一种基于全自由度的浅水水下机器人

1.本发明涉及潜水水域探测设备技术领域，更具体地说是涉及一种基于全自由度的浅水水下机器人。


背景技术：

2.现如今随着社会的进步，经济的发展，水下作业的设备也是达到了一定的高度。目前水下作业中出现了一种全自由度的水下机器人，此机器人是一种基于rov系统的浅水水域机器人，所谓rov就是一种通过缆线遥控操作的无人水下潜水器，该系统主要由甲板单元，绞车收放系统以及rov本体组成。命令通过线缆将指令传递给机器人本体，本体对命令做出反应，再由各种传感器将运动参数反馈给操作人员。基于全自由度的水下机器人，可以根据指令在水域空间内做任何运动方式的转换。
3.但是目前对于全自由度的水下机器人所要实现的俯仰、横滚运动，并没有很好的解决方案，缺少对俯仰、横滚运动方式控制系统的实现方式。
4.因此，如何提供一种不但能够使得水下机器人能够实现俯仰、横滚运动方式控制，且能够有效提高工作量效率的基于全自由度的浅水水下机器人是本领域亟需解决的技术问题之一。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种基于全自由度的浅水水下机器人。目的就是为了解决上述之不足而提供。
6.为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
7.分析此浅水水域机器人所要实现的功能，进行分步分块设计，建立运动学公式，分析动力装置的推力以及力矩，提出了螺旋桨推进器的布置方式，云台的设计充分考虑到水下机器人要实现俯仰，横滚这两种运动方式，提出了一种具有互相垂直的俯仰轴和横滚轴地平式t型结构的云台设计方式。然后逐步解决目前浅水水下机器人设计上的不足并针对性的提出改进方法。主要包括控制系统设计，动力驱动系统设计，机械结构设计，浮体材料的选择，以及最后的建模与仿真，证明了该机器人能够实现所要求的功能。具体包括：选用以rov系统为设计模型的水下机器人。
8.具体的，一种基于全自由度的浅水水下机器人，包括主体框架、底座、上壳、动力驱动系统、云台、观测和照明系统和机械臂；所述底座固定连接于所述主体框架下端，所述上壳固定连接于所述主体框架上端；所述云台通过安装槽板固定连接于所述主体框架内部；所述观测和照明系统通过安装板固定连接于所述主体框架一侧上端；所述机械臂通过连接板固定连接于所述主体框架的下端且位于所述观测和照明系统的下方设置；
9.所述动力驱动系统包括第一推进器和第二推进器；所述第一推进器固定设置于所述上壳内，所述第二推进器固定连接于所述主体框架上端下方。
10.优选地，所述第一推进器为采用双推平行布置方式布置的四个运动方向互相平行
的螺旋桨推进器。
11.优选地，所述第二推进器采用环形布置方式布置的四个螺旋桨推进器，且四个螺旋桨推进器可旋转角度；每个螺旋桨推进器均通过一个连接件固定连接于所述主体框架上端下方。
12.此方案的有益效果是：设计的可转动角度的螺旋桨推进器，能够让水下机器人在进行倾斜运动时，控制该螺旋桨推进器发生角度的变化，使得水下机器人可以恢复正常的水下运动方式。
13.优选地，所述云台采用的是地平式t型设计结构；所述云台包括微机械陀螺仪固定板、俯仰轴和横滚轴；所述横滚轴固定连接于所述安装槽板上；所述俯仰轴上端与所述横滚轴连接，其下端与所述微机械陀螺仪固定板活动连接；所述微机械陀螺仪固定板上设置有微机械陀螺仪，用于感知机器人本体位置及其角度的变化，并将位置改变产生信号传递给所述动力驱动系统的驱动电路板，来改变相应的方位。此时整个控制系统会将微机械陀螺仪现在偏转后的状态认为是与地面平行状态，而水下机器人本体方位是与地面倾斜的，为了重新调节回平行状态，驱动电路板会驱动水下机器人的中左、中右推进器运转，使整个水下机器人本体向右做横滚运动，进而实现机器人的横滚运动。
14.优选地，所述横滚轴和所述俯仰轴垂直设置。
