專利名稱：水下多功能機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一種機器人，特別是一種水下多功能機器人。
背景技術(shù)：
隨著我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，利用工業(yè)機器人替代人類在特殊環(huán)境下完成某些工作已經(jīng)成為時代發(fā)展的必然趨勢。許多大型生產(chǎn)型企業(yè)在流水線上普遍采用工業(yè)機器人來代替繁瑣的人工重復(fù)性勞動，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益。但用于特殊環(huán)境下的水下作業(yè)，如反應(yīng)堆的水下打撈、水下切割、焊接等的機器人就非常少。
在國內(nèi)，一般的水下作業(yè)是通過潛水員潛到水底進行，其安全性、方便性很差，很多操作無法進行。如核電站目前對于落入水池中的異物主要是通過長桿上帶一套機械鉗子、磁鐵甚至用沾膠帶等手段實現(xiàn)一定距離、特定區(qū)域內(nèi)池底異物拾取打撈，其手段非常落后且不可靠，對于水下切割、焊接等操作也無法進行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種集自動監(jiān)控和打撈異物、切割、焊接功能于一體，且可靠性高、操作方便的水下多功能機器人，這種機器人可以根據(jù)不同的任務(wù)需要安裝異物清掃機、水下吸泵機、水下切割機、水下焊接機，且拆換安裝方便、只需在控制面板上不同的控制區(qū)域進行相應(yīng)機構(gòu)的控制即可，且主體控制總線不變。
本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是水下多功能機器人，其特點在于主要包括運動車體系統(tǒng)、搭載于運動車體系統(tǒng)上的水下攝像系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)，功能組件、操作控制器，其中功能組件包括水下清掃機、或水下吸泵機、或水下切割機、或水下焊接機中的一種或者組合，操作控制器通過控制線分別與運動車體系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)、功能組件、水下攝像系統(tǒng)連接，驅(qū)動或控制其工作。
所述的運動車體系統(tǒng)由六輪驅(qū)動轉(zhuǎn)動或履帶傳動的車體，及驅(qū)動其前后、左右運動的兩個直流電機組成，這樣可增加其爬坡和翻越障礙的能力，實現(xiàn)機器人的前后、左右無級變速運動。
所述的機械手系統(tǒng)主要由機械手旋轉(zhuǎn)電機、機械手?jǐn)[動大臂、機械手?jǐn)[動小臂、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、機械夾緊手指及吸附用吸盤，機械手旋轉(zhuǎn)電機位于箱體內(nèi)，機械手旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸與機械手?jǐn)[動大臂連接，實現(xiàn)機械手?jǐn)[動大臂的擺動；機械手?jǐn)[動小臂連接于機械手?jǐn)[動大臂后端旋轉(zhuǎn)輸出軸上；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又連接于機械手?jǐn)[動小臂后端旋轉(zhuǎn)輸出軸上；機械夾緊手指、吸附用吸盤并行連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后端以實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)異物的抓取與吸附。
所述的水下攝像系統(tǒng)是由攝像機、照明燈、二維轉(zhuǎn)動云臺組成，攝像機與照明燈通過一根旋轉(zhuǎn)軸剛性連接在一起，該轉(zhuǎn)軸為二維轉(zhuǎn)動云臺的輸出端。這樣攝像機及照明燈在二維云臺作用下可實現(xiàn)水平、俯仰兩方向的轉(zhuǎn)動，在運動車體系統(tǒng)的配合下，實現(xiàn)空間全方位實時監(jiān)控。
