CN116609847B - 基于线驱动机械臂的水下探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于线驱动机械臂的水下探测装置，探测单元中，光源和光谱仪通过光纤耦合器合束后，与镜头连接；动力单元中，至少4组舵机通过牵引线与至少1节机械臂连接，舵机通过拉动牵引线改变机械臂的运动方向；去噪单元中，气泵通过气管与排气口连接，排气口吹出气体，用于吹开镜头与探测目标间的水。本发明采用线驱动机械臂，在中心嵌入气管及光纤后不影响机械臂的运动效果，整体结构紧凑，且无需要传统机械臂中所需的减速器工作电机等结构，通过气泵结构使得目标与镜头之间的水被吹离，降低噪声，本发明的零件互换性高，方便制作，通过本发明可以实现大范围多自由度作业，可以大大提高涉水光学探测的灵活性。

Description

基于线驱动机械臂的水下探测装置

技术领域

本发明涉及水下探测技术领域，具体提供一种基于线驱动机械臂的水下探测装置。

背景技术

海洋资源极为丰富，能够迎合人们对资源日益高涨的需求量，世界各国也在积极研发各种技术手段来检测海洋资源并进行资源开发。水下原位探测技术是一种通过有效载荷对目标进行近距离探测的技术，可分为声学探测和光学探测。经研究发现，相比于声学检测技术，通过获取光或光谱目标信息的光学检测技术在探测过程中具有更高的分辨率。而在光学探测技术中，相比于可见光探测技术，红外光谱虽有较大的水吸收摩尔系数，但其具有更加优异的物质吸收特性，即对物质具有更高的分别能力。

此外，近红外光谱也在海洋勘探中也具有特定的应用，其属于一种分子光谱检测技术，例如公开日期为2019年1月18日、公开号为CN109238949A的中国专利通过从鱼类或双壳类生物样品中提取海洋塑料聚合物等进行物质识别，但其需要在岸上进行检测，并没有用于水下原位探测。

目前，水下原位红外光谱检测的难点在于环境中的水会强烈吸收红外光谱，作为检测目标的一部分，结晶水、结构水和层间水反映了目标的性质，但海洋中的水，即吸附水和环境水会对检测结果产生噪声，这使得红外光谱无法准确描述目标的特征，导致红外光谱难以在水下使用。

因此。亟需一种可以有效避免噪声影响的水下原位光谱检测装置。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供了一种基于线驱动机械臂的水下探测装置，能够实现大范围多自由度作业，抵近水下目标，依托机械臂使得红外光谱探测等应用于水下，实现识别和检测深海目标。

