CN202703877U - 一种基于图像处理的自我控制水下机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于图像处理的自我控制水下机器人，包括浮箱和设在浮箱底部的异型铝骨架；所述浮箱中设有主控制器，浮箱上设有传感器模块和视频模块，主控制器通过CAN模块与远程交互平台连接；所述铝骨架的两端各设有一个水平的直流减速电机和一个竖直的浮升电机，并且两个浮升电机均位于两个直流减速电机的外侧；所述四个电机的轴各与一个浆式推进器固定连接；铝骨架的前端设有多自由度机械手。本实用新型通过可更换的多自由度机械手，完成一些简单的水下作业，并且通过摄像头采集信息和图像识别、处理，使机器人在水中进行图像采集勘探及简单的水下作业。

Description

一种基于图像处理的自我控制水下机器人

技术领域

本实用新型涉及一种基于图像处理的水下机器人，可自动进行水下勘探及简单的水下作业。

背景技术

水下自动机器人是一种非常适合于水下搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。在军事上，水下自动机器人亦是一种有效的水中兵器。与载人潜水器相比较，它具有安全（无人）、结构简单、重量轻、尺寸小、造价低等优点。而与遥控水下机器人（ROV）相比，它具有活动范围大、潜水深度深、可进入复杂结构中、不需要庞大水面支持、占用甲板面积小和成本低等优点。水下自动机器人代表了未来水下机器人技术的发展方向，是当前世界各国研究工作的热点。因此，研发一种结构可靠、技术成熟、自动化高、成本低廉能够为水下勘探和水下作业提供较高性能的水下机器人，是一个十分有前景的研究。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供了一种结构简单、高效的基于图像处理的自我控制水下机器人。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案是：一种基于图像处理的自我控制水下机器人，包括浮箱和设在浮箱底部的异型铝骨架；所述浮箱中设有主控制器，浮箱上设有传感器模块和视频模块，主控制器通过CAN模块与远程交互平台连接；所述铝骨架的两端各设有一个水平的直流减速电机和一个竖直的浮升电机，并且两个浮升电机均位于两个直流减速电机的外侧；所述四个电机的轴各与一个浆式推进器固定连接；铝骨架的前端设有多自由度机械手。

其中，所述四个电机的外部各设有一个防水铝套，浆式推进器的外部套覆有整流罩。

其中，所述传感器模块包括分别与主控制器连接的液位传感器、加速度传感器和电子罗盘。

其中，所述视频模块包括分别与主控制器连接的全景云台摄像头、液晶显示屏和视频采集卡。

其中，所述主控制器采用ARM芯片。

其中，所述多自由度机械手包括水平移动平台，水平移动平台套装在光轴上，光轴通过分别设在其两端的两块竖直撑板固定在铝骨架上；水平移动平台通过其上部的凸台与同步带相连；水平移动平台的底部固定有与其垂直的平台，垂直平台上设有一对带沉孔的夹板，夹板之间设有摆动电机，摆动电机的两端分设有电机轴和辅助轴，电机轴和辅助轴分别穿过两个夹板上的沉孔后，分别与设在夹板外侧的一对外侧夹板固定连接；两个外侧夹板之间设有与其固定的摆动平台，摆动平台的顶部设有开合电机，其底部设有一对相互啮合的半齿轮；开合电机的电机轴穿过摆动平台上的沉孔与其正下方的半齿轮的中心通过联轴器相连；两个半齿轮的前端各与一个铝制爪相连。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本实用新型通过可更换的多自由度机械手，完成一些简单的水下作业，并且通过摄像头采集信息和图像识别、处理，使机器人在水中进行图像采集勘探及简单的水下作业。本实用新型的控制系统是由飞行摇杆改装而成的，机器人的运动方向与运动速度与摇杆的倾斜方向和倾斜角度成正比关系；人性化的飞行摇杆运动控制与比例模型机械控制，使用起来简单直观；纵向双推进平衡系统，便于执行负重任务。双筒结构，外观新颖独特；机器人密度与水相似，可完成无动力或小动力悬浮；机器人上方的控制箱即浮箱，使结构紧凑；机器人前方的多自由度的机械手，使机器人可执行复杂的水下抓取打捞等高精度作业；水下机器人是依靠自身携带的液位传感器，加速度传感器等各式传感器和电子罗盘、摄像头等装置来采集信息，视频信号通过线缆传回岸基屏幕进行图像处理，配合操作者的调控，使机器人在水下三维空间中可以实现全向移动，以进行水下搜索、考察、识别和打捞作业。