功能組件中的水下洗塵器用于吸取水下掉入的碎渣，它主要包括吸塵器旋轉(zhuǎn)電機、吸塵器擺動大臂、吸泵、吸入渣子過濾網(wǎng)、渣子容器、吸泵中水及渣子的入口，吸塵器旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸與吸塵器擺動大臂連接，從而實現(xiàn)吸塵器擺動大臂的擺動，吸泵連接于擺動大臂后端，吸塵器旋轉(zhuǎn)電機控制擺動大臂擺動，從而使吸泵置于渣子的位置，吸泵中水及渣子的入口、渣子容器、吸入渣子過濾網(wǎng)依次連接組成吸塵機的工作通路，從吸泵中水及渣子從吸泵中水及渣子的入口進入，其中水中的渣子通過渣子容器收集起來，而水則經(jīng)過吸入渣子過濾網(wǎng)過濾后進入吸泵，從吸泵的出口水排出。
所述的功能組件中的水下清掃機用于清掃水中小型無規(guī)則異物，它主要包括清掃機旋轉(zhuǎn)電機、清掃機擺動大臂、清掃物收集框和清掃葉片機構(gòu)，清掃機電機置于箱體內(nèi)，清掃機電機的輸出軸與清掃機擺動大臂連接，實現(xiàn)清掃機擺動大臂的擺動，清掃葉片機構(gòu)的前端連接于擺動大臂后端，清掃葉片機構(gòu)后端連接清掃物收集框，擺動大臂在清掃電機的驅(qū)動下將清掃葉片機構(gòu)及清掃物收集框放到異物附近，啟動清掃葉片電機將異物掃入收集框后完成對異物的清掃。
功能組件中的水下切割用于切割水下各種材料的棒料或板料，它主要包括切割機旋轉(zhuǎn)電機、切割機擺動大臂、切割機頂緊支撐機構(gòu)、切割機擺動小臂、切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、切割鋸片，切割機旋轉(zhuǎn)電機置于箱體內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸與切割機擺動大臂連接，從而實現(xiàn)切割機擺動大臂的擺動，切割機擺動大臂上搭載了切割機擺動小臂及切割機頂緊支承機構(gòu)，在切割機擺動小臂上又連接了切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的末端連接了切割鋸片，切割鋸片在前端三自由度的搭載下可以對一定范圍內(nèi)的棒料或板料實現(xiàn)切割。
本發(fā)明的工作過程操作控制器發(fā)出控制命令使車體運動系統(tǒng)運動，由六輪驅(qū)動轉(zhuǎn)動或履帶傳動的車體在兩個直流電機的驅(qū)動下，前后、左右運動；水下攝像系統(tǒng)在操作控制器的控制下，進行水下多角度電視監(jiān)控和照明；同時機械手系統(tǒng)及功能組件在操作控制器的控制下實現(xiàn)小型異物的抓取、碎渣的吸塵和清掃、水下物體的切割和金屬焊接等功能，操作者通過監(jiān)視成像系統(tǒng)的圖像來控制機器人的自動行走、成像控制、云臺的運動、機械手臂的多關(guān)節(jié)組合運動實現(xiàn)對水中異物的定位抓取、吸塵、切割和焊接。抓取的異物放入異物籃內(nèi)，而且可根據(jù)監(jiān)視需要控制光學(xué)系統(tǒng)的變倍、調(diào)焦等。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(1)本發(fā)明不僅具有體積小、功能全、自動化程度高、適用范圍廣、爬坡能力強、可靠性好、實用性強和操作直觀簡便等優(yōu)點，可以滿足在水里進行大范圍監(jiān)控、打撈異物、切割和焊接等用途，而且特別適用在有核輻射或有毒有害的水下、大氣環(huán)境中或人員無法達到的現(xiàn)場進行使用。
(2)本發(fā)明在最大外形尺寸長×寬×高為420×198×236的情況下實現(xiàn)運動車體、水下攝像系統(tǒng)、多功能機構(gòu)的有機組合，且多功能機構(gòu)間可以方便地進行拆卸和安裝；小車運動速度實現(xiàn)無級變速0～9m/min、爬坡能力30°、二維云臺轉(zhuǎn)動范圍水平+79°/-72°，垂直35°/-145°、攝像系統(tǒng)光學(xué)倍率18倍或27倍、機械手的抓取能力1Kg、在一個運動平臺實現(xiàn)水下抓取、水下清掃及吸塵、水下切割、水下焊接等五種功能。


