一種三體流線型自主作業水下機器人平臺的制作方法

本發明涉及一種水下機器人平臺，尤其涉及一種三體流線型自主作業水下機器人平臺，屬于水下機器人領域。

背景技術：

海底蘊含大量的生物資源及礦產資源，然而復雜、危險的海底環境對人類開發開發海洋、利用海洋提出了巨大的挑戰，在這個基礎上，水下機器人就應運而生。相較與有纜水下機器人，無纜自主水下機器人具有活動范圍廣、控制精度高、無須專業和昂貴的母船支持、可在復雜的非結構化環境中作業等優點，是水下機器人研究的重要方向。

目前，潛水員仍然在水下工程和作業中起著最主要的作用，但隨著作業深度的不斷增加，潛水員工作的效率和時間越來越低，而工作成本和危險性卻不斷增加。專利文獻“一種水下作業機器人CN103303449A”和“多功能水下作業裝置CN202379073U”涉及到的水下作業機器人雖然也有一定的作業能力，但其主要為輪式機器人系統傳統，可在核電站等特定的水下環境進行可靠作業，但難以普遍用于非結構化海底環境的航行和作業。專利文獻“水下作業機器人及其工作方法CN104960652A”和“水下無人作業水產養殖機器人CN104813975A”涉及到的水下機器人主要為開架式遙控水下作業機器人，其主要特點是操作人員在水面母船對水下機器人進行遙控作業，傳感器信息、控制指令和能源通過臍帶纜實現水下載體和水面母船之間的傳輸，水下機器人的作業需要專業的母船支持，作業成本高，作業范圍相對有限，作業精度完全取決于操作人員的熟練程度，長時間地作業容易造成操作人員的疲勞。

本發明設計了一種三體流線型自主作業水下機器人平臺，機器人通過水下視覺系統自主識別作業目標，并測量與作業目標之間的距離，通過運動感知傳感器實現對機器人和機械手的位置姿態反饋，通過機械手和機器人的運動實現水下機器人的自主作業。

技術實現要素：

本發明的目的是為了提供一種三體流線型自主作業水下機器人平臺，是能夠在非結構化環境中通過水下機器人和機械手的協調運動實現對目標的自主、穩定和高精度作業的平臺。

本發明的目的是這樣實現的：包括框架(1)、流線型外殼(3)、電池倉(10)、控制倉(11)、推進系統、運動感知系統、水下視覺感知系統和兩個機械手(9)，所述流線型外殼(3)覆蓋在框架(1)上，電池倉(10)有兩個且對稱安裝在流線型外殼(3)的底部，控制倉(11)設置在框架(1)內，所述水下視覺系統和所述運動感知系統均安裝在所述流線型外殼(3)的前端，所述推進系統安裝在流線型外殼(3)上，兩個機械手(9)安裝在框架(1)上。

本發明還包括這樣一些結構特征：

1.所述推進系統包括兩個主推進螺旋槳(12)、一個側推進螺旋槳(7)和四個垂直推進螺旋槳(8)，兩個主推進螺旋槳(12)對稱安裝在流線型外殼(3)的后端，側推進螺旋槳(7)安裝在流線型外殼(3)前端的下表面，流線型外殼(3)前端的下表面和后端的下表面分別各對稱設有兩個垂直推進螺旋槳(8)；所述流線型外殼(3)的上表面設置有吊點(2)。

2.所述水下視覺感知系統包括安裝在框架(1)內的前端雙目視覺系統(4)和單目彩色水下攝像機(6)、安裝在流線型外殼(3)的下表面的水下照明燈(13)。

3.所述運動感知系統包括設置在控制倉內的磁羅經和深度計、設置在框架內前端的聲學多普勒儀(5)。

4.每個機械手包括依次連接機械手肩部(14)、機械手臂部(15)、機械手肘部(16)、機械手前臂(17)、機械手的腕部(19)、機械手的手爪(18)，機械手肩部(14)通過水密接插件(20)與框架(1)連接。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：本發明能夠在非結構化環境中通過水下機器人和機械手的協調運動實現對目標的自主、穩定和高精度作業，本發明具有自主性強、作業成本低、作業范圍廣、作業精度高等優點；本發明通過水下視覺系統自主識別作業目標，并測量與作業目標之間的距離，通過運動感知傳感器實現對機器人和機械手的位置姿態反饋，通過機械手和機器人的運動實現水下機器人的自主作業。