15.上述技术方案的有益效果是：利用微机械陀螺仪的位置偏移和驱动电路板对螺旋桨的控制，可以实现横滚轴或者俯仰轴的转动，以此来达到控制水下机器人本体做出俯仰或者横滚这两个自由度的运动。
16.优选地，还包括超短基线，所述超短基线设置于所述上壳中部。
17.优选地，所述机械臂包括肩部、大臂、小臂、腕部和手爪；所述肩部一端与所述连接板固定连接，另一端与所述大臂一端轴接连接；所述大臂另一端与所述小臂一端轴接连接；所述小臂另一端与所述腕部轴接连接；所述手爪活动连接于所述腕部的前端。
18.优选地，所述手爪包括丝杆、手腕、2个手指连杆、移动螺母、2个手指拉杆和2个平动手指；所述丝杆一端与所述腕部固定连接，另一端穿过所述手腕并通过所述移动螺母连接；所述手腕的四周边通过导向光杆与所述腕部滑动连接；2个所述手指拉杆的一端分别轴接于所述移动螺母的两端侧；2个所述手指连杆的一端分别轴接于所述手腕的两端，中部分别与对应的1个所述手指拉杆的另一端铰接，2个所述手指连杆的另一端分别固定连接1个所述平动手指。
19.优选地，主体框架采用钛合金材料。主体框架要求能够满足水下机器人需要搭载各种的仪器设备的同时，又能够最大限度的减小水下机器人的总体重量，故综合比较分析，通过比较铝合金，钢材，钛合金等材料的弹性模量，质量密度，屈服力等参数，兼顾材料的强度和刚度以及材料质量对水下机器人整体稳定性的影响，选择了钛合金作为机器人的主体框架制作材料。对材料的选取完毕之后，还要进一步分析所选材料能否符合水下工作强度要求，通过solidworks仿真，证明了水下机器人的稳定性得到了良好的保证。
20.优选地，对于控制通信系统，采用的是线缆传输的方式实现人机的交互，岸上操作人员通过线缆向机器人本体传递各种指令，让水下机器人做出相应的动作；水下的各种情况通过摄像元器件，将视频图像信号通过线缆回传到主控制台；线缆在操作人员和水下机体之间架起了一座沟通的桥梁。
21.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
22.本发明可以实现水下机器人全自由度的动力驱动方式，能够保证机器人实现上升、下沉、前进、后退、横移、横滚、俯仰、偏航等运动方式，采用的基于rov系统的浅水水下机器人的设计模型，保证了在结构和控制系统设计上的稳固和便捷。同时机体所采用的钛合金材料，既能大幅度降低水下机器人本身的重力之外，同时也能满足自己的机械强度。机械臂的使用，能够在水里进行抓取，打捞等一些可以代替人工的操作，远远提升了在水下作业的安全性和可靠性。放置在云台上的摄像机可以实时回传水下的情况给操作人员，以便于操作人员下达下一步的指令。对上述浅水水域机器人的使用，能提高水下作业的效率。
附图说明
23.图1为本发明一种基于全自由度的浅水水下机器人的整体结构示意图；
24.图2、3为本发明一种基于全自由度的浅水水下机器人的内部结构示意图；
25.图4为本发明的地平式t型结构云台设计图；
26.图5为本发明的地平式t型结构云台的整体结构示意图；
27.图6为本发明的动力驱动系统中螺旋桨分布图；
28.图7为本发明的机械臂的整体结构示意图；
29.图8为本发明的手爪的整体结构示意图。
30.图中：1、主体框架；11、安装槽板；12、连接板；2、底座；3、上壳；4、超短基线；5、第一推进器；6第、二推进器；61、连接件；7、云台；71、微机械陀螺仪固定板；72、俯仰轴；73、横滚轴；8、观测和照明系统；9、机械臂；91、肩部；92、大臂；93、小臂；94、腕部；95、手爪；951、丝杠；952、手腕；953、手指连杆；954、移动螺母；955、手指拉杆；956、平动手指。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1