圖1為本發(fā)明的組成原理框圖；圖2為本發(fā)明的車體運動系統(tǒng)與機械手系統(tǒng)的組合主視圖；圖3為本發(fā)明車體運動系統(tǒng)與機械手系統(tǒng)的組合側(cè)視圖；圖4為本發(fā)明的水下清掃機結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明的水下吸塵機結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本發(fā)明的水下切割機結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本發(fā)明的操作控制器原理框圖；圖8為圖7中的控制搖桿輸入處理電路的原理框圖；圖9為圖7中的電機控制驅(qū)動電路的原理框圖。
圖10為圖7中的燈光調(diào)節(jié)電路的原理框圖；圖11為圖7中的切換電路原理框圖；圖12為圖7中的攝像機控制電路原理框圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明主要包括以下幾個部分運動車體系統(tǒng)、搭載于運動車體系統(tǒng)上的水下攝像系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)，功能組件、操作控制器，其中功能組件包括水下清掃機、或水下吸泵機、或水下切割機、或水下焊接機，這些功能組件可以單獨與機械手系統(tǒng)配合使用，或組合后與機械手系統(tǒng)配合使用，操作控制器通過30米長30芯水下電纜線分別與運動車體系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)、功能組件、水下攝像系統(tǒng)連接，驅(qū)動或控制其工作。水下攝像系統(tǒng)是由攝像機、照明燈、二維轉(zhuǎn)動云臺組成，攝像機與照明燈通過一根旋轉(zhuǎn)軸剛性連接在一起，該轉(zhuǎn)軸為二維轉(zhuǎn)動云臺的輸出端。這樣攝像機及照明燈在二維云臺作用下可實現(xiàn)水平、俯仰兩方向的轉(zhuǎn)動，在運動車體系統(tǒng)的配合下，實現(xiàn)空間全方位實時監(jiān)控。
如圖2、3所示，為車體運動系統(tǒng)與機械手系統(tǒng)的組合圖，運動車體系統(tǒng)由六輪驅(qū)動轉(zhuǎn)動或履帶傳動的車體6，通過兩個直流電機驅(qū)動其前后、左右運動，機械手系統(tǒng)實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)小型異物的抓取，它包括機械手旋轉(zhuǎn)電機9’、機械手?jǐn)[動大臂7、機械手?jǐn)[動小臂9、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)8、機械夾緊手指1及吸附用吸盤2，機械手旋轉(zhuǎn)電機9’位于箱體內(nèi)，機械手旋轉(zhuǎn)電機9’的輸出軸與機械手?jǐn)[動大臂7連接，實現(xiàn)機械手?jǐn)[動大臂7的擺動；機械手?jǐn)[動小臂9連接于機械手?jǐn)[動大臂7后端旋轉(zhuǎn)輸出軸上；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)8又連接于機械手?jǐn)[動小臂9后端旋轉(zhuǎn)輸出軸上；機械夾緊手指1、吸附用吸盤2并行連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)8后端以實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)異物的抓取與吸附，攝像機4和攝像系統(tǒng)的二維轉(zhuǎn)動云臺5放置在車體6的平臺上。10為連接插座與控制部分連接，3為照明燈。
