CN211139628U - 一种适用于水下作业的遥控机器人 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种适用于水下作业的遥控机器人，包括水下机器人、水上浮台和用户终端三部分。水下机器人为主要工作部分，可以实现水下视频检测，机械手动作。水上浮台为辅助部分，作为操控指令从水面进入水下的媒介，减少指令信号衰弱，同时，又可以作为离岸电源为水下机器人工作提供动力来源，减少水下机器人的负重，增加灵活性与续航时间。用户终端作为操控指令的发送端以及数据信息的收集端。该水下机器人通过4G通信的方式连接上附近的4G信号基站从而接入互联网，实现远程遥控的功能。并具备自动寻址功能。
Description
技术领域
本实用新型涉及机器人领域，具体地说是一种适用于水下作业的遥控机器人。
背景技术
现有适用的水下机器人主要有自治水下机器人(AUV)和有缆水下机器人(ROV)，AUV是一种偏智能化的水下机器人，无需人为操控便能独自完成水下作业任务，自身需要装备供电系统以及电源。ROV是一种通过缆线实现通信控制的水下机器人，主要由水上控制系统和水下机器人两部分组成，水面带线缆的控制系统决定了ROV的工作范围。ROV通过缆线实现信号传输，传输信号质量好，衰减少。但是由于水下机器人工作时活动范围较为灵活，作业区较远时仅靠人的视觉观察难以操控水下机器人准确到达目的地，而且运动过程中，缆线的长短缺少有效的调控，容易发生缠绕事故。
实用新型内容
针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种利用4G物联网技术且适用于水下作业的遥控机器人，达到解决现有水下机器人续航短、线缆易缠绕、难以准确到达目的地等问题的目的。
为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种适用于水下作业的遥控机器人，包括水下机器人、水上浮台和用户终端；水上浮台包括浮台和设在浮台周围的浮球，浮台上安装有电池、4G物联网云盒子PLC远程控制模块、GPS定位器和卷线机构；水下机器人包括框架、浮体、螺旋桨和用于采集图像信息的摄像头，浮体安装在框架上侧，螺旋桨安装在框架上；水下机器人和水上浮台通过电缆信号传输连接，水上浮台与用户终端通过4G物联网技术连接；用户终端用于获取实时图像与数据并控制水下机器人运动；卷线机构用于卷绕收放电缆，包括转轴和带动转轴转动的步进电机；电池为步进电机和水下机器人供电。采用这种结构后，利用水上浮台作为水下机器人和用户终端的中转平台，用户终端与水上浮台通过4G信号传输，无需地面线缆供电，相对于ROV降低了因使用电缆而导致的工作范围局限性。使用卷线机构收放电缆，水下机器人与水上浮台的相对位置改变的同时卷线机构同步对其之间的电缆进行收放，减少缠线事故的发生。
作为一种优选，水下机器人还设有机械手，机械手包括第一手指、第二手指、防水舵机和支架，防水舵机安装在支架上，第一手指和第二手指的连接端分别铰接在支架上，第一手指和第二手指的连接端为齿轮结构，两连接端的齿轮相互啮合实现传动，防水舵机为第一手指提供驱动力。采用这种结构后，仅使用一个驱动源即可实现机械手的手指开合以实现抓放动作，保证第一手指和第二手指的同步性。
作为一种优选，水下机器人的浮体的材料为高强度聚氨酯泡沫，浮体外表面涂覆油漆层。采用这种结构后，浮体增加水下机器人的浮力，浮体的设置以水下机器人总浮力略大于其重量为限。在浮体外面涂覆油漆层，提高其抗冲击性和腐蚀性。
作为一种优选，水下机器人还包括安装在框架上的水下灯和透明的密封舱，以及安装在密封舱内的PLC控制器、陀螺仪、温度传感器、深度传感器；摄像头安装在密封舱内；水下灯与水平面的夹角为5°。采用这种结构后，使水下灯对摄像头前下方进行照明。
作为一种优选，电缆为零浮力电缆。
作为一种优选，水上浮台还包括设在浮台上的浮台盖，浮台盖上端为伞状结构，下端设有四根支撑柱，浮台盖的投影面积大于浮台的投影面积。
作为一种优选，密封舱包括舱筒、半球罩、密封盖、法兰，半球罩通过法兰连接在舱筒的一端，密封盖连接在舱筒的另一端；半球罩与法兰、舱筒与法兰、舱筒与密封盖之间均设有密封圈；密封盖上设有防水接口。采用这种结构后，外部的电缆和电源线可以从防水接口接入密封舱内。
