CN118163919A - 一种海底自主拾取机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底自主拾取机器人，属于海洋机器人技术领域。包括车体外壳、位于车体外壳上方的浮力块和位于车体外壳两侧的外壳侧翼挡板，车体外壳一端的中央处活动设置有机械臂结构，车体外壳另一端的中央处电性连接有通信天线，车体外壳的内部套设有舱体结构，车体外壳的底部安装有驱动结构。本发明提供的一种海底自主拾取机器人，在最大程度上节省能源消耗，延长作业时间和增大作业能力，采用的气瓶与电池更换便捷，通过短时间维护便可持续作业。能以悬浮或爬行两种状态运动，且利用轮式可调浮力仓提供的浮力不同，控制车体进行全方向角度调整，跨越障碍能力更强与地形适应通过能力更强。
Description
技术领域
本发明涉及海洋机器人技术领域，尤其是涉及一种海底自主拾取机器人。
背景技术
目前现有技术仍存在以下不足：1)无人潜航器的使用需要受成本和水下通信技术的制约，有时为了执行深海海底调查和采样任务，通常需要遥控潜水器(ROV)和带有动态定位系统(DPS)的大型研究船(RV)。然而，这种安排的总成本超出了大多数中型研究项目的预算计划。2)由于水下通信尚未发生任何重大革命，大多数无人潜航器都会发送系绳进行视频传输，控制车辆，有时甚至是电力传输，而CTD绞盘系统也给水下系统的设计带来了制约，包括水下系统在空中和水中的重量必须小于1000公斤；绞盘电缆没有电源或功率有限；操作深度受电缆长度的限制；数字通信的有效性以非线性方式受电缆长度的影响，ROV通过系留电缆进行车辆和地面计算机之间的供电和数据交换，系留电缆的存在将ROV限制在有限的应用中，并使其容易受到障碍物的影响，作业范围有限。且如果目标点位附近泥沙较软，并且ROV降速不及时，ROV的螺旋桨会吹起大量泥沙，ROV须等待泥沙消散，并且画面清晰后才能继续后续操作，严重影响施工效率。3)国内能够开展深水安装作业的施工单位很少，故难以采用国外观测网的定位布放手段。国内在深海作业条件下，采用钢丝绳吊放方案，钢丝绳长度可达数千米。当吊放设备近海底时，由于涌浪及海流的共同作用，吊放状态水下设备的摆动幅度可达十多米，无法完成精准定点布放作业。4)海底机器人的建造和维护的成本很高，当机器人变得稍微庞大一点时，便需要额外的人力和机械设备，系统的运行和操作成本将随之上升，这也限制了海底机器人的使用范围。
发明内容
本发明的目的是提供一种海底自主拾取机器人，解决了现有技术成本高、施工效率低、定位数据不连续、更新不及时、定位精度不可控和适应能力差的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种海底自主拾取机器人，包括车体外壳、位于车体外壳上方的浮力块和位于车体外壳两侧的外壳侧翼挡板，车体外壳一端的中央处活动设置有机械臂结构，车体外壳另一端的中央处电性连接有通信天线，车体外壳的内部套设有舱体结构，车体外壳的底部安装有驱动结构。
优选的，机械臂结构包括水下机械臂，水下机械臂通过转轴活动安装在车体外壳外表面中央处，水下机械臂的顶端安装有水下照明灯和水下摄像机。
优选的，浮力块的中央处开设有与水下机械臂相适配的机械臂回收槽，机械臂回收槽的一侧开设有设备固定锁扣。
优选的，设备固定锁扣包括固定底座和活动锁舌，活动锁舌位于浮力块正上方，活动锁舌的下端与车体外壳相连接，活动锁舌用于穿过加工在固定底座中心的光轴的中心孔。
