CN115070797B - 一种基于仿生机械臂的水下控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于仿生机械臂的水下控制装置，包括：控制模块、水下机器人；控制模块，与水下机器人无线连接，用于基于手套控制器、控制手柄控制所述水下机器人的水下作业；水下机器人包括：主控仓、手势识别器、六自由度机械臂；主控仓包括主控单元，所述主控单元与所述六自由度机械臂连接，用于对所述六自由度机械臂的动作进行控制；所述手势识别器，用于将运动姿态数据通过电力载波通信传输给主控单元；所述六自由度机械臂，用于模仿所述手套控制器的运动姿态进行水下作业。本发明的水下机器人采用六自由度机械臂，使水下机器人可进行全方向的抓取工作，相比市面上的水下机器人可实现更灵活的抓取。

Description

一种基于仿生机械臂的水下控制装置

技术领域

本发明属于水下运动控制领域，特别是涉及一种基于仿生机械臂的水下控制装置。

背景技术

目前社会上的水下机器人均为观赏性水下机器人，仅能完成水下环境探测、水质检测的常规功能。少数水下机器人采用单一自由度的机械臂，通过调整自身位置实现水下物体抓取，此方式实现的抓取效率低下且控制成本高。因此，需要研制一种抓取效率高，便于控制的水下控制装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于仿生机械臂的水下控制装置，以解决上述现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于仿生机械臂的水下控制装置，包括：控制模块、水下机器人；

所述控制模块与所述水下机器人无线连接，用于生成控制指令，并基于所述控制指令控制所述水下机器人的水下作业；

所述水下机器人包括：主控仓、手势识别器、六自由度机械臂；

所述主控仓包括主控单元，所述主控单元与所述六自由度机械臂连接，用于对所述六自由度机械臂的动作进行控制；

所述手势识别器，用于将所述控制模块生成的运动姿态数据通过电力载波通信传输给主控单元；

所述六自由度机械臂，用于模仿所述手套控制器的运动姿态进行水下作业。

优选地，所述主控仓还包括微型计算器，所述微型计算器用于控制所述机器人的视觉识别及远程通信。

优选地，所述控制模块包括：

第一控制模块，用于基于控制手柄生成第一控制指令，并基于所述第一控制指令实时控制所述水下机器人的动作和所述六自由度机械臂的水下抓取；

第二控制模块，用于基于手套控制器生成第二控制指令，并基于所述第二控制指令对所述水下机器人进行远程动作操控。

优选地，所述第一控制模块包括：

第一控制单元，用于控制六自由度机械臂的目标空间坐标，获得目标坐标点；

第二控制单元，用于基于运动学逆解和PID控制算法，控制所述六自由度机械臂到达所述目标坐标点。

优选地，所述手套控制器上装载姿态传感器、弯曲传感器；所述姿态传感器、弯曲传感器用于获得所述手套控制器的实时运动姿态数据。

优选地，所述姿态传感器包括：

第一采集单元，用于基于动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，获得所述手套控制器的实时运动姿态数据；

第一处理单元，用于基于数字滤波技术对所述实时运动姿态数据进行降噪处理，获得降噪后的运动姿态数据；

第一解析单元，用于基于陀螺仪对所述降噪后的运动姿态数据进行解析，并发送给手势识别器。

优选地，所述弯曲传感器包括：

第二采集单元，用于采集所述手套控制器的手指动作数据；

第二处理单元，用于基于滤波电路对所述手指动作数据进行降噪处理，获得降噪后的手指动作数据；

第二解析单元，用于基于陀螺仪对所述降噪后的手指动作数据进行解析，并发送给手势识别器。

本发明的技术效果为：

（1）本发明通过使用自主设计的手势识别器，可快速精准识别操作者手势动作，经动力学解算手势动作信号，发送至水下机器人的主控单元，能够使水下机器人的机械臂更精准地模拟人手动作进行水下工作。

（2）本发明的手柄控制方式采用运动学逆解和PID控制算法，使水下机器人在水下实现稳定的悬停定向等功能，从而提升水下抓取效率；并且使用多传感器数据融合，使传感器在水下测量的数据更加精准可靠，从而使水下运动控制更加稳定。