本发明提供的基于线驱动机械臂的水下探测装置，包括：探测单元、动力单元和去噪单元；

探测单元中，光源和光谱仪通过光纤耦合器合束后，与镜头连接；

动力单元中，至少四组舵机通过牵引线与至少一节机械臂连接，舵机通过拉动牵引线改变机械臂的运动方向；

去噪单元中，气泵通过气管与排气口连接，排气口吹出气体，用于吹开镜头与探测目标间的水。

优选的，光谱仪采用红外光谱仪、近红外光谱仪、可见光谱仪、紫外光谱仪、拉曼光谱仪中一个或多个的组合。

优选的，镜头为柱状结构，其包括可拆卸的前端镜头和后端镜头，后端镜头的轴线位置开有光纤接口，光纤接口用于连接光纤；

前端镜头与光纤接口对应的位置设置有透镜，用于保护镜头不受水破坏；

光纤接口的边侧开有至少二个气管接口，气管接口用于连接气管，气管接口与前端镜头上的排气口连接，排气口可采用点状排气口或环形排气口。

优选的，机械臂包括二节，且每节机械臂的结构相同，远离镜头的机械臂为第一节机械臂，靠近镜头的机械臂为第二节机械臂，机械臂包括舵盘、波纹管和驱动弹簧。

优选的，机械臂之间通过万向节连接，万向节包括公环、母环和连接圆环。

优选的，在每节机械臂中，舵盘为四个，同轴设置在波纹管内，且其表面开有四个用于连接驱动弹簧的弹簧槽，驱动弹簧将舵盘连接在一起。

优选的，在每节机械臂中，牵引线设置在驱动弹簧内，并连接在最接近镜头的舵盘上。

优选的，在每节机械臂中，牵引线为四条；

舵机拉动前，牵引线的长度为；

舵机拉动t时间内，牵引线的长度变化量为，/>，其中，/>表示牵引线的收缩极限，/>表示牵引线的拉伸极限，/>的角标j表示牵引线的编号；

舵机拉动t时间后，牵引线的长度为；

牵引线的驱动变量表示为，牵引线的关节变量表示为/>，其中：

表示机械臂的扭转角度，具体为：

；

表示机械臂的弯曲角度，具体为：

，其中，/>表示牵引线所在圆的半径；

表示机械臂的曲率半径，具体为：

；

则机械臂靠近镜头端的坐标与牵引线的关系式为：

；

其中，第一节机械臂的最远离镜头的舵盘所在平面的坐标系，/>第二节机械臂的最靠近镜头的舵盘所在平面的坐标系；

表示旋转坐标系，具体为：

，P₁表示初始位置坐标，P₂表示最终位置坐标；

表示平移坐标系，具体为：

。

优选的，通过神经网络识别光谱仪获取的探测目标光谱。

优选的，神经网络采用BP神经网络。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

1、本发明能够直接在水下利用红外光等对物质进行原位探测和分析。

2、本发明采用线驱动机械臂，在中心嵌入气管及光纤后不影响机械臂的运动效果，整体结构紧凑，且无需要传统机械臂中所需的减速器工作电机等结构；对机械臂进行模块化设计，通过简易的安装可以增加镜头工作范围及空间自由度，便于复杂的水下环境使用，同时易于集成在ROV或AUV等水下航行器上。

3、本发明的通过气泵结构使得目标与镜头之间的水被吹离，降低了水下探测时，环境水产生的噪声。

4、本发明的零件互换性高，方便制作，通过本发明可以实现大范围多自由度作业，可以大大提高涉水光学探测的灵活性。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的基于线驱动机械臂的水下探测装置的整体结构示意图；

图2是根据本发明实施例提供的动力单元的结构示意图；

图3是根据本发明实施例提供的机械臂的结构示意图；

图4是根据本发明实施例提供的镜头的结构示意图；

图5是根据本发明实施例提供的神经网络算法示意图。

其中的附图标记包括：

光源101、红外光谱仪102、近红外光谱仪103、光纤保护套104、光纤探头105；

机械臂300、气泵400、舵机500、光纤耦合器600、万向节700、镜头800；

牵引线301、公环302、母环303、连接圆环304、第一节机械臂310、第一舵盘311、第一波纹管312、第二节机械臂320、第二舵盘321、第二波纹管322、驱动弹簧323；

气管401、光纤402；

第一舵机501、第二舵机502、第八舵机508；

第一气管接口801、光纤接口802、第二气管接口803、后端镜头804、透镜805、前端镜头806、排气口807。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

在本申请的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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申请和简化描述，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申请的限制。

在本申请的描述中，多个的含义是至少两个。描述涉及到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例提供的基于线驱动机械臂的水下探测装置的整体结构。

图2示出了根据本发明实施例提供的动力单元的结构。

图3示出了根据本发明实施例提供的机械臂的结构。

图4示出了根据本发明实施例提供的镜头的结构。

如图1~图4所示，本发明实施例提出的基于线驱动机械臂的水下探测装置，应用于水下原位探测，主要包括：探测单元、动力单元和去噪单元，其中：

探测单元主要用于探测光的发射和回收，以及对回收的反射光进行光谱分析，将光源101、红外光谱仪102和近红外光谱仪103通过一个三项的光纤耦合器600进行合束，并通过光纤402的末端光纤探头105与镜头800连接。在实际使用过程中，光源101发射用于探测的红外光，红外光通过光纤402以及光纤耦合器600传输到镜头800，并通过镜头800射出照射到探测目标的表面上，红外光在探测目标的表面发生漫反射，部分发射光再次进入镜头800，并通过光纤402以及光纤耦合器600进入红外光谱仪102和近红外光谱仪103进行光谱分析，本发明可在探测光发射的过程中同步接受反射光。

需要说明的是，本文中近红外光的波长范围为875nm~2500nm，红外光的波长范围为2500nm~10000nm。

上述对于探测单元的限定仅为本发明实施例的选择，在其他实施例中，光源101可依据具体需求进行选择，可发射红外光、可见光或紫外光等；依据需求光谱仪也可采用红外光谱仪、近红外光谱仪、可见光谱仪、紫外光谱仪、拉曼光谱仪中一个或多个的组合，并不局限于本发明实施例的选择。

镜头800为柱状结构，其包括可拆卸的前端镜头806和后端镜头804，后端镜头804的轴线位置开有光纤接口802，光纤接口802用于连接光纤探头105，在前端镜头806与光纤接口802对应的位置上设置有透镜805，透镜805可采用平面镜胶结在前端镜头806的凹槽内，用于保护镜头800不受水破坏。光纤接口802的边侧开有2个气管接口，即第一气管接口801和第二气管接口803，气管接口用于连接气管401，气管接口与前端镜头806上的排气口807连接，排气口807可采用点状排气口或环形排气口，在本实施例中采用两个对称的点状排气口。镜头800可通过3D打印技术进行加工成型。