作为一种优选，密封舱通过骑马卡与框架过盈配合安装，骑马卡上套设有U型橡胶。
作为一种优选，水下机器人设有三个螺旋桨，分布在水下机器人的顶部中央以及尾部的两端，通过螺栓连接在框架上。采用这种结构后，顶部的螺旋桨用于实现水下机器人的上浮和下潜，尾部两端的螺旋桨用于实现水下机器人的左右转弯、前进和后退。
作为一种优选，浮台正中心设有用于穿过电缆的通孔。采用这种结构后，使水上浮台运动时的重心落在中央。
总的说来，本实用新型具有如下优点：
1.本实用新型采用水上浮台+水下机器人的结构，加入水上浮台作为中转平台，实现了远程遥控机器人，扩大了机器人作业范围。同时，水上浮台上搭载电池，既为水下机器人提供电力续航，又能将大部分重量(即电池的重量)从水下机器人转移至水上浮台，使得水下机器人更加轻便、灵活。
2.浮体通过与框架过盈配合固定在框架顶部，使水下机器人总浮力略大于其重量，保证了水下机器人的灵活性与稳定性。在浮体外面涂覆油漆层，提高其抗冲击性和腐蚀性。
3.水下机器人主体框架采用铝型材制成，铝型材相对于塑料等其他材料有更好的刚度强度且易于拼接组装，便于改进。还能增强其与其他漂浮物碰撞时的对抗性。
4.水上浮台周围均匀分布设置的浮球可避免出现侧翻等问题。浮台上安装卷线机构，扩大水下机器人的活动范围，减少缠线事故的发生；同时浮台上用于穿过电缆的通孔设置在浮台正中央，使水上浮台运动时的重心落在中央。在浮台内部放置栅格，便于电池、4G物联网云盒子PLC远程控制模块、GPS定位器的安放及固定。
5.GPS定位器设置在浮台上，用户通过用户终端的电脑手动规划路线，水下机器人根据用户规划的路线遍历航迹点自动寻址到目的地。在水下机器人自动寻址时，负责上浮下潜的顶部的螺旋桨不工作，利用水下机器人总浮力大于重力的特性，使水下机器人漂浮在水面上运动，简化SLAM算法。并通过图像识别技术避障，在绕开障碍物后自动返回预先设定的路线。
6.用户的控制指令和水下机器人获取的数据、图像等信息分别通过4G通信的方式连接上附近的4G信号基站从而接入互联网，实现远程遥控的功能，方便操作人员的远距离或异地监控操作。
附图说明
图1是本实用新型的整体示意图。
图2为水下机器人的一个视角结构示意图。
图3为水下机器人的另一个视角结构示意图。
图4为机械手的结构示意图。
图5为水下机器人的框架的结构示意图。
图6为密封舱的剖视图以及局部视图。
图7为水上浮台的结构示意图。
图中的标号和对应的零部件名称为：1-水下机器人，2-水上浮台，3-用户终端，4-4G基站，5-电缆，6-螺旋桨，7-浮体，8-密封舱，9-机械手，10-水下灯，11-浮台盖，12-锂电池，13-浮球，14-4G物联网云盒子PLC远程控制模块和GPS定位器，15-步进电机，16-卷线机构，17-机械手的支架，18-防水舵机，19-第一手指，20-第二手指，21-舱筒，22-半球罩，23-密封盖，24-法兰，25-摄像头，26-密封圈，27-防水接口，28-浮台。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本实用新型做进一步详细的说明，但本实用新型的实施方式不限于此。
一种适用于水下作业的遥控机器人，包括水下机器人、水上浮台和用户终端。
水下机器人由框架、三个螺旋桨、机械手、密封舱、浮体、水下灯和摄像头组成。密封舱内放置有PLC控制器、陀螺仪、温度传感器和深度传感器。框架采用铝型材制成，由8根x轴型材、7根y轴型材构成三级框架；4根z轴型材连接三级框架形成两层空间。其中xyz三轴型材的连接方式为使用三通连接，xy、xz、yz两轴型材的连接方式为使用角码连接。浮体安装在框架上层空间，三个螺旋桨分别布置在水下机器人的顶部中央以及尾部的两端，用螺栓固定在型材上。通过电子调速器驱动不同螺旋桨的转动停止以及转速，实现水下机器人的不同姿态运动。机械手安装在框架前端，密封舱通过骑马卡过盈配合安装在框架下层中部，为了避免骑马卡损坏密封舱以及密封舱固定更加稳定，可以在骑马卡上套设U型橡胶。摄像头安装在密封舱前端，水下灯通过骑马卡固定在框架上且与水平面之间的夹角为5°，水下灯的灯光正对着摄像头的前下方。