33.参照图1-8所示一种基于全自由度的浅水水下机器人，包括主体框架1、底座2、上壳3、超短基线4、动力驱动系统、云台7、观测和照明系统8和机械臂9；底座2固定连接于主体框架1下端，上壳3固定连接于主体框架1上端；云台7通过安装槽板11固定连接于主体框架1内部；观测和照明系统8通过安装板固定连接于主体框架1一侧上端；机械臂9通过连接板12固定连接于主体框架1的下端且位于观测和照明系统8的下方设置；超短基线4设置于上壳3中部；动力驱动系统包括第一推进器5和第二推进器6；第一推进器5固定设置于上壳3内，第二推进器6固定连接于主体框架1上端下方。第一推进器5为采用双推平行布置方式布置的四个运动方向互相平行的螺旋桨推进器。第二推进器6采用环形布置方式布置的四个螺旋桨推进器，且四个螺旋桨推进器可旋转角度；每个螺旋桨推进器均通过一个连接件61固定连接于主体框架1上端下方。
34.作为本实施例的优选或可选方式，云台7采用的是地平式t型设计结构；云台7包括
微机械陀螺仪固定板71、俯仰轴72和横滚轴73；横滚轴73固定连接于安装槽板11上；俯仰轴72上端与横滚轴73连接，其下端与微机械陀螺仪固定板71活动连接；微机械陀螺仪固定板71上设置有微机械陀螺仪，用于感知机器人本体位置及其角度的变化，并将位置改变产生信号传递给动力驱动系统的驱动电路板，来改变相应的方位。
35.作为本实施例的优选或可选方式，横滚轴73和俯仰轴72垂直设置。
36.作为本实施例的优选或可选方式，机械臂9包括肩部91、大臂92、小臂93、腕部94和手爪95；肩部91一端与连接板12固定连接，另一端与大臂92一端轴接连接；大臂92另一端与小臂93一端轴接连接；小臂93另一端与腕部94轴接连接；手爪95活动连接于腕部94的前端。手爪95包括丝杆951、手腕952、2个手指连杆953、移动螺母954、2个手指拉杆955和2个平动手指956；丝杆951一端与腕部94固定连接，另一端穿过手腕952并通过移动螺母954连接；手腕952的四周边通过导向光杆与腕部94滑动连接；2个手指拉杆955的一端分别轴接于移动螺母954的两端侧；2个手指连杆953的一端分别轴接于手腕952的两端，中部分别与对应的1个手指拉杆955的另一端铰接，2个手指连杆953的另一端分别固定连接1个平动手指956。
37.作为本实施例的优选或可选方式，主体框架1采用钛合金材料。主体框架1要求能够满足水下机器人需要搭载各种的仪器设备的同时，又能够最大限度的减小水下机器人的总体重量，故综合比较分析，通过比较铝合金，钢材，钛合金等材料的弹性模量，质量密度，屈服力等参数，兼顾材料的强度和刚度以及材料质量对水下机器人整体稳定性的影响，选择了钛合金作为机器人的主体框架1制作材料。对材料的选取完毕之后，还要进一步分析所选材料能否符合水下工作强度要求，通过solidworks仿真，证明了水下机器人的稳定性得到了良好的保证。
38.作为本实施例的优选或可选方式，对于控制通信系统，采用的是线缆传输的方式实现人机的交互，岸上操作人员通过线缆向机器人本体传递各种指令，让水下机器人做出相应的动作；水下的各种情况通过摄像元器件，将视频图像信号通过线缆回传到主控制台；线缆在操作人员和水下机体之间架起了一座沟通的桥梁。
39.实施例2
40.对于动力驱动系统的改进是本发明的主要创新点，先是采用了采用环形布置方式的四个螺旋桨推进器和采用双推进器平行布置方式布置的运动方向互相平行的四个螺旋桨推进器，而采用环形布置方式的螺旋桨推进器可以实现一定角度的偏移，也就是说，这四个螺旋桨推进器并不是固定在主体框架1的，而是可以通过电机实现角度的旋转，这样也可以来改变水下机器人的运动方式。由于本机器人是要实现全自由度的水下运动，而针对机器人实现前进、后退、横移、偏航、上升、下潜的运动的技术比较成熟，而对于实现俯仰横滚这两种运动方式确没有很好的解决方法，所以提出了利用云台7控制系统来实现这两种运动方式。云台7就是放置固定摄像头的装置，把云台7设计成地平式t型结构，并且设计了互相垂直的横滚轴73和俯仰轴72，用来产生俯仰和横滚这两种运动方式，在云台7上放置可以感知方位变化的微机械陀螺仪和相应的姿态传感器，云台7上的控制器需要改变姿态传感器相关参数，控制云台7运动使微机械陀螺仪感知到方位的变化，来实现水下机器人的俯仰、横滚运动。例如，当水下机器人需要做出向前翻滚一点角度时，需提前改变姿态传感器的参数，向云台7电机传递电信号，使云台7的俯仰轴72向机器人前进方向旋转一定角度。这时微机械陀螺仪感知到本身方位的变化，并将电信号传递到驱动电路板中，从而控制水下