动力单元用于驱动本发明的装置，主要是通过8组舵机500提供动力，即第一舵机501、第二舵机502、第三舵机、第四舵机、第五舵机、第六舵机、第七舵机、第八舵机508。每个舵机500的一端均与一条牵引线301连接，每个舵机500可实现不同的角度变化，并拉动对应的牵引线301发生长度变化，从而带动第一节机械臂310和第二节机械臂320发生弯曲、扭转等变化，进而控制机械臂300的运动方向，镜头800即固定在第二节机械臂320的前端，在机械臂300的驱动下即可将本装置运动到探测目标处，并将镜头800对准探测目标，对展开物质识别和检测。

在本实施例中，第一节机械臂310和第二节机械臂320的结构完全相同，并且每节由4个舵机500进行控制，在空间上，每节机械臂可实现四个自由度的改变，在其他需求的情况下，机械臂300的节数可以自由增加或减少，机械臂300节数增加后可在空间上实现更复杂的运动，与之对应的舵机500数量也需要进行同步增加或减少。

第一节机械臂310和第二节机械臂320之间通过万向节700进行连接，并面连接结构对每节机械臂300产生空间运动限制和影响，万向节700可保证每节机械臂300之间不会产生相互影响，万向节700主要包括公环302、母环303和连接圆环304，连接圆环304用于连接在机械臂300上，连接固定可通过螺栓或插销实现，万向节700属于现有结构，具体结构形状在此不作赘述。

第一节机械臂310和第二节机械臂320的结构相同，在此仅以第二节机械臂320的结构进行说明，第二节机械臂320包括第二舵盘321、第二波纹管322和驱动弹簧323，第二舵盘321的数量为4，并同轴设置在第二波纹管322内，在每个第二舵盘321的侧面均开有4个用于固定驱动弹簧323的弹簧槽，驱动弹簧323将4个第二舵盘321连接在一起，并且牵引线301通过驱动弹簧323的内部空间连接在最右侧的第二舵盘321上，即最靠近镜头800的第二舵盘321，在舵机500的拉动下，牵引线301的长度发生变化，通过压缩第二舵盘321的一侧或者多侧，导致第二舵盘321发生反方向的沿轴线方向的弯曲，实现整体运动方向或空间位姿的变化。同理，第一节机械臂310也包括第一舵盘311、第一波纹管312和驱动弹簧323，具体结构与第二节机械臂320相同，不做赘述。

去噪单元主要用于排空镜头800与探测目标间的环境水，避免环境水大量吸收探测光，对获取的反射光产生噪声影响。本发明涉及了气泵400，在气泵400中存储适量的压缩气体，并可通过系统控制实现气阀的开启和关断，气体通过气管401传输至镜头800的第一气管接口801和第二气管接口803中。第一气管接口801、第二气管接口和光纤402均集成在光纤保护套104中，并将其设置在机械臂300中，并且需要保证其不会影响机械臂300的运动。

为进一步说明本发明的运动控制，下述以单节机械臂300的运动为例进行理论分析，机械臂300的正运动学问题是在给定的驱动量之后获得机械手末端在空间中的姿态，在每节机械臂300中，牵引线301为4条，舵机500拉动前，牵引线301的长度为；设定舵机500拉动t时间内，牵引线301的长度变化量为/>，/>，其中，/>表示牵引线301的收缩极限，/>表示牵引线301的拉伸极限，/>的角标j表示牵引线301的编号，t为一设定不为零的时间段；舵机500拉动t时间后，牵引线301的长度为；

则牵引线301的驱动变量表示为，牵引线301的关节变量表示为/>，其中：

表示机械臂300的扭转角度，具体为：

；

表示机械臂300的弯曲角度，具体为：

，其中，/>表示牵引线301所在圆的半径；

表示机械臂300的曲率半径，具体为：

。

以机械臂300的最右侧舵盘中心为原点、以轴线为z轴建立右手坐标系Y，以最左侧舵盘中心为原点以轴线、以轴线为z轴建立右手坐标系X，则坐标系X中一点在坐标系Y中可以表示为，即：

；

其中，c代表cos函数，s代表sin函数。

因此，当得到牵引线301的变化长度则可以得到末端的空间坐标，则机械臂300靠近镜头800端的坐标与牵引线301的关系式为：

；

其中，第一节机械臂310的最远离镜头800的第一舵盘311所在平面的坐标系，/>第二节机械臂320的最靠近镜头的第二舵盘321所在平面的坐标系；

表示旋转坐标系，具体为：

，P₁表示初始位置坐标，P₂表示最终位置坐标；

表示平移坐标系，具体为：

。

进一步的当得到探测目标的具体位置时，需要通过控制舵机500使本发明的装置由初始坐标位置/>到达需求位置，两个位置之间的误差为/>，通过最优化方法可求得具体的驱动长度，最优化方法属于现有技术，不在本发明的保护范围之内，在此不做赘述。