附图说明

图1是本实用新型的为整体结构图；

图2是图1的俯视图；

图3是多自由度机械手的结构图；

图中：3-1、浮箱，3-2、浆式推进器，3-3、多自由度机械手，3-4、整流罩，3-5、浮升电机，3-6、直流减速电机，4-1、水平移动平台，4-2、光轴，4-3、同步轮，4-4、同步带，4-5、垂直平台，4-6、摆动平台，4-7、摆动电机，4-8、开合电机，4-9、半齿轮，5-1、异型铝骨架，5-2、电机防水铝套，5-3、电机尾部密封套，5-4、配重滑块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1、2所示为本实用新型的结构示意图。本实用新型为一种基于图像处理的自我控制水下机器人，包括浮箱3-1和设在浮箱3-1底部的异型铝骨架5-1；所述浮箱3-1中设有主控制器，浮箱3-1上设有传感器模块和视频模块，传感器模块包括分别与主控制器连接的液位传感器、加速度传感器和电子罗盘，视频模块包括分别与主控制器连接的全景云台摄像头、液晶显示屏和视频采集卡；主控制器采用ARM芯片，并通过CAN模块与远程交互平台进行通信连接，远程交互平台安置在岸基，用于控制水下机器人；铝骨架5-1的两端各设有一个水平的直流减速电机3-6和一个竖直的浮升电机3-5，并且两个浮升电机3-5均位于两个直流减速电机3-6的外侧；四个电机的轴各与一个浆式推进器3-2固定连接，四个电机的外部各设有一个防水铝套5-2，浆式推进器3-2的外部套覆有整流罩3-4；铝骨架5-1的前端设有多自由度机械手3-3。

本实用新型的主控制器为ARM芯片，该芯片用于采集和储存外部信息、感知外部和系统内部模块产生的信息并控制机器人的各个模块。水下机器人的控制系统是利用人工主导和智能调整两部分相结合的技术，利用水下机器人通过下位机采集回来的数据传输回岸基部分，操作者通过传输回来的数据对机器人的动作实现宏观方向的操作，当趋于接近目标物或者目的地时，则利用水下机器人自身安装的各种传感器接收前方传输回来的数据自行调节，实现了对环境精细操作的步骤，从而可以实现水下机器人能够顺利的完成水下任务。

对于人工主导部分，是利用飞行摇杆运动控制与比例模型机械的原理，机器人的运动方向与运动速度与摇杆的倾斜方向和倾斜角度成正比关系。机械臂的运动是由一个比例模型控制的，机械臂的姿态与比例模型的姿态瞬时对应，从而实现人工的宏观调节；机器人自身根据所处的情况实现自身微调的部分，是水下机器人依靠自身携带的液位传感器、加速度传感器等各式传感器和电子罗盘、摄像头等装置来采集信息，视频信号通过线缆传回岸基屏幕进行图像处理，从而实现对遥控信号进行修正，最终作出合理动作。

本实用新型的传感器模块包括液位传感器、加速度传感器、电子罗盘。其中，液位传感器用于检测机器人行进深度，加速度传感器用于检测机器人行进时的加速度力，电子罗盘用于实时提供机器人的航向和姿态。通过各个传感器提供的数据，使水下机器人更好地进行图像采集，水下作业。

本实用新型的通信模块采用CAN模块，CAN模块是一款对机器人整体各电子控制装置之间实现通讯数据转发的智能电控设备，从而使机器人整体实现车载电控装置区域性网络控制系统。采用了功能强大的带有两路CAN控制器的16位微控制器。支持CAN2.0A和CAN2.0B协议。按＂SAE J1939＂标准协议开发．支持K线诊断功能。可同时适用于高速和低速CAN总线网络。具有很好的密封性，可使用于水下恶劣环境。

两个水平放置的直流减速电机3-6用以提供平移动力，两个垂直放置的浮升电机3-5用以提供纵向动力。水平方向通过推进器差速来实现方向调整，竖直方向为放置于中心的一套覆有整流罩的浆式推进器调速用于姿态平衡和实现竖直方向的升降。浆式推进器3-2用于姿态平衡和实现竖直方向的升降。电机外部有防水铝套5-2，且靠螺纹夹紧顶盖与电机套筒上紧配的尼龙圈间的硅胶垫，防止水从端盖进入电机套筒，电机尾部密封套5-3靠顶盖上螺丝提供的拉力夹紧O形圈防止水从电机尾部密封套5-3进入电机套筒。

视频模块包括摄像头、19寸的液晶显示屏和视频采集卡。水下机器人的上方有一个全景云台摄像头，可以完整观测到机器人周围的环境并能通过线缆传回岸基的屏幕供操作者分析判断。视频信号通过线缆传回岸基屏幕，操作者可根据图像获得此刻水下机器人自身各种电位计的状态，实时改变水下机器人运动姿态并对水下机器人的运动方向以及运动速度进行调控，能够迅速对目标物或者目的地进行判断甄别。

本实用新型的上部分为有机玻璃浮箱，摄像头、控制电路、图像采集与识别系统均安装在浮箱中，实现对简单水下作业的控制；机器人下部分为框架结构，框架由20*20异形铝型材搭建，用角铝连接。上下部分两种不同材质，使机器人重心和浮心分开，实现无动力或小动力悬浮。