附圖說明

圖1是本發明的總體結構示意圖；

圖2是本發明的總體結構俯視圖；

圖3是本發明的總體結構側視圖；

圖4是本發明總體結構的前視圖；

圖5是本發明的總體結構后視圖；

圖6是本發明的回復力矩計算方法示意圖；

圖7是本發明的自主作業過程簡圖；

圖8是機械手的軸測圖；

圖9是手爪的局部剖視圖；

圖10是機械手關節部分的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。

實施例一：結合圖1至圖10，本發明包括框架1、流線型外殼3、電池倉10、控制倉11、推進系統、運動感知系統、水下視覺感知系統和兩個機械手9，流線型外殼3覆蓋在框架1上，電池倉10安裝在流線型外殼3的底部，控制倉11設置在框架1內，所述水下視覺系統和所述運動感知系統均安裝在所述流線型外殼3的前端，所述推進系統安裝在流線型外殼3上，兩個所述機械手9安裝在框架1上，框架內還設置有擺放浮力材料的艙室41。

本實施例中為了保證水下機器人的中性浮力狀態，剩余的空間將用來添加浮力材。

本實施例中在流線型外殼3的底部設置兩個電池倉10，不僅為平臺的航行提供作業能源，而且通過降低機器人整體重心來提高水下機器人的初穩心高，進而提高水下機器人作業的穩定性。

回復力矩計算公式為(其中“Δ”表示排水量、表示初穩心高、“φ”表示傾斜角度)，由公式可知初穩心高越大時回復力矩就越大，因此，通過降低重心提高初穩心高就可以增加水下機器人的穩定性。

實施例二：基于上述實施例，所述推擠系統包括兩個主推進螺旋槳12、一個側推進螺旋槳7和四個垂直推進螺旋槳8，兩個主推進螺旋槳12安裝在流線型外殼3的后端，側推進螺旋槳7安裝在流線型外殼3前端的下表面，流線型外殼3前端的下表面和后端的下表面分別各設有兩個垂直推進螺旋槳8；所述流線型外殼3的上表面設置有吊點2。

本實施例的推進系統包括兩個主推進螺旋槳12，一個側推進螺旋槳7和四個垂直推進螺旋槳8，遠距離航行時主要使用艉部的兩個主推進螺旋槳12，作業時自主作業水下機器人平臺切換為弱機動的協調作業位姿控制模式；通過垂直推進螺旋槳8、主推進螺旋槳12和側推進螺旋槳7實現空間六個自由度的位姿控制，實現機器人和機械手的協調運動。其它組成及連接關系與具體實施方式一相同。

實施例三：基于上述實施例，所述水下視覺感知系統由雙目視覺系統4、單目彩色水下攝像機6、水下照明燈13組成，雙目視覺系統4、單目彩色水下攝像機6安裝在框架1內的前端，水下照明燈13安裝在流線型外殼3的下表面。

單目彩色攝像機6主要負責水下目標的識別，雙目視覺系統4主要用于測距及定位，水下視覺感知系統主要負責水下目標的識別、測距和定位。而推進系統包括兩個主推，一個側推和四個垂推，遠距離航行時主要使用艉部的兩個主推，作業時自主作業水下機器人平臺切換為弱機動的協調作業位姿控制模式，通過垂推、主推和側推實現空間六個自由度的位姿控制，實現機器人和機械手的協調運動。

單目彩色攝像機主要負責水下目標的識別，識別成功后，自主作業水下機器人向目標前進，跟蹤目標使目標進入雙目視覺攝像機的觀察范圍，通過雙目視覺攝像機在水下燈的幫助下確定水下目標的特征點，測量特征點相對機械手末端的距離，從而完成對水下目標的感知和自主作業。