（3）本发明的水下机器人采用6个深水伺服电机组成的六自由度机械臂，使水下机器人可进行全方向的抓取工作，相比市面上的水下机器人可实现更灵活的抓取。

附图说明

构成本申请的一部分的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。在附图中：

图1为本发明实施例中的装置结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

实施例一

如图1所示，本实施例中提供一种基于仿生机械臂的水下控制装置，包括：

本实施例中的水下机器人外形采用亚克力材料与浮力材料组成，通过M4螺丝互相衔接，采用欧标铝材支撑及连接上下层（增加机器人结构的稳定性），外形符合流体力学，采用镂空模式，方便水流在机器人内部间隙流动，配置上搭载着6个水下推进器（5kg推力），2垂直4水平可实现在负重等情况下全姿态高速运行。采用两个防水仓的模式。主控仓为直径11cm的圆柱，内置了机器人的MCU主控Cortex-M4（负责运动控制、水质检测、机械臂动作控制）和微型计算器Jeston nano（负责机器人视觉、及上位机远程通信），两者间采用串口通信，外部的六自由度机械臂使用导线通过防水仓的航空接头与内部MCU连接实现控制，水下机器人还搭载PH、TDS、水温等传感器。

电源方面采用6S电池供电，采用了LM3150同步降压控制器给机械臂进行供电，能够输出稳定的8V12A的工作电流，并且使用TPS5450电源芯片实现12V、5V、3.3V等电压的稳压，满足各类模块供电需求。

同时本实施例配套了一对手势识别器，采用9轴姿态模块与弯曲传感器开发，可实现实时地对操作者的手势动作识别。从而控制机械臂动作。并且配备一只控制手柄，能够实时控制水下机械臂进行各种复杂的水下作业和控制水下机器人的运动。通过自主开发的上位机软件，能够实施监控水下机器人的工作状态。

为实现水下的复杂作业，水下机器人配备了六自由度的机械臂。操纵者只需戴上手套，进行远程动作操作，机械臂将会实时地模仿出相对应的动作进行水下作业。手套上分别装载有MPU9250姿态传感器模块和弯曲传感器模块。该姿态传感器集成高精度的陀螺仪、加速度计、地磁场传感器，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，能够快速求解出模块当前的实时运动姿态。姿态识别方面采用先进的数字滤波技术，能有效降低测量噪声，提高测量精度。而弯曲传感器上采用了滤波电路，能够消除ADC采集噪声，能够更加稳定地控制机械臂。在远程控制上采用了ESP8266无线通信模块，陀螺仪解析出手势姿态数据后会把数据发送给手势识别接收器，手势识别器会将数据通过电力载波通信准确地传输给水下机器人的主控板，减少了远距离传输数据的丢失，从而实现精确地远距离PID控制机械臂。通过手柄控制机械臂的目标空间坐标，通过运动学逆解和PID控制算法，使机械臂末端执行器平稳精准地到达目标点。

本实施例在控制方式上采用两种控制方式控制水下机械臂，第一种通过使用自主设计的手势识别器，能够快速精准识别操作者手势动作，经动力学解算手势动作信号，发送至水下机器人主控，使水下机器人的机械臂模拟人手的动作进行水下工作。第二种是通过手柄改变机械臂末端执行器的空间坐标，控制器通过运动学逆解算法实现机械臂的轨迹规划，从而控制机械臂的末端执行器到达目标空间坐标。为了提升水下机器人运动稳定，本实施例在控制方式上采用串级PID算法结合自抗扰控制算法，使其在水下实现稳定的悬停定向等功能，从而提升水下抓取效率。并且使用多传感器数据融合，使传感器在水下测量的数据更加精准可靠，从而使水下运动控制更加稳定。

在结构上，本实施例的水下机器人采用6个深水伺服电机组成的六自由度机械臂，使水下机器人可实现全方向的水下机器人抓取，相比市面上的水下机器人可实现灵活的抓取。

本实施例的第一种使用方法：

将手势数据接收器的USB接口插在地面端电脑上，安装好串口模块对应的驱动CH340以后，手势数据接受器的oled屏幕上会显示“WIFI建立当中”，等待片刻后，屏幕上会出现“WIFI已建立”。此时带上手套控制器，打开开关，手套控制器上的oled屏幕会显示“正在连接中”，等待片刻，直到手套上的oled屏幕出现“已连接”后，就可以操控水下机器人的机械臂了。