如圖4所示，水下清掃機主要包括清掃機旋轉(zhuǎn)電機11’、清掃機擺動大臂11、清掃物收集框12和清掃葉片機構(gòu)13，清掃機電機11’置于箱體內(nèi)，清掃機電機11’的輸出軸與清掃機擺動大臂11連接，實現(xiàn)清掃機擺動大臂11的擺動，清掃葉片機構(gòu)13的前端連接于擺動大臂11后端，清掃葉片機構(gòu)13后端連接清掃物收集框12，擺動大臂11在清掃電機11’的驅(qū)動下將清掃葉片機構(gòu)13及清掃物收集框12放到異物附近，啟動清掃葉片電機將異物掃入收集框12后完成對異物的清掃。
如圖5所示，功能組件中的水下洗塵器用于吸取水下掉入的碎渣，它主要包括吸塵器旋轉(zhuǎn)電機14’、吸塵器擺動大臂14、吸泵15、吸入渣子過濾網(wǎng)16、渣子容器17、吸泵中水及渣子的入口18，吸塵器旋轉(zhuǎn)電機14’的輸出軸與吸塵器擺動大臂14連接，從而實現(xiàn)吸塵器擺動大臂14的擺動，吸泵15連接于擺動大臂14后端，吸塵器旋轉(zhuǎn)電機14’控制擺動大臂14擺動，從而使吸泵15置于渣子的位置，吸泵中水及渣子的入口18、渣子容器17、吸入渣子過濾網(wǎng)16依次連接組成吸塵機的工作通路，從吸泵中水及渣子從吸泵中水及渣子的入口18進入，其中水中的渣子通過渣子容器17收集起來，而水則經(jīng)過吸入渣子過濾網(wǎng)16過濾后進入吸泵15，從吸泵15的出口水排出。
如圖6所示，水下切割用于切割水下各種材料的棒料或板料，它主要包括切割機旋轉(zhuǎn)電機19’、切割機擺動大臂19、切割機頂緊支撐機構(gòu)20、切割機擺動小臂21、切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)22、切割鋸片24，切割機旋轉(zhuǎn)電機19’置于箱體內(nèi)，旋轉(zhuǎn)電機19’的輸出軸與切割機擺動大臂19連接，從而實現(xiàn)切割機擺動大臂19的擺動，切割機擺動大臂19上搭載了切割機擺動小臂21及切割機頂緊支承機構(gòu)20，在切割機擺動小臂21上又連接了切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)22，在切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)22的末端連接了切割鋸片24，切割鋸片24在前端三自由度的搭載下可以對一定范圍內(nèi)的棒料或板料23實現(xiàn)切割。
圖7所示為本發(fā)明的操作控制器原理框圖，控制器主要由小車和二維云臺單片機控制單元、電機控制驅(qū)動電路、操縱桿輸入處理電路、切換電路、燈光調(diào)節(jié)電路、攝像機控制電路、斜波發(fā)生電路、電壓比較器單元、機械手單片機控制單元等部分組成。
切換電路實現(xiàn)控制信號的選擇，外部的主要輸入均首先輸入到切換電路；燈光調(diào)節(jié)電路、攝像機控制電路、搖桿輸入處理電路等的輸入都來自切換電路的輸出；小車和二維云臺單片機控制單元接收來自搖桿輸入處理電路的輸出信號、電壓比較器單元輸出的控制電機速度的PWM信號以及來自電機控制驅(qū)動電路的過流保護信號，小車和二維云臺單片機控制單元根據(jù)輸入的信號實現(xiàn)對電機驅(qū)動控制電路的控制，同時小車和二維云臺單片機控制單還控制斜波發(fā)生電路所產(chǎn)生的斜波電壓信號的頻率；電機驅(qū)動控制電路接收來自小車控制單元的電機控制信號實現(xiàn)對各種電機包括清掃機旋轉(zhuǎn)電機11’、吸塵器旋轉(zhuǎn)電機14’及切割機旋轉(zhuǎn)電機19’等的控制。為了保證各種電機的正常運轉(zhuǎn)，本發(fā)明的電機驅(qū)動控制電路采用兩個冗余設(shè)計，一旦一個電機驅(qū)動控制電路發(fā)生故障，另一個仍可以正常工作。
