架，所述机械手支架安装在机架上，所述机械手通过舵机安装在机械手支架上，所述机械手用于在舵机的驱动下抓取样品。

10.如权利要求8或9所述的ROV水下机器人，其特征在于，所述采样系统安装在靠近密封舱半球罩的位置，所述图像采集系统能够透过半球罩获取采样系统的动作状态图像。