本实施例的第二种使用方法：

将手柄连接上位机，按下手柄开机按钮，点击上位机的开启机械臂按钮，即可控制机械臂。

本实施例的水下控制装置可应用于：

（1）水下救援

近海和各类海洋中会出现不同程度的海洋污染，而这些污染会对海洋生物和人类生活带来一定的害处，海洋垃圾可能会缠绕在某些海洋生物如鲸类身上，使其无法挣脱，严重时甚至致死。而本实施例的水下机器人能代替人进行水下救援，可以控制水下机器人的机械臂来清理掉缠绕在海洋生物身上的垃圾和困住海洋生物的垃圾。

（2）清除海洋垃圾

海洋垃圾抑制了海洋植物的光合作用，使其产氧量减少，导致海洋生物的可用氧也随之减少，大大抑制了海洋生物的活动与生命活力。随之而影响的就是整个海洋生态系统，破坏了海洋生态系统的平衡稳态。水下机器人的机械臂能够清理漂浮在鱼塘和海洋上的垃圾，既避免了水下作业的危险又保持鱼类养殖环境的干净卫生。而且本实施例的水下控制装置能够清理堵塞排污管的垃圾，减少复杂的人力劳动。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于仿生机械臂的水下控制装置，其特征在于，包括：控制模块、手势识别器、水下机器人；所述水下机器人外形采用亚克力材料与浮力材料组成，通过M4螺丝互相衔接，采用欧标铝材支撑及连接上下层，外形符合流体力学，采用镂空模式，方便水流在机器人内部间隙流动，配置上搭载着6个水下推进器，2垂直4水平可实现在负重情况下全姿态高速运行，在控制方式上采用串级PID算法结合自抗扰控制算法，使其在水下实现稳定的悬停定向功能，从而提升水下抓取效率；

所述控制模块与所述手势识别器、水下机器人无线连接，用于生成控制指令，并基于所述控制指令控制所述水下机器人的水下作业；

所述水下机器人包括：主控仓、六自由度机械臂；

所述主控仓包括主控单元，所述主控单元与所述六自由度机械臂连接，用于对所述六自由度机械臂的动作进行控制；

所述手势识别器，用于将所述控制模块生成的运动姿态数据通过电力载波通信传输给主控单元；

所述六自由度机械臂，用于完成水下作业的抓取工作；

所述控制模块包括：

第一控制模块，用于基于控制手柄生成第一控制指令，并基于所述第一控制指令实时控制所述水下机器人的动作和所述六自由度机械臂的水下抓取；

第二控制模块，用于基于手套控制器生成第二控制指令，并基于所述第二控制指令对所述水下机器人进行远程动作操控；

所述第一控制模块包括：

第一控制单元，用于控制六自由度机械臂的目标空间坐标，获得目标坐标点；

第二控制单元，用于基于运动学逆解和PID控制算法，控制所述六自由度机械臂到达所述目标坐标点；所述手套控制器上装载姿态传感器、弯曲传感器；所述姿态传感器、弯曲传感器用于获得所述手套控制器的实时运动姿态数据；

所述姿态传感器包括：

第一采集单元，用于基于动力学解算与卡尔曼动态滤波算法，获得所述手套控制器的实时运动姿态数据；

第一处理单元，用于基于数字滤波技术对所述实时运动姿态数据进行降噪处理，获得降噪后的运动姿态数据；

第一解析单元，用于基于陀螺仪对所述降噪后的运动姿态数据进行解析，并发送给手势识别器；

所述弯曲传感器包括：

第二采集单元，用于采集所述手套控制器的手指动作数据；

第二处理单元，用于基于滤波电路对所述手指动作数据进行降噪处理，获得降噪后的手指动作数据；

第二解析单元，用于基于陀螺仪对所述降噪后的手指动作数据进行解析，并发送给手势识别器；

所述水下机器人可以应用于水下救援和清除海洋垃圾。

2.根据权利要求1所述的基于仿生机械臂的水下控制装置，其特征在于，

所述主控仓还包括微型计算器，所述微型计算器用于控制所述机器人的视觉识别及远程通信。

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