控制器的工作過程如下通過對切換按鈕的操作切換控制通道，燈光調(diào)節(jié)電路根據(jù)從切換電路輸出的燈光調(diào)節(jié)信號控制燈光的亮度；攝像機控制電路根據(jù)從切換電路輸出的攝像機調(diào)節(jié)信號控制攝像機的工作；搖桿輸入處理電路對切換電路所選通的搖桿信號進行處理，獲得控制電機轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度的控制信號，轉(zhuǎn)動方向的控制信號直接作為小車和二維云臺單片機控制單元的輸入，轉(zhuǎn)動速度的控制電壓信號作為電壓比較器單元的輸入與斜波發(fā)生電路產(chǎn)生的斜波電壓信號進行比較得到控制電機速度的PWM信號；小車和二維云臺單片機控制單元根據(jù)輸入的電機轉(zhuǎn)動方向控制信號和控制電機速度的PWM信號以及來自電機控制驅(qū)動電路的過流保護信號給出最后的電機控制信號；電機驅(qū)動控制電路根據(jù)接收來自小車和二維云臺單片機控制單元的控制信號實現(xiàn)對小車和二維云臺驅(qū)動電機的控制，從而實現(xiàn)小車和云臺的各種運動。
為了方便現(xiàn)場使用，本發(fā)明的機械手可以自由拆卸，因此小車和機械手控制電路的設(shè)計也是完全獨立的，控制電路根據(jù)機械手操縱桿的輸入以及電機控制驅(qū)動單元的反饋信息做出控制判斷。機械手控制信號的輸入包括兩部分通過操縱桿輸入的控制信號經(jīng)過搖桿輸入處理電路后可以獲得控制電機轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度的控制信號，轉(zhuǎn)動方向的控制信號直接作為機械手單片機控制單元的輸入，轉(zhuǎn)動速度的控制電壓信號作為電壓比較器單元的輸入與斜波發(fā)生電路產(chǎn)生的斜波電壓信號進行比較得到控制電機速度的PWM信號；通過按鍵輸入的控制信號直接作為機械手單片機控制單元的輸入；機械手單片機控制單元根據(jù)輸入的電機轉(zhuǎn)動方向控制信號和控制電機速度的PWM信號、外部直接輸入的控制信號以及來自電機控制驅(qū)動電路的過流保護信號給出最后的電機控制信號；電機驅(qū)動控制電路根據(jù)接收來自機械手單片機控制單元的控制信號實現(xiàn)對機械手驅(qū)動電機的控制，從而實現(xiàn)機械手的各種動作。
如圖8所示，為圖7中的搖桿輸入處理電路的原理框圖，該搖桿輸入處理電路主要由緩沖、差動放大、參考電壓設(shè)定、放大偏移、方向識別、輸出等部分組成，搖桿輸出信號首先通過緩沖電路處理后再作為兩個差動放大電路和方向識別電路的輸入。參考電壓設(shè)定部分根據(jù)操縱桿復(fù)位狀態(tài)下電位器中間抽頭的電壓值調(diào)整參考電壓設(shè)定值，從而在操縱桿復(fù)位狀態(tài)下使兩個差動放大電路的輸出為零；兩差動放大電路(運算放大器用單電源供電)輸出通過兩二極管疊加實現(xiàn)“Y＝k|X-m|”的近似函數(shù)功能。因為二極管的正向壓降的影響，通過二極管疊加的信號作為放大偏移電路的輸入，從而將速度控制電壓信號調(diào)整到合適的范圍；方向識別電路用比較器實現(xiàn)，可以識別操縱桿8個方向的動作，方向識別電路的輸出通過輸出電路部分實現(xiàn)輸出的光電隔離。
如圖9所示，為圖7中的電機驅(qū)動控制電路的原理框圖，電機驅(qū)動控制電路主要由光電隔離、H橋電機控制、過流保護等部分組成，外部控制電機的方向信號、速度信號均通過光電隔離處理后再輸入H橋電機控制電路部分，該部分電路根據(jù)輸入的電機方向和速度控制信號實現(xiàn)對電機的控制；過流保護電路對電機工作電流進行取樣并處理，根據(jù)設(shè)定的閾值得到過流保護信號，該信號通過光電隔離處理后輸出。
圖10所示，為圖7中燈光調(diào)節(jié)電路的原理框圖。燈光調(diào)節(jié)電路主要是實現(xiàn)對一個150～250瓦的燈的亮度調(diào)節(jié)，要求能在滿功率范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。它包括過零檢測電路、斜波發(fā)生器電路、比較器、可控硅觸發(fā)器。過零檢測電路每次檢測到交流過零信號便復(fù)位斜波發(fā)生電路，從而得到周期為100Hz的斜波電壓信號；調(diào)光電壓(外部電路輸入)和斜波電壓信號同時輸入一個比較器得到一PWM信號，此PWM信號作為可控硅觸發(fā)電路的輸入便可以控制燈光的亮度。由于燈電源線與攝像機視頻信號線處于同一電纜內(nèi)，對圖像容易產(chǎn)生干擾問題。在本設(shè)計中，通過在燈電源線上串接一個電感抑制可控硅開通電流，達到了消除對視頻信號的干擾。