机器人的中前推进器和中后推进器运转，使云台7的横滚轴73向右滚转一定的角度，微机械陀螺仪会随之向右偏转一定的角度，微机械陀螺仪在感知自身方位发生变化后，会将信号传递给驱动电路板，此时整个控制系统会将微机械陀螺仪现在偏转后的状态认为是与地面平行状态，而水下机器人本体方位是与地面倾斜的，为了重新调节回平行状态，驱动电路板会驱动水下机器人的中左、中右推进器运转，使整个水下机器人本体向右做横滚运动，进而实现机器人的横滚运动，同样的道理，也可以使机器人做俯仰运动。可偏转角度的螺旋桨推进器可以同过姿态传感器感知机器人方位的变化，然后控制螺旋桨推进器的电机工作，来改变螺旋桨的角度偏转，也可以实现对水下机器人运动方式的改变。整个动力推进装置的螺旋桨布置方式如图6所示。
41.实施例3
42.观测和照明系统8是利用摄像机和led灯来实现，通过对云台7的转动，可以实现摄像机和led灯在水下的视角。
43.实施例4
44.对于机械臂9，设计的机械臂9与机器人本体相连接，安装在机器人本体的外部，机械臂9与机器人本体共同组成了该浅水水下机器人。耐腐蚀性是机械臂9必须要考虑的因素，耐腐蚀性强的材料可以有效抵御水下环境对机械臂9的损坏，保障机械臂9可以正常运行，经过多方的对比和论证，最终选用6061铝合金作为机械臂9的主体材料。该机械臂9需要具备结构紧凑占用空间小、操控灵活性高、躲避障碍能力强、工作范围大的特点。结合以上要求综合考虑本文设计的机械臂9的结构形式选择为关节型坐标机械臂9如图7、8所示，机械臂9的驱动方式选取为电机驱动，电机驱动具有驱动效率高、工业机器人上广泛应用、驱动技术成熟完善的优点。
45.实施例5
46.对于传感器系统，需要用到姿态传感器，它安装在云台上面，主要用于感知机器人方位的变化，并向驱动系统发出信号，控制螺旋桨推进器的工作。还有就是压力传感器，用于感知在水下工作时水压的变化，通过它，可以让操作人员知道机器人目前在水下的位置，以便下达下一步的指示操作，主要与机器人是否进行上升和下潜有关。温度传感器、高度计和超短基线4的设置，主要作用是为了帮助机器人确定自身位置以及周围环境，进而更加精准的控制水下机器人完成特定的工作任务。
47.本发明所提出的新型的可以实现水下机器人全自由度的动力驱动方式，能够保证机器人实现上升、下沉、前进、后退、横移、横滚、俯仰、偏航等运动方式，采用的基于rov系统的浅水水下机器人的设计模型，保证了在结构和控制系统设计上的稳固和便捷。同时机体所采用的钛合金材料，既能大幅度降低水下机器人本身的重力之外，同时也能满足自己的机械强度。机械臂的使用，能够在水里进行抓取，打捞等一些可以代替人工的操作，远远提升了在水下作业的安全性和可靠性。放置在云台上的摄像机可以实时回传水下的情况给操作人员，以便于操作人员下达下一步的指令。对上述浅水水域机器人的使用，能提高水下作业的效率。
48.以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，包括主体框架(1)、底座(2)、上壳(3)、动力驱动系统、云台(7)、观测和照明系统(8)和机械臂(9)；所述底座(2)固定连接于所述主体框架(1)下端，所述上壳(3)固定连接于所述主体框架(1)上端；所述云台(7)通过安装槽板(11)固定连接于所述主体框架(1)内部；所述观测和照明系统(8)通过安装板固定连接于所述主体框架(1)一侧上端；所述机械臂(9)通过连接板(12)固定连接于所述主体框架(1)的下端且位于所述观测和照明系统(8)的下方设置；所述动力驱动系统包括第一推进器(5)和第二推进器(6)；所述第一推进器(5)固定设置于所述上壳(3)内，所述第二推进器(6)固定连接于所述主体框架(1)上端下方。