實施例四：基于上述實施例，所述運動感知系統由聲學多普勒儀5、磁羅經和深度計組成，聲學多普勒儀5安裝在框架1內的前端，所述磁羅經和所述深度計安裝在控制倉11內。運動感知系統主要負責獲得和推算機器人當前的位姿反饋，并在航行和作業時和推進系統構成控制回路，實現水下作業的自主控制。

實施例五：基于上述實施例，每個機械手9包括機械手肩部14、機械手臂部15、機械手肘部16、機械手前臂17、機械手的手爪18和機械手的腕部19，機械手肩部14、機械手臂部15、機械手肘部16、機械手前臂17、機械手的腕部19、機械手的手爪18依次連接，機械手肩部14通過水密接插件20與框架1連接。

機械手肩部14包括俯仰關節和擺動關節，機械手肘部16包括俯仰關節，機械手的腕部19包括擺動關節，各個所述關節為封閉式結構，所述封閉式結構由關節端蓋21、密封圈22、編碼器23、電機減速器一體機24、關節密封外殼25、旋轉泛塞封26、關節主軸27、彈簧卡圈28、泛塞封套29、主軸軸承30和主軸連接器31組成，電機減速器一體機24安裝在關節密封外殼25內，編碼器23設在電機減速器一體機24的上端，關節主軸27與電機減速器一體機24的轉動軸連接，主軸軸承30固定在關節主軸27與關節密封外殼25之間，泛塞封套29緊固在關節密封外殼25上，旋轉泛塞封26固定在關節主軸27與泛塞封套29之間組成動密封，主軸連接器31通過鍵連接與彈簧卡圈28固定在關節主軸27上，密封圈22固定在關節密封外殼25和關節端蓋21之間組成靜密封。

通過電機減速器一體機24實現運動，編碼器23實現關節的位姿反饋，旋轉泛塞封26和泛塞封套29配合組成靜環,旋轉泛塞封26和關節主軸27配合組成動環實現關節的動密封。機械手的手爪18包括法蘭32、手掌33、手爪軸承34、手爪主軸35、手爪基座36、大傘齒輪37、小傘齒輪38、鎖緊螺母39和手爪鎖緊基座40，小傘齒輪38通過電機軸與電機減速器一體機24的轉動軸連接，小傘齒輪28與大傘齒輪27嚙合，手爪主軸35的一端固定在手爪基座36上，手爪主軸35的另一端固定在手爪鎖緊基座40上，手掌33固定在大傘齒輪27上，手掌33和大傘齒輪27通過手爪軸承34安裝在手爪主軸35上，鎖緊螺母39用于調節手爪主軸35與手爪鎖緊基座40之間的間隙。

各關節的結構相似，各關節由電機減速器一體機24驅動，編碼器23實現關節的位姿反饋，旋轉泛塞封26固定在關節主軸上，通過泛塞封套29和關節密封外殼25實現關節的動密封，旋轉泛塞封26和泛塞封套29配合組成靜環,旋轉泛塞封26和關節主軸27配合組成動環實現關節的動密封。水密接插件20負責傳遞關節的控制指令和編碼器23反饋信息。手爪的運動主要由電機減速器一體機24通過電機主軸27帶動傘齒輪37、38實現手爪的開合。組成及連接關系與具體實施方式五相同。

綜上，本發明的工作原理是：當目標進入前端的單目彩色攝像機6視野內，機器人通過識別確定作業目標，在向前跟蹤目標的同時由遠距離航行模式切換為自主作業模式，目標進入機器人雙目視覺系統4的視野范圍內。雙目視覺系統4測量作業目標距離機械手9的距離，機器人自主規劃自主作業水下機器人平臺的主體和機械手9的協調運動軌跡，在運動控制中由多普勒測速儀5、磁羅經和推進系統閉環控制機器人水下機器人平臺主體的運動，結合編碼器23對機械手9的位姿測量實現自主作業水下機器人平臺的主體和機械手9的協調運動。