如圖11為圖7中的切換電路原理圖，切換電路主要由繼電器驅(qū)動電路和繼電器陣列兩部分組成，外部的切換信號輸入到繼電器驅(qū)動電路，繼電器驅(qū)動電路根據(jù)輸入的信號實現(xiàn)對繼電器陣列的控制，從而通過繼電器陣列實現(xiàn)對輸入的選通。
如圖12為圖7中的攝像機控制電路原理圖，攝像機控制電路主要由電源單元、電壓比較器單元、單片機控制單元等部分組成。電源單元為電壓比較器單元、單片機控制單元以及攝像機提供電源。電壓比較器單元將輸入的控制信號與不同的參考電壓進行比較，得到數(shù)字化的攝像機控制指令；單片機讀取電壓比較器單元輸出的數(shù)字化的攝像機控制指令，同時將指令解釋編碼通過串口發(fā)送到攝像機實現(xiàn)對攝像機的控制。
本發(fā)明整個動態(tài)工作過程如下水下多功能機器人的整個動態(tài)工作過程如下首先在吊裝裝置的幫助下將機器人主體放入水池底部后。機器人主體在照明系統(tǒng)、攝像系統(tǒng)的監(jiān)控下通過操控面板上的小車控制搖桿運動到需要執(zhí)行任務(wù)的位置。針對任務(wù)需要再由控制面板上相應(yīng)的控制區(qū)域分別控制主體上搭載的功能組件機械手系統(tǒng)、水下清掃機、水下吸泵機、水下切割機、水下焊接機以完成任務(wù)，而后再由吊裝裝置將主體運送上岸根據(jù)不同需要更換上其他功能組件以執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。
權(quán)利要求
1.水下多功能機器人，其特征在于主要包括運動車體系統(tǒng)、搭載于運動車體系統(tǒng)上的水下攝像系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)，功能組件、操作控制器，其中功能組件包括水下清掃機、或水下吸泵機、或水下切割機、或水下焊接機中的一種或者組合，操作控制器通過控制線分別與運動車體系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)、功能組件、水下攝像系統(tǒng)連接，驅(qū)動或控制其工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的機械手系統(tǒng)主要由機械手旋轉(zhuǎn)電機、機械手?jǐn)[動大臂、機械手?jǐn)[動小臂、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、機械夾緊手指及吸附用吸盤，機械手旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸與機械手?jǐn)[動大臂連接，實現(xiàn)機械手?jǐn)[動大臂的擺動；機械手?jǐn)[動小臂連接于機械手?jǐn)[動大臂后端旋轉(zhuǎn)輸出軸上；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)又連接于機械手?jǐn)[動小臂后端旋轉(zhuǎn)輸出軸上；機械夾緊手指、吸附用吸盤并行連接于旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)后端以實現(xiàn)對一定范圍內(nèi)異物的抓取與吸附。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的水下攝像系統(tǒng)是由攝像機、照明燈、二維轉(zhuǎn)動云臺組成，攝像機與照明燈通過旋轉(zhuǎn)軸剛性連接在一起，旋轉(zhuǎn)軸為二維轉(zhuǎn)動云臺的輸出端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的功能組件中的水下洗塵器用于吸取水下掉入的碎渣，它主要包括吸塵器旋轉(zhuǎn)電機、吸塵器擺動大臂、吸泵、吸入渣子過濾網(wǎng)、渣子容器、吸泵中水及渣子的入口，吸塵器旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸與吸塵器擺動大臂連接，從而實現(xiàn)吸塵器擺動大臂的擺動，吸泵連接于擺動大臂后端，吸塵器旋轉(zhuǎn)電機控制擺動大臂擺動，使吸泵置于渣子的位置，吸泵中水及渣子的入口、渣子容器、吸入渣子過濾網(wǎng)依次連接組成吸塵機的工作通路，從吸泵中水及渣子從吸泵中水及渣子的入口進入，其中水中的渣子通過渣子容器收集起來，水則經(jīng)過吸入渣子過濾網(wǎng)過濾后進入吸泵，從吸泵的出口水排出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的功能組件中的水下清掃機用于清掃水中小型無規(guī)則異物，它主要包括清掃機旋轉(zhuǎn)電機、清掃機擺動大臂、清掃物收集框和清掃葉片機構(gòu)，清掃機電機的輸出軸與清掃機擺動大臂連接，實現(xiàn)清掃機擺動大臂的擺動，清掃葉片機構(gòu)的前端連接于擺動大臂后端，清掃葉片機構(gòu)后端連接清掃物收集框，擺動大臂在清掃電機的驅(qū)動下將清掃葉片機構(gòu)及清掃物收集框放到異物附近，啟動清掃葉片電機將異物掃入收集框后完成對異物的清掃。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的功能組件中的水下切割用于切割水下各種材料的棒料或板料，它主要包括切割機旋轉(zhuǎn)電機、切割機擺動大臂、切割機頂緊支撐機構(gòu)、切割機擺動小臂、切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、切割鋸片，旋轉(zhuǎn)電機的輸出軸與切割機擺動大臂連接，從而實現(xiàn)切割機擺動大臂的擺動，切割機擺動大臂上搭載了切割機擺動小臂及切割機頂緊支承機構(gòu)，在切割機擺動小臂上又連接了切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，在切割面旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的末端連接了切割鋸片，切割鋸片在前端三自由度的搭載下可以對一定范圍內(nèi)的棒料或板料實現(xiàn)切割。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的控制器主要由小車和二維云臺單片機控制單元、電機控制驅(qū)動電路、操縱桿輸入處理電路、切換電路、燈光調(diào)節(jié)電路、攝像機控制電路、斜波發(fā)生電路、電壓比較器單元、機械手單片機控制單元組成，通過對切換按鈕的操作切換控制通道，燈光調(diào)節(jié)電路根據(jù)從切換電路輸出的燈光調(diào)節(jié)信號控制燈光的亮度；攝像機控制電路根據(jù)從切換電路輸出的攝像機調(diào)節(jié)信號控制攝像機的工作；搖桿輸入處理電路對切換電路所選通的搖桿信號進行處理，獲得控制電機轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度的控制信號，轉(zhuǎn)動方向的控制信號直接作為小車和二維云臺單片機控制單元的輸入，轉(zhuǎn)動速度的控制電壓信號作為電壓比較器單元的輸入與斜波發(fā)生電路產(chǎn)生的斜波電壓信號進行比較得到控制電機速度的PWM信號；小車和二維云臺單片機控制單元根據(jù)輸入的電機轉(zhuǎn)動方向控制信號和控制電機速度的PWM信號以及來自電機控制驅(qū)動電路的過流保護信號給出最后的電機控制信號；電機驅(qū)動控制電路根據(jù)接收來自小車和二維云臺單片機控制單元的控制信號實現(xiàn)對小車和二維云臺驅(qū)動電機的控制，從而實現(xiàn)小車和云臺的各種運動；機械手控制信號的輸入包括兩部分通過操縱桿輸入的控制信號經(jīng)過搖桿輸入處理電路后可以獲得控制電機轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動速度的控制信號，轉(zhuǎn)動方向的控制信號直接作為機械手單片機控制單元的輸入，轉(zhuǎn)動速度的控制電壓信號作為電壓比較器單元的輸入與斜波發(fā)生電路產(chǎn)生的斜波電壓信號進行比較得到控制電機速度的PWM信號；通過按鍵輸入的控制信號直接作為機械手單片機控制單元的輸入；機械手單片機控制單元根據(jù)輸入的電機轉(zhuǎn)動方向控制信號和控制電機速度的PWM信號、外部直接輸入的控制信號以及來自電機控制驅(qū)動電路的過流保護信號給出最后的電機控制信號；電機驅(qū)動控制電路根據(jù)接收來自機械手單片機控制單元的控制信號實現(xiàn)對機械手驅(qū)動電機的控制，從而實現(xiàn)機械手的各種動作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的搖桿輸入處理電路主要由緩沖、差動放大、參考電壓設(shè)定、放大偏移、方向識別電路、輸出等部分組成，搖桿輸出信號通過緩沖電路處理后再作為兩個差動放大電路和方向識別電路的輸入，參考電壓設(shè)定部分根據(jù)操縱桿復(fù)位狀態(tài)下電位器中間抽頭的電壓值調(diào)整參考電壓設(shè)定值，在操縱桿復(fù)位狀態(tài)下使兩個差動放大電路的輸出為零；兩差動放大電路輸出通過兩二極管疊加實現(xiàn)“Y＝k|X-m|”的近似函數(shù)功能；方向識別電路采用比較器實現(xiàn)，用于識別操縱桿8個方向的動作，方向識別電路的輸出通過輸出電路部分實現(xiàn)輸出的光電隔。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的電機驅(qū)動控制電路主要由光電隔離、H橋電機控制、過流保護等部分組成，外部控制電機的方向信號、速度信號均通過光電隔離處理后再輸入H橋電機控制電路部分，該部分電路根據(jù)輸入的電機方向和速度控制信號實現(xiàn)對電機的控制；過流保護電路對電機工作電流進行取樣并處理，根據(jù)設(shè)定的閾值得到過流保護信號，該信號通過光電隔離處理后輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的水下多功能機器人，其特征在于所述的燈光調(diào)節(jié)電路包括過零檢測電路、斜波發(fā)生器電路、比較器、可控硅觸發(fā)器，燈光調(diào)節(jié)模塊主要是實現(xiàn)對150～250瓦的燈的亮度調(diào)節(jié)，過零檢測電路每次檢測到交流過零信號便復(fù)位斜波發(fā)生電路，得到周期為100Hz的斜波電壓信號；調(diào)光電壓和斜波電壓信號同時輸入一個比較器得到PWM信號，此PWM信號作為可控硅觸發(fā)電路的輸入便可以控制燈光的亮度。
全文摘要
水下多功能機器人，其特征在于主要包括運動車體系統(tǒng)、搭載于運動車體系統(tǒng)上的水下攝像系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)，功能組件、操作控制器，其中功能組件包括水下清掃機、或水下吸泵機、或水下切割機、或水下焊接機中的一種或者組合，操作控制器通過控制線分別與運動車體系統(tǒng)、機械手系統(tǒng)、功能組件、水下攝像系統(tǒng)連接，驅(qū)動或控制其工作。本項發(fā)明不僅具有體積小、功能全、自動化程度高、適用范圍廣、爬坡能力強、可靠性好、操作直觀簡便等優(yōu)點，而且特別適用在有核輻射或有毒有害的水下、大氣環(huán)境中或人員無法達到的現(xiàn)場進行使用。
文檔編號B25J5/00GK1876486SQ20061008950
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月30日
發(fā)明者李聲, 馮常, 蔡根 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所