优选的，舱体机构包括天线倾斜基座，天线倾斜基座外部两侧均开设有电池放置舱，且电池放置舱通过外壳侧翼挡板进行固定与密封，每个电池放置舱两侧均开设有气瓶放置舱。
优选的，驱动机构包括水下电机与驱动舵机，水下电机的外壳固定于车体外壳下方固定座，转子通过法兰座与车轮外壳相连接，水下电机转动带动车轮旋转，车轮内部为进行浮力调节的气仓，气仓远离车体的一端为推水页驱动舵机，驱动舵机作为旋转车轮内部的一部分，仅用于驱动推水页展开或闭合，驱动舵机与水下电机无直接相联的传动装置，驱动舵机被固定于车轮外壳外端十字固定架上，驱动舵机旋转轴与旋转圆盘相连接，旋转圆盘设置有若干环绕圆心的通孔，每个通孔与辐条推杆的一端转动连接，每个辐条推杆的另一端与活动推水页活动连接，每个活动推水页通过浮力调节式车轮外壳上的轴承孔进行两端固定。
优选的，浮力调节式车轮外壳为滚筒状结构。
优选的，活动推水页为弧形页结构。活动推水页通过浮力调节式车轮外壳转轴孔进行两端固定，一侧与辐条推杆相联，辐条推杆活动时，与之相联的活动推水页与浮力调节式车轮外壳之间的夹角则会改变。
因此，本发明采用上述结构的一种海底自主拾取机器人，具备以下有益效果：
(1)本发明采用轮式可调浮力仓进行整体浮力调整，最大程度上节省能源消耗，延长作业时间和增大作业能力，且采用的气瓶与电池更换便捷，通过短时间维护便可持续作业。
(2)本发明不受系留电缆等外部连接设备制约，作业半径更大；与海底行进机器人相比，本发明非单一海底爬行运动状态，能以悬浮或爬行两种状态运动，且利用轮式可调浮力仓提供的浮力不同，控制车体进行全方向角度调整，跨越障碍能力更强与地形适应通过能力更强。
(3)本发明从设备购置成本、运行成本、维护成本等综合考虑，优化设备购置、运行和维护成本，实施标准化和模块化设计，优化供应链管理，以及采用最新的技术提高效率等。
(4)本发明实现了在水中运动并对海洋设备进行拾取，车轮内部气仓能够实现浮力大小的调节，车轮外壳活动推水页可由舵机进行角度调节，在潜航状态时开启推水页，推水页的夹角不同推水能力不同，四驱车轮也可实现每个车轮的单独转速控制，使其车体运动更加灵活，需要在海底进行运动时，推水页由舵机控制全部闭合，从而实现在海底底质上运动。该机器人由于推进噪音低，具有低功耗高静音的特点，潜航时间长和续航能力强，可对特定海域进行高精度大范围的设备布放和回收观测，能有效提高海洋环境下的工作效率，是现有水下作业手段的有效补充。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明一种海底自主拾取机器人的结构示意图；
图2为本发明一种海底自主拾取机器人的内部结构示意图；
图3为本发明一种海底自主拾取机器人的活动推水页展开时结构示意图；
图4为本发明一种海底自主拾取机器人的活动推水页闭合时结构示意图；
图5为本发明一种海底自主拾取机器人的浮力块平面示意图；
图6为本发明一种海底自主拾取机器人的作业流程示意图；
附图标记
1、车体外壳，2、水下机械臂，3、水下照明灯，4、水下摄像机，5、浮力块，6、设备固定锁扣，61、固定底座，62、活动锁舌，7、机械臂回收槽，8、通信天线，9、外壳侧翼挡板，10、水下电机，11、气瓶放置舱，12、无线倾斜基座，13、电池放置舱，14、驱动舵机，15、活动推水页，16、浮力调节式车轮外壳，17、辐条推杆，18、旋转圆盘。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
实施例
如图1-6所示，本发明提供了一种海底自主拾取机器人，包括车体外壳1、位于车体外壳1上方的浮力块5和位于车体外壳1两侧的外壳侧翼挡板9，车体外壳1一端的中央处活动设置有机械臂结构，车体外壳1另一端的中央处电性连接有通信天线8，车体外壳1的内部套设有舱体结构，车体外壳1的底部安装有驱动结构。
机械臂结构包括水下机械臂2，水下机械臂2通过转轴活动安装在车体外壳1外表面中央处，水下机械臂2的顶端安装有水下照明灯3和水下摄像机4。
浮力块5的中央处开设有与水下机械臂2相适配的机械臂回收槽7，机械臂回收槽7的一侧开设有设备固定锁扣6。
设备固定锁扣6包括固定底座61和活动锁舌62，活动锁舌62位于浮力块5正上方，活动锁舌62的下端与车体外壳1相连接，活动锁舌62用于穿过加工在固定底座61中心的光轴的中心孔。
舱体机构包括天线倾斜基座12，天线倾斜基座12外部两侧均开设有电池放置舱13，且电池放置舱13通过外壳侧翼挡板8进行固定与密封，每个电池放置舱13两侧均开设有气瓶放置舱11。
驱动机构包括水下电机10与驱动舵机14，水下电机10通过车体外壳1下端的固定座进行固定，电机输出轴与车轮整体相连接，驱动舵机14与旋转圆盘18连接，旋转圆盘18设置有若干环绕圆心的通孔，每个通孔与辐条推杆17的一端转动连接，每个辐条推杆17的另一端与活动推水页15活动连接，每个活动推水页15通过浮力调节式车轮外壳16上的轴承孔进行两端固定，且驱动舵机14固定于浮力调节式车轮外壳16外端的十字固定架上。浮力调节式车轮外壳16为滚筒状结构。活动推水页15为弧形页结构。活动推水页15通过浮力调节式车轮外壳16转轴孔进行两端固定，一侧与辐条推杆17相联，辐条推杆17活动时，与之相联的活动推水页15与浮力调节式车轮外壳16之间的夹角则会改变。
工作原理：
该海底机器人采用水下声学导航定位与通信、轮式气舱内外压平衡调节潜浮、视觉引导机械臂定点拾取、自主智能多模态地形运动控制、路径规划与动态避障等技术。
水下通信技术通常依赖声纳系统，机器人可配备前视声纳和侧扫声纳，这些设备可以检测到前方和侧面的障碍物。前视声纳提供实时数据，帮助机器人避开其前进路径中的障碍，侧扫声纳提供宽范围的海底图像，有助于识别潜在的障碍物。
机器人利用四个轮式气浮舱进行调节，通过改变车轮内部空仓的体积改变单个车轮浮力，四个车轮所提供的浮力相同时可通过调节大小实现上浮、下潜、悬停状态，当四个车轮浮力各不同时可实现翻转等任意姿态的变换，利用车轮外壳上可调整角度的活动推水页，可进行水下推动力调整。
机器人前端搭载水下摄像机与水下机械臂，水下相机获取海底地貌信息与待拾取的装备状态，系统给出一种拾取判断方法和拾取流程使水下机械臂使用视觉定位和机械臂轨迹规划相结合的方法对水下装备完成定点拾取操作。
该海底机器人由海面工作船投放入水，此时车体在浮力块、车轮气体舱及海水所提供的浮力状态下处于漂浮状态，待车轮气体舱开始减小密封气体体积后，机器人下沉至海底平面，车载长基线定位系统根据固定在海底的声学信标接收来自各个信标的信号，并通过测量声波传播时间来确定其与各信标之间的距离，从而确定位置。
机器人通过车轮运行至工作目标点，在运动过程中如遇障碍采用前视声纳进行避障及路径规划，或可采用上浮跨越下潜进行避障，行进至目标点附近后，水下相机根据建立双目立体成像模型，进行对应点像素匹配，重建3D点云。采用基于颜色校正和暗原色先验的水下图像增强算法对左、右水下图像进行图像增强处理。最后，构建对准叠加模型将3D点云和二维彩色数据叠加融合，获得水下RGB-D图像数据，得出机械臂拾取的合适角度，根据水下机械臂的运动学模型，利用蒙特卡洛法分析水下机械臂的工作空间，合理设置机械臂连杆参数及关节转角范围；利用五次多项插值法对机械臂采样过程进行轨迹规划，保证各驱动关节运动的平稳性，机械臂将需拾取的水下装备置于车体顶部装备环形锁扣，环型锁启动锁住设备卡环，机械臂完成工作流程后回归与车体上部折叠凹槽。此时，调节一侧车轮浮力，待车体发生颠覆后再次平衡四个车轮浮力，此时设备位于车体正下方，车轮增加浮力将设备带离海底。
海底机器人在多次工作后，气瓶气体或电池组能源将会耗尽，此时拆除车体两侧防护板后可对气瓶或电池组进行便捷性更换，以便海底机器人可以重复循环工作，提高工作量。
因此，本发明采用上述的一种海底自主拾取机器人，在最大程度上节省能源消耗，延长作业时间和增大作业能力，且采用的气瓶与电池更换便捷，通过短时间维护便可持续作业。能以悬浮或爬行两种状态运动，且利用轮式可调浮力仓提供的浮力不同，控制车体进行全方向角度调整，跨越障碍能力更强与地形适应通过能力更强。并且具有低功耗高静音的特点，潜航时间长和续航能力强，可对特定海域进行高精度大范围的设备布放和回收观测，能有效提高海洋环境下的工作效率，是现有水下作业手段的有效补充。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种海底自主拾取机器人，其特征在于：包括车体外壳、位于车体外壳上方的浮力块和位于车体外壳两侧的外壳侧翼挡板，车体外壳一端的中央处活动设置有机械臂结构，车体外壳另一端的中央处电性连接有通信天线，车体外壳的内部套设有舱体结构，车体外壳的底部安装有驱动结构。
2.根据权利要求1所述的一种海底自主拾取机器人，其特征在于：机械臂结构包括水下机械臂，水下机械臂通过转轴活动安装在车体外壳外表面中央处，水下机械臂的顶端安装有水下照明灯和水下摄像机。
3.根据权利要求2所述的一种海底自主拾取机器人，其特征在于：浮力块的中央处开设有与水下机械臂相适配的机械臂回收槽，机械臂回收槽的一侧开设有设备固定锁扣。
4.根据权利要求3所述的一种海底自主拾取机器人，其特征在于：设备固定锁扣包括固定底座和活动锁舌，活动锁舌位于浮力块正上方，活动锁舌的下端与车体外壳相连接，活动锁舌用于穿过加工在固定底座中心的光轴的中心孔。
5.根据权利要求1所述的一种海底自主拾取机器人，其特征在于：舱体机构包括天线倾斜基座，天线倾斜基座外部两侧均开设有电池放置舱，且电池放置舱通过外壳侧翼挡板进行固定与密封，每个电池放置舱两侧均开设有气瓶放置舱。
6.根据权利要求5所述的一种海底自主拾取机器人，其特征在于：驱动机构包括水下电机和驱动舵机，水下电机的外壳固定于车体外壳下方固定座，转子通过法兰座与车轮外壳相连接，水下电机转动带动车轮旋转，车轮内部为进行浮力调节的气仓，气仓远离车体的一端为推水页的驱动舵机，驱动舵机作为旋转车轮内部的一部分，仅用于驱动推水页展开或闭合，驱动舵机与水下电机无直接相联的传动装置，驱动舵机被固定于车轮外壳外端十字固定架上，驱动舵机旋转轴与旋转圆盘相连接。
7.根据权利要求6所述的一种海底自主拾取机器人，其特征在于：浮力调节式车轮外壳为滚筒状结构。
8.根据权利要求7所述的一种海底自主拾取机器人，其特征在于：活动推水页为弧形页结构。
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