机械手包括防水舵机、支架、第一手指和第二手指，防水舵机安装在机械手的支架上，第一手指和第二手指的连接端分别铰接在支架上，第一手指和第二手指的连接端为齿轮结构，两连接端的齿轮相互啮合实现传动，防水舵机为第一手指提供驱动力。采用这种结构后，仅使用一个驱动源即可实现机械手手指的开合以实现抓放动作，保证第一手指和第二手指的同步性。当防水舵机收到正转信号，与防水舵机相连的第一手指顺时针转动，通过齿轮啮合带动第二手指张开。当防水舵机收到反转信号，与防水舵机相连的第一手指逆时针转动，通过齿轮啮合带动第二手指闭合。
密封舱由透明材料亚克力制成，由一个半球罩、一个舱筒、一个密封盖、一个法兰、三个O型密封圈组成，支持100米工作深度。半球罩通过法兰连接在舱筒的一端，密封盖连接在舱筒的另一端；半球罩与法兰、舱筒与法兰、舱筒与密封盖之间均设有O型密封圈；摄像头安装在法兰上。密封盖上有防水接口，线缆及数据线可通过此接口接入电子密封舱内。
防水接口的制作过程为：在密封盖上设置通线孔，放入数据线和电源线后，在通线孔灌入AB胶密封形成防水接口，密封完成后还需进行水密性实验，确定密封舱完全密封。
水下机器人的浮体的材料为高强度聚氨酯泡沫，使水下机器人总浮力略大于其重量。在浮体外面涂覆油漆层，提高其抗冲击性和腐蚀性。浮体通过与框架的过盈配合固定在框架顶部。浮体中间开孔开槽，用于放置框架顶部中央的螺旋桨。
水上浮台包括浮台、设在浮台周围的浮球和设置在浮台上的浮台盖，浮球为浮台提供浮力。由于水上浮台呈三棱台结构，可避免侧翻。浮台为圆盆结构，浮台正中央开设有通孔，通孔上方安装卷线机构，电缆从通孔穿出，使水上浮台运动时的重心落在中央。卷线机构用于卷绕收放电缆，包括转轴和带动转轴转动的步进电机，电缆使用零浮力电缆。在浮台内部放置栅格，栅格内设置有锂电池、4G物联网云盒子PLC远程控制模块、GPS定位器的安放及固定，大容量锂电池容量为400AH。
浮台盖为伞状结构，上端为空心圆锥，下端设有四根支撑柱，浮台盖的投影面积大于浮台的投影面积。四根支撑柱与浮台内壁贴合且高于浮台边缘的高度，使浮台盖与浮台配合后中间留有空隙。能防止雨天雨水进入浮台内部，同时避免阻碍4G信号的传输。
用户终端由电脑和遥控手柄组成。
操作人员将电脑通过4G通信模块接入互联网进行通信，负责接收、处理、发送相关的数据和指令，是用户终端的核心部分。水温、深度、姿态和摄像头传回的图像等数据信息可以显示在电脑的屏幕上；用户使用电脑可以对水下机器人的航行路线手动进行规划；用户通过连接电脑的遥控手柄上的遥杆和按键可以实现以下操作：1.控制螺旋桨正反转、转速快慢进而实现水下机器人的上浮下沉、左右转向、前进后退；2.控制机械手张开闭合，实现对物体的抓取。3.控制步进电机运行进而控制电缆的收放。
本发明的工作原理是：水下机器人通过电缆与水上浮台连接放置水中；电缆内部的电线芯数由电源线和所用模块连接的数据线决定。通过GPS定位器确定水下机器人的位置后，用户在电脑上手动规划路线，水下机器人根据用户规划的路线遍历航迹点自动寻址到目的地，在自动寻址时，通过图像识别技术避障，在绕开障碍物后自动返回预先设定的路线。在水下机器人到达目的地后，用户通过遥控手柄控制水下机器人进行工作以及作业。
操控人员通过遥控手柄对水下机器人进行远程遥控，在电脑显示屏上可以观看从摄像头传回的水下影像。
操控人员通过拨动不同的摇杆控制水下机器人的螺旋桨和卷线机构的步进电机的运动。摇杆的摆动方向和幅度大小经过遥控手柄的控制器处理会产生对应的数值，电脑与遥控手柄之间通信获取信息由网络发送出去，浮台上的4G物联网云盒子PLC远程控制模块接收数据，从而水下机器人的PLC控制板控制执行对应的运动。
左侧摇杆前推，水下机器人尾端的两个螺旋桨正转，摇杆摆的幅度越大，螺旋桨转速越大，水下机器人实现快速前进；摇杆后推，尾端两个螺旋桨反转，水下机器人实现后退；摇杆左推，水下机器人尾端左螺旋桨反转，右螺旋桨正转，水下机器人实行左转；摇杆右推，水下机器人尾端左螺旋桨正转，右螺旋桨反转，水下机器人实行右转。前后推动右侧摇杆则控制水下机器人顶部螺旋桨的正反转和转速快慢，进而实现水下机器人的上浮和下潜。左右推动右侧摇杆控制卷线机构的步进电机的正反转和转速快慢，进而控制电缆的收放。