如图3所示，铝骨架5-1的前端设有一个多自由度机械手3-3。多自由度机械手3-3包括摆动电机4-7、开合电机4-8、一对半齿轮4-9和一对铝制爪；水平移动平台4-1套装在光轴4-2上，并且水平移动平台4-1的背部设有直线轴承，保证其在光轴4-2上做平行平稳滑动；水平移动平台4-1表面上设置多个排水孔，可减少机器人在水中的阻力；光轴4-2通过分别设在其两端的两块竖直撑板固定在铝骨架5-1上；水平移动平台4-1通过其上部的凸台与同步带4-4相连。

水平移动平台4-1的底部固定有与其垂直的平台4-5，垂直平台4-5上设有一对带沉孔的夹板，夹板之间设有摆动电机4-7，摆动电机4-7的两端分设有电机轴和辅助轴，电机轴和辅助轴分别穿过两个夹板上的沉孔后，分别与设在夹板外侧的一对外侧夹板固定连接；两个外侧夹板之间设有与其固定的摆动平台4-6，摆动平台4-6的顶部设有开合电机4-8，其底部设有一对相互啮合的半齿轮4-9；开合电机4-8的电机轴穿过摆动平台4-6上的沉孔与其正下方的半齿轮的中心通过联轴器相连；两个半齿轮4-9的前端各与一个铝制爪相连；两爪通过中间夹的有机玻璃垫片和螺钉连为一体，不会发生相对转动，并自强两侧的铝制爪通过弹簧拉紧。齿轮上的凸起将铝制爪卡住防止爪顶部相撞，而弹簧可以在机械爪抓取物品时提供柔性加持力。

综上所述，通过直流减速电机3-6、摆动电机4-7和开合电机4-8赋予多自由度机械手3-3三个自由度：左右平移运动、上下摆动和开合。其中，直流减速电机3-6的转动经同步轮4-3和同步带4-4转换为水平移动平台4-1在光轴4-2上精确水平移动；摆动电机4-7的转动通过分别与其电机轴和辅助轴相连的两个外侧夹板转换为摆动平台4-6的上下摆动；开合电机4-8的电机轴的转动通过两个半齿轮4-9的传动，控制两个铝制爪的开合；铝制爪为锯齿状、上下两层结构，可以夹起多种形状的物体。

本实用新型通过三组电缆与岸基控制箱连接，经过人工调控和自身调节可以对目标物完成抓取采集、定点投放、移动搬运等高精度复杂动作，能够顺利实现水下作业。

本实用新型的电源模块包括主电源、铅酸蓄电池备用电源和直流稳压模块，提供24V和12V电压。当有市电接口时可以用开关电源提供电力，当户外移动式时，可以用铅酸蓄电池来提供电力。

Claims (6)

1.一种基于图像处理的自我控制水下机器人，包括浮箱（3-1）和设在浮箱（3-1）底部的异型铝骨架（5-1）；所述浮箱（3-1）中设有主控制器，浮箱（3-1）上设有传感器模块和视频模块，主控制器通过CAN模块与远程交互平台连接；所述铝骨架（5-1）的两端各设有一个水平的直流减速电机（3-6）和一个竖直的浮升电机（3-5），并且两个浮升电机（3-5）均位于两个直流减速电机（3-6）的外侧；所述四个电机的轴各与一个浆式推进器（3-2）固定连接；铝骨架（5-1）的前端设有多自由度机械手（3-3）。

2.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的自我控制水下机器人，其特征在于：所述四个电机的外部各设有一个防水铝套（5-2），浆式推进器（3-2）的外部套覆有整流罩（3-4）。

3.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的自我控制水下机器人，其特征在于：所述传感器模块包括分别与主控制器连接的液位传感器、加速度传感器和电子罗盘。

4.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的自我控制水下机器人，其特征在于：所述视频模块包括分别与主控制器连接的全景云台摄像头、液晶显示屏和视频采集卡。

5.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的自我控制水下机器人，其特征在于：所述主控制器采用ARM芯片。

6.根据权利要求1所述的一种基于图像处理的自我控制水下机器人，其特征在于：所述多自由度机械手（3-3）包括水平移动平台（4-1），水平移动平台（4-1）套装在光轴（4-2）上，光轴（4-2）通过分别设在其两端的两块竖直撑板固定在铝骨架（5-1）上；水平移动平台（4-1）通过其上部的凸台与同步带（4-4）相连；水平移动平台（4-1）的底部固定有与其垂直的平台（4-5），垂直平台（4-5）上设有一对带沉孔的夹板，夹板之间设有摆动电机（4-7），摆动电机（4-7）的两端分设有电机轴和辅助轴，电机轴和辅助轴分别穿过两个夹板上的沉孔后，分别与设在夹板外侧的一对外侧夹板固定连接；两个外侧夹板之间设有与其固定的摆动平台（4-6），摆动平台（4-6）的顶部设有开合电机（4-8），其底部设有一对相互啮合的半齿轮（4-9）；开合电机（4-8）的电机轴穿过摆动平台（4-6）上的沉孔与其正下方的半齿轮的中心通过联轴器相连；两个半齿轮（4-9）的前端各与一个铝制爪相连。

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