2.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述第一推进器(5)为采用双推平行布置方式布置的四个运动方向互相平行的螺旋桨推进器。3.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述第二推进器(6)采用环形布置方式布置的四个螺旋桨推进器，且四个螺旋桨推进器可旋转角度；每个螺旋桨推进器均通过一个连接件(61)固定连接于所述主体框架(1)上端下方。4.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述云台(7)采用的是地平式t型设计结构；所述云台(7)包括微机械陀螺仪固定板(71)、俯仰轴(72)和横滚轴(73)；所述横滚轴(73)固定连接于所述安装槽板(11)上；所述俯仰轴(72)上端与所述横滚轴(73)连接，其下端与所述微机械陀螺仪固定板(71)活动连接；所述微机械陀螺仪固定板(71)上设置有微机械陀螺仪，用于感知机器人本体位置及其角度的变化，并将位置改变产生信号传递给所述动力驱动系统的驱动电路板，来改变相应的方位。5.根据权利要求4所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述横滚轴(73)和所述俯仰轴(72)垂直设置。6.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，还包括超短基线(4)，所述超短基线(4)设置于所述上壳(3)中部。7.根据权利要求1所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述机械臂(9)包括肩部(91)、大臂(92)、小臂(93)、腕部(94)和手爪(95)；所述肩部(91)一端与所述连接板(12)固定连接，另一端与所述大臂(92)一端轴接连接；所述大臂(92)另一端与所述小臂(93)一端轴接连接；所述小臂(93)另一端与所述腕部(94)轴接连接；所述手爪(95)活动连接于所述腕部(94)的前端。8.根据权利要求7所述的一种基于全自由度的浅水水下机器人，其特征在于，所述手爪(95)包括丝杆(951)、手腕(952)、2个手指连杆(953)、移动螺母(954)、2个手指拉杆(955)和2个平动手指(956)；所述丝杆(951)一端与所述腕部(94)固定连接，另一端穿过所述手腕(952)并通过所述移动螺母(954)连接；所述手腕(952)的四周边通过导向光杆与所述腕部(94)滑动连接；2个所述手指拉杆(955)的一端分别轴接于所述移动螺母(954)的两端侧；2个所述手指连杆(953)的一端分别轴接于所述手腕(952)的两端，中部分别与对应的1个所述手指拉杆(955)的另一端铰接，2个所述手指连杆(953)的另一端分别固定连接1个所述平动手指(956)。

技术总结
本发明公开了一种基于全自由度的浅水水下机器人，包括主体框架、底座、上壳、动力驱动系统、云台、观测和照明系统和机械臂；底座固定连接于主体框架下端，上壳固定连接于主体框架上端；云台通过安装槽板固定连接于主体框架内部；观测和照明系统通过安装板固定连接于主体框架一侧上端；机械臂通过连接板固定连接于主体框架的下端且位于观测和照明系统的下方设置；动力驱动系统包括第一推进器和第二推进器。本发明实现了水下机器人的全自由度运动，能够保证机器人实现上升、下沉、前进、后退、横移、横滚、俯仰、偏航等运动方式，保证了整体的稳固和便捷，高效提高了水下作业的效率。高效提高了水下作业的效率。高效提高了水下作业的效率。


技术研发人员：钱俊兵 王迪 黄国勇 张威 张瑶 邓为权 肖蘅
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2022.12.20
技术公布日：2023/5/5