图5示出了根据本发明实施例提供的神经网络算法。

如图5所示，作为一种可选的实施例，镜头800获取探测目标的光谱后，将一维光谱数据输入训练后的BP神经网络中，获得探测目标的具体性质。在本实施例中BP网络预训练模型包含n个输入层，4个隐藏层，1个输出层，其中n为输入数据的维度。对于神经网络的训练与现有技术相同，在此不做赘述。

本发明还使用了SVM及深度神经网络等多种神经网络替换BP神经网络，识别精度均不低于80%，最后出于可靠性选取了BP神经网络模型作为检测算法，通过训练权重参数W1、W2得到完整的识别模型。

未验证本发明的有效性，本发明装置经实际测试可在10m深水域进行红外光谱探测。本发明结合深水域耐压材料及结构设计，完全可以实现深水域水下原位探测。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于线驱动机械臂的水下探测装置，其特征在于，包括：探测单元、动力单元和去噪单元；

所述探测单元中，光源和光谱仪通过光纤耦合器合束后，与镜头连接；

所述动力单元中，至少四组舵机通过牵引线与至少一节机械臂连接，所述舵机通过拉动所述牵引线改变所述机械臂的运动方向；

所述机械臂包括二节，且每节所述机械臂的结构相同，远离所述镜头的机械臂为第一节机械臂，靠近所述镜头的机械臂为第二节机械臂，所述机械臂包括舵盘、波纹管和驱动弹簧；

在每节所述机械臂中，所述牵引线为四条；

所述舵机拉动前，所述牵引线的长度为；

所述舵机拉动t时间内，所述牵引线的长度变化量为，/>，其中，/>表示所述牵引线的收缩极限，/>表示所述牵引线的拉伸极限，/>的角标j表示所述牵引线的编号；

所述舵机拉动t时间后，所述牵引线的长度为；

所述牵引线的驱动变量表示为，所述牵引线的关节变量表示为/>，其中：

表示所述机械臂的扭转角度，具体为：

；

表示所述机械臂的弯曲角度，具体为：

，其中，/>表示所述牵引线所在圆的半径；

表示所述机械臂的曲率半径，具体为：

；

则所述机械臂靠近所述镜头端的坐标与所述牵引线的关系式为：

；

其中，所述第一节机械臂的最远离所述镜头的所述舵盘所在平面的坐标系，所述第二节机械臂的最靠近所述镜头的所述舵盘所在平面的坐标系；

表示旋转坐标系，具体为：

，P₁表示初始位置坐标，P₂表示最终位置坐标；

表示平移坐标系，具体为：

；

所述去噪单元中，气泵通过气管与排气口连接，所述排气口吹出气体，用于吹开所述镜头与探测目标间的水。

2.如权利要求1所述的基于线驱动机械臂的水下探测装置，其特征在于，所述光谱仪采用红外光谱仪、近红外光谱仪、可见光谱仪、紫外光谱仪、拉曼光谱仪中一个或多个的组合。

3.如权利要求1所述的基于线驱动机械臂的水下探测装置，其特征在于，所述镜头为柱状结构，其包括可拆卸的前端镜头和后端镜头，所述后端镜头的轴线位置开有光纤接口，所述光纤接口用于连接所述光纤；

所述前端镜头与所述光纤接口对应的位置设置有透镜，用于保护所述镜头不受水破坏；

所述光纤接口的边侧开有至少二个气管接口，所述气管接口用于连接所述气管，所述气管接口与所述前端镜头上的所述排气口连接，所述排气口可采用点状排气口或环形排气口。

4.如权利要求1所述的基于线驱动机械臂的水下探测装置，其特征在于，所述机械臂之间通过万向节连接，所述万向节包括公环、母环和连接圆环。

5.如权利要求4所述的基于线驱动机械臂的水下探测装置，其特征在于，在每节所述机械臂中，所述舵盘为四个，同轴设置在所述波纹管内，且其表面开有四个用于连接所述驱动弹簧的弹簧槽，所述驱动弹簧将所述舵盘连接在一起。

6.如权利要求5所述的基于线驱动机械臂的水下探测装置，其特征在于，在每节所述机械臂中，所述牵引线设置在所述驱动弹簧内，并连接在最接近所述镜头的所述舵盘上。

7.如权利要求1所述的基于线驱动机械臂的水下探测装置，其特征在于，通过神经网络识别所述光谱仪获取的探测目标光谱。

8.如权利要求7所述的基于线驱动机械臂的水下探测装置，其特征在于，所述神经网络采用BP神经网络。