同理，操控人员通过遥控手柄上的按键控制水下机器人的机械手的手指的张合、水下灯的开关、摄像头的开关。水下灯打开，摄像头工作时拍摄水下环境的图像，通过4G物联网云盒子PLC远程控制模块传到操控人员的电脑显示屏上进行观看，让操控人员了解水下情况，进而执行下一部操作。水下机器人放置的加速温度、陀螺仪可获取姿态数值；温度传感器可获取水下温度数值；深度传感器通过水压力数值解算为深度数据，这些数据可通过4G无线通信传到电脑显示屏上。
除了上述实施例提及的方式外，本实用可以作为渔业平台，水下机器人在水下作业，无需地面线缆供电。在监测水质时，可以在水下机器人上增加水质监测模块，监测和采集水体的溶解氧、温度、PH、ORP、电导率、浊度、盐度、氨氮、COD等数据，这些参数可为渔业活动的开展提供参考。用户终端还可以是手机或平板电脑等移动终端，利用手机或平板电脑进行监控和遥控。这些变换方式均在本实用新型的保护范围内。
上述实施例为实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：包括水下机器人、水上浮台和用户终端；
水上浮台包括浮台和设在浮台周围的浮球，浮台上安装有电池、4G物联网云盒子PLC远程控制模块、GPS定位器和卷线机构；
水下机器人包括框架、浮体、螺旋桨和用于采集图像信息的摄像头，浮体安装在框架上侧，螺旋桨安装在框架上；
水下机器人和水上浮台通过电缆信号传输连接，水上浮台与用户终端通过4G物联网技术连接；用户终端用于获取实时图像与数据并控制水下机器人运动；
卷线机构用于卷绕收放电缆，包括转轴和带动转轴转动的步进电机；电池为步进电机和水下机器人供电。
2.按照权利要求1所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：水下机器人还设有机械手，机械手包括第一手指、第二手指、防水舵机和支架，防水舵机安装在支架上，第一手指和第二手指的连接端分别铰接在支架上，第一手指和第二手指的连接端为齿轮结构，两连接端的齿轮相互啮合实现传动，防水舵机为第一手指提供驱动力。
3.按照权利要求1所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：水下机器人的浮体的材料为高强度聚氨酯泡沫，浮体外表面涂覆油漆层。
4.按照权利要求1所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：水下机器人还包括安装在框架上的水下灯和透明的密封舱，以及安装在密封舱内的PLC控制器、陀螺仪、温度传感器、深度传感器；摄像头安装在密封舱内；水下灯与水平面的夹角为5°。
5.按照权利要求1所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：电缆为零浮力电缆。
6.按照权利要求1所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：水上浮台还包括设在浮台上的浮台盖，浮台盖上端为伞状结构，下端设有四根支撑柱，浮台盖的投影面积大于浮台的投影面积。
7.按照权利要求4所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：密封舱包括舱筒、半球罩、密封盖、法兰，半球罩通过法兰连接在舱筒的一端，密封盖连接在舱筒的另一端；半球罩与法兰、舱筒与法兰、舱筒与密封盖之间均设有密封圈；密封盖上设有防水接口。
8.按照权利要求7所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：密封舱通过骑马卡与框架过盈配合安装，骑马卡上套设有U型橡胶。
9.按照权利要求1所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：水下机器人设有三个螺旋桨，分布在水下机器人的顶部中央以及尾部的两端，通过螺栓连接在框架上。
10.按照权利要求1所述的适用于水下作业的遥控机器人，其特征在于：浮台正中心设有用于穿过电缆的通孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200731 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |