專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于圖像處理的水下機(jī)器人，可自動(dòng)進(jìn)行水下勘探及簡(jiǎn)單的水下作業(yè)。
背景技術(shù)：
水下自動(dòng)機(jī)器人是一種非常適合于水下搜索、調(diào)查、識(shí)別和打撈作業(yè)的既經(jīng)濟(jì)又安全的工具。在軍事上，水下自動(dòng)機(jī)器人亦是一種有效的水中兵器。與載人潛水器相比較，它具有安全(無(wú)人)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、尺寸小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。而與遙控水下機(jī)器人(ROV)相比，它具有活動(dòng)范圍大、潛水深度深、可進(jìn)入復(fù)雜結(jié)構(gòu)中、不需要龐大水面支持、占用甲板 面積小和成本低等優(yōu)點(diǎn)。水下自動(dòng)機(jī)器人代表了未來(lái)水下機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向，是當(dāng)前世界各國(guó)研究工作的熱點(diǎn)。因此，研發(fā)一種結(jié)構(gòu)可靠、技術(shù)成熟、自動(dòng)化高、成本低廉能夠?yàn)樗驴碧胶退伦鳂I(yè)提供較高性能的水下機(jī)器人，是一個(gè)十分有前景的研究。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效的基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型所采取的技術(shù)方案是一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，包括浮箱和設(shè)在浮箱底部的異型鋁骨架；所述浮箱中設(shè)有主控制器，浮箱上設(shè)有傳感器模塊和視頻模塊，主控制器通過(guò)CAN模塊與遠(yuǎn)程交互平臺(tái)連接；所述鋁骨架的兩端各設(shè)有一個(gè)水平的直流減速電機(jī)和一個(gè)豎直的浮升電機(jī)，并且兩個(gè)浮升電機(jī)均位于兩個(gè)直流減速電機(jī)的外側(cè)；所述四個(gè)電機(jī)的軸各與一個(gè)漿式推進(jìn)器固定連接；鋁骨架的前端設(shè)有多自由度機(jī)械手。其中，所述四個(gè)電機(jī)的外部各設(shè)有一個(gè)防水鋁套，漿式推進(jìn)器的外部套覆有整流罩。其中，所述傳感器模塊包括分別與主控制器連接的液位傳感器、加速度傳感器和電子羅盤(pán)。其中，所述視頻模塊包括分別與主控制器連接的全景云臺(tái)攝像頭、液晶顯示屏和視頻采集卡。其中，所述主控制器采用ARM芯片。其中，所述多自由度機(jī)械手包括水平移動(dòng)平臺(tái)，水平移動(dòng)平臺(tái)套裝在光軸上，光軸通過(guò)分別設(shè)在其兩端的兩塊豎直撐板固定在鋁骨架上；水平移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)其上部的凸臺(tái)與同步帶相連；水平移動(dòng)平臺(tái)的底部固定有與其垂直的平臺(tái)，垂直平臺(tái)上設(shè)有一對(duì)帶沉孔的夾板，夾板之間設(shè)有擺動(dòng)電機(jī)，擺動(dòng)電機(jī)的兩端分設(shè)有電機(jī)軸和輔助軸，電機(jī)軸和輔助軸分別穿過(guò)兩個(gè)夾板上的沉孔后，分別與設(shè)在夾板外側(cè)的一對(duì)外側(cè)夾板固定連接；兩個(gè)外側(cè)夾板之間設(shè)有與其固定的擺動(dòng)平臺(tái)，擺動(dòng)平臺(tái)的頂部設(shè)有開(kāi)合電機(jī)，其底部設(shè)有一對(duì)相互嚙合的半齒輪；開(kāi)合電機(jī)的電機(jī)軸穿過(guò)擺動(dòng)平臺(tái)上的沉孔與其正下方的半齒輪的中心通過(guò)聯(lián)軸器相連；兩個(gè)半齒輪的前端各與一個(gè)鋁制爪相連。采用上述技術(shù)方案所產(chǎn)生的有益效果在于本實(shí)用新型通過(guò)可更換的多自由度機(jī)械手，完成一些簡(jiǎn)單的水下作業(yè)，并且通過(guò)攝像頭采集信息和圖像識(shí)別、處理，使機(jī)器人在水中進(jìn)行圖像采集勘探及簡(jiǎn)單的水下作業(yè)。本實(shí)用新型的控制系統(tǒng)是由飛行搖桿改裝而成的，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)速度與搖桿的傾斜方向和傾斜角度成正比關(guān)系；人性化的飛行搖桿運(yùn)動(dòng)控制與比例模型機(jī)械控制，使用起來(lái)簡(jiǎn)單直觀；縱向雙推進(jìn)平衡系統(tǒng)，便于執(zhí)行負(fù)重任務(wù)。雙筒結(jié)構(gòu)，外觀新穎獨(dú)特；機(jī)器人密度與水相似，可完成無(wú)動(dòng)力或小動(dòng)力懸浮；機(jī)器人上方的控制箱即浮箱，使結(jié)構(gòu)緊湊；機(jī)器人前方的多自由度的機(jī)械手，使機(jī)器人可執(zhí)行復(fù)雜的水下抓取打撈等高精度作業(yè)；水下機(jī)器人是依靠自身攜帶的液位傳感器，加速度傳感器等各式傳感器和電子羅盤(pán)、攝像頭等裝置來(lái)采集信息，視頻信號(hào)通過(guò)線纜傳回岸基
屏幕進(jìn)行圖像處理，配合操作者的調(diào)控，使機(jī)器人在水下三維空間中可以實(shí)現(xiàn)全向移動(dòng)，以進(jìn)行水下搜索、考察、識(shí)別和打撈作業(yè)。

圖I是本實(shí)用新型的為整體結(jié)構(gòu)圖；圖2是圖I的俯視圖；圖3是多自由度機(jī)械手的結(jié)構(gòu)圖；圖中3_1、浮箱，3-2、漿式推進(jìn)器，3-3、多自由度機(jī)械手，3-4、整流罩，3-5、浮升電機(jī)，3-6、直流減速電機(jī)，4-1、水平移動(dòng)平臺(tái)，4-2、光軸，4-3、同步輪，4-4、同步帶，4-5、垂直平臺(tái)，4-6、擺動(dòng)平臺(tái)，4-7、擺動(dòng)電機(jī)，4-8、開(kāi)合電機(jī)，4-9、半齒輪，5-1、異型鋁骨架，5-2、電機(jī)防水鋁套，5-3、電機(jī)尾部密封套，5-4、配重滑塊。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。如圖1、2所示為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)用新型為一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，包括浮箱3-1和設(shè)在浮箱3-1底部的異型鋁骨架5-1 ;所述浮箱3-1中設(shè)有主控制器，浮箱3-1上設(shè)有傳感器模塊和視頻模塊，傳感器模塊包括分別與主控制器連接的液位傳感器、加速度傳感器和電子羅盤(pán)，視頻模塊包括分別與主控制器連接的全景云臺(tái)攝像頭、液晶顯示屏和視頻采集卡；主控制器采用ARM芯片，并通過(guò)CAN模塊與遠(yuǎn)程交互平臺(tái)進(jìn)行通信連接，遠(yuǎn)程交互平臺(tái)安置在岸基，用于控制水下機(jī)器人；鋁骨架5-1的兩端各設(shè)有一個(gè)水平的直流減速電機(jī)3-6和一個(gè)豎直的浮升電機(jī)3-5,并且兩個(gè)浮升電機(jī)3-5均位于兩個(gè)直流減速電機(jī)3-6的外側(cè)；四個(gè)電機(jī)的軸各與一個(gè)漿式推進(jìn)器3-2固定連接，四個(gè)電機(jī)的外部各設(shè)有一個(gè)防水鋁套5-2，漿式推進(jìn)器3-2的外部套覆有整流罩3-4 ;鋁骨架5-1的前端設(shè)有多自由度機(jī)械手3-3。本實(shí)用新型的主控制器為ARM芯片，該芯片用于采集和儲(chǔ)存外部信息、感知外部和系統(tǒng)內(nèi)部模塊產(chǎn)生的信息并控制機(jī)器人的各個(gè)模塊。水下機(jī)器人的控制系統(tǒng)是利用人工主導(dǎo)和智能調(diào)整兩部分相結(jié)合的技術(shù)，利用水下機(jī)器人通過(guò)下位機(jī)采集回來(lái)的數(shù)據(jù)傳輸回岸基部分，操作者通過(guò)傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)對(duì)機(jī)器人的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)宏觀方向的操作，當(dāng)趨于接近目標(biāo)物或者目的地時(shí)，則利用水下機(jī)器人自身安裝的各種傳感器接收前方傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)自行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境精細(xì)操作的步驟，從而可以實(shí)現(xiàn)水下機(jī)器人能夠順利的完成水下任務(wù)。對(duì)于人工主導(dǎo)部分，是利用飛行搖桿運(yùn)動(dòng)控制與比例模型機(jī)械的原理，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)速度與搖桿的傾斜方向和傾斜角度成正比關(guān)系。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)比例模型控制的，機(jī)械臂的姿態(tài)與比例模型的姿態(tài)瞬時(shí)對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)人工的宏觀調(diào)節(jié)；機(jī)器人自身根據(jù)所處的情況實(shí)現(xiàn)自身微調(diào)的部分，是水下機(jī)器人依靠自身攜帶的液位傳感器、加速度傳感器等各式傳感器和電子羅盤(pán)、攝像頭等裝置來(lái)采集信息，視頻信號(hào)通過(guò)線纜傳回岸基屏幕進(jìn)行圖像處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)遙控信號(hào)進(jìn)行修正，最終作出合理動(dòng)作。本實(shí)用新型的傳感器模塊包括液位傳感器、加速度傳感器、電子羅盤(pán)。其中，液位傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人行進(jìn)深度，加速度傳感器用于檢測(cè)機(jī)器人行進(jìn)時(shí)的加速度力，電子羅盤(pán)用于實(shí)時(shí)提供機(jī)器人的航向和姿態(tài)。通過(guò)各個(gè)傳感器提供的數(shù)據(jù)，使水下機(jī)器人更好地進(jìn)行圖像采集，水下作業(yè)。本實(shí)用新型的通信模塊采用CAN模塊，CAN模塊是一款對(duì)機(jī)器人整體各電子控制 裝置之間實(shí)現(xiàn)通訊數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的智能電控設(shè)備，從而使機(jī)器人整體實(shí)現(xiàn)車(chē)載電控裝置區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。采用了功能強(qiáng)大的帶有兩路CAN控制器的16位微控制器。支持CAN2.0A和CAN2. OB協(xié)議。按"SAE J1939 "標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議開(kāi)發(fā).支持K線診斷功能?？赏瑫r(shí)適用于高速和低速CAN總線網(wǎng)絡(luò)。具有很好的密封性，可使用于水下惡劣環(huán)境。兩個(gè)水平放置的直流減速電機(jī)3-6用以提供平移動(dòng)力，兩個(gè)垂直放置的浮升電機(jī)3-5用以提供縱向動(dòng)力。水平方向通過(guò)推進(jìn)器差速來(lái)實(shí)現(xiàn)方向調(diào)整，豎直方向?yàn)榉胖糜谥行牡囊惶赘灿姓髡值臐{式推進(jìn)器調(diào)速用于姿態(tài)平衡和實(shí)現(xiàn)豎直方向的升降。漿式推進(jìn)器
3-2用于姿態(tài)平衡和實(shí)現(xiàn)豎直方向的升降。電機(jī)外部有防水鋁套5-2，且靠螺紋夾緊頂蓋與電機(jī)套筒上緊配的尼龍圈間的硅膠墊，防止水從端蓋進(jìn)入電機(jī)套筒，電機(jī)尾部密封套5-3靠頂蓋上螺絲提供的拉力夾緊O形圈防止水從電機(jī)尾部密封套5-3進(jìn)入電機(jī)套筒。視頻模塊包括攝像頭、19寸的液晶顯示屏和視頻采集卡。水下機(jī)器人的上方有一個(gè)全景云臺(tái)攝像頭，可以完整觀測(cè)到機(jī)器人周?chē)沫h(huán)境并能通過(guò)線纜傳回岸基的屏幕供操作者分析判斷。視頻信號(hào)通過(guò)線纜傳回岸基屏幕，操作者可根據(jù)圖像獲得此刻水下機(jī)器人自身各種電位計(jì)的狀態(tài)，實(shí)時(shí)改變水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)并對(duì)水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向以及運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)控，能夠迅速對(duì)目標(biāo)物或者目的地進(jìn)行判斷甄別。本實(shí)用新型的上部分為有機(jī)玻璃浮箱，攝像頭、控制電路、圖像采集與識(shí)別系統(tǒng)均安裝在浮箱中，實(shí)現(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單水下作業(yè)的控制；機(jī)器人下部分為框架結(jié)構(gòu)，框架由20*20異形鋁型材搭建，用角鋁連接。上下部分兩種不同材質(zhì)，使機(jī)器人重心和浮心分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)無(wú)動(dòng)力或小動(dòng)力懸浮。如圖3所示，鋁骨架5-1的前端設(shè)有一個(gè)多自由度機(jī)械手3-3。多自由度機(jī)械手
3-3包括擺動(dòng)電機(jī)4-7、開(kāi)合電機(jī)4-8、一對(duì)半齒輪4-9和一對(duì)鋁制爪；水平移動(dòng)平臺(tái)4_1套裝在光軸4-2上，并且水平移動(dòng)平臺(tái)4-1的背部設(shè)有直線軸承，保證其在光軸4-2上做平行平穩(wěn)滑動(dòng)；水平移動(dòng)平臺(tái)4-1表面上設(shè)置多個(gè)排水孔，可減少機(jī)器人在水中的阻力；光軸
4-2通過(guò)分別設(shè)在其兩端的兩塊豎直撐板固定在鋁骨架5-1上；水平移動(dòng)平臺(tái)4-1通過(guò)其上部的凸臺(tái)與同步帶4-4相連。水平移動(dòng)平臺(tái)4-1的底部固定有與其垂直的平臺(tái)4-5，垂直平臺(tái)4-5上設(shè)有一對(duì)帶沉孔的夾板，夾板之間設(shè)有擺動(dòng)電機(jī)4-7，擺動(dòng)電機(jī)4-7的兩端分設(shè)有電機(jī)軸和輔助軸，電機(jī)軸和輔助軸分別穿過(guò)兩個(gè)夾板上的沉孔后，分別與設(shè)在夾板外側(cè)的一對(duì)外側(cè)夾板固定連接；兩個(gè)外側(cè)夾板之間設(shè)有與其固定的擺動(dòng)平臺(tái)4-6，擺動(dòng)平臺(tái)4-6的頂部設(shè)有開(kāi)合電機(jī)
4-8，其底部設(shè)有一對(duì)相互嚙合的半齒輪4-9 ;開(kāi)合電機(jī)4-8的電機(jī)軸穿過(guò)擺動(dòng)平臺(tái)4-6上的沉孔與其正下方的半齒輪的中心通過(guò)聯(lián)軸器相連；兩個(gè)半齒輪4-9的前端各與一個(gè)鋁制爪相連；兩爪通過(guò)中間夾的有機(jī)玻璃墊片和螺釘連為一體，不會(huì)發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并自強(qiáng)兩側(cè)的鋁制爪通過(guò)彈簧拉緊。齒輪上的凸起將鋁制爪卡住防止爪頂部相撞，而彈簧可以在機(jī)械爪抓取物品時(shí)提供柔性加持力。綜上所述，通過(guò)直流減速電機(jī)3-6、擺動(dòng)電機(jī)4-7和開(kāi)合電機(jī)4_8賦予多自由度機(jī)械手3-3三個(gè)自由度左右平移運(yùn)動(dòng)、上下擺動(dòng)和開(kāi)合。其中，直流減速電機(jī)3-6的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)同步輪4-3和同步帶4-4轉(zhuǎn)換為水平移動(dòng)平臺(tái)4-1在光軸4-2上精確水平移動(dòng)；擺動(dòng)電機(jī) 4-7的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)分別與其電機(jī)軸和輔助軸相連的兩個(gè)外側(cè)夾板轉(zhuǎn)換為擺動(dòng)平臺(tái)4-6的上下擺動(dòng)；開(kāi)合電機(jī)4-8的電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)兩個(gè)半齒輪4-9的傳動(dòng)，控制兩個(gè)鋁制爪的開(kāi)合；鋁制爪為鋸齒狀、上下兩層結(jié)構(gòu)，可以?shī)A起多種形狀的物體。本實(shí)用新型通過(guò)三組電纜與岸基控制箱連接，經(jīng)過(guò)人工調(diào)控和自身調(diào)節(jié)可以對(duì)目標(biāo)物完成抓取采集、定點(diǎn)投放、移動(dòng)搬運(yùn)等高精度復(fù)雜動(dòng)作，能夠順利實(shí)現(xiàn)水下作業(yè)。本實(shí)用新型的電源模塊包括主電源、鉛酸蓄電池備用電源和直流穩(wěn)壓模塊，提供24V和12V電壓。當(dāng)有市電接口時(shí)可以用開(kāi)關(guān)電源提供電力，當(dāng)戶(hù)外移動(dòng)式時(shí)，可以用鉛酸蓄電池來(lái)提供電力。
權(quán)利要求1.一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，包括浮箱(3-1)和設(shè)在浮箱(3-1)底部的異型鋁骨架(5-1);所述浮箱(3-1)中設(shè)有主控制器，浮箱(3-1)上設(shè)有傳感器模塊和視頻模塊，主控制器通過(guò)CAN模塊與遠(yuǎn)程交互平臺(tái)連接；所述鋁骨架(5-1)的兩端各設(shè)有一個(gè)水平的直流減速電機(jī)(3-6 )和一個(gè)豎直的浮升電機(jī)(3-5 )，并且兩個(gè)浮升電機(jī)(3-5 )均位于兩個(gè)直流減速電機(jī)(3-6)的外側(cè)；所述四個(gè)電機(jī)的軸各與一個(gè)漿式推進(jìn)器(3-2)固定連接；鋁骨架(5-1)的前端設(shè)有多自由度機(jī)械手(3-3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，其特征在于所述四個(gè)電機(jī)的外部各設(shè)有一個(gè)防水鋁套(5-2)，漿式推進(jìn)器(3-2)的外部套覆有整流罩(3-4)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，其特征在于所述傳感器模塊包括分別與主控制器連接的液位傳感器、加速度傳感器和電子羅盤(pán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，其特征在于所述視頻模塊包括分別與主控制器連接的全景云臺(tái)攝像頭、液晶顯示屏和視頻采集卡。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，其特征在于所述主控制器采用ARM芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，其特征在于所述多自由度機(jī)械手(3-3)包括水平移動(dòng)平臺(tái)(4-1)，水平移動(dòng)平臺(tái)(4-1)套裝在光軸(4-2)上，光軸(4-2)通過(guò)分別設(shè)在其兩端的兩塊豎直撐板固定在鋁骨架(5-1)上；水平移動(dòng)平臺(tái)(4-1)通過(guò)其上部的凸臺(tái)與同步帶(4-4)相連；水平移動(dòng)平臺(tái)(4-1)的底部固定有與其垂直的平臺(tái)(4-5)，垂直平臺(tái)(4-5)上設(shè)有一對(duì)帶沉孔的夾板，夾板之間設(shè)有擺動(dòng)電機(jī)(4-7)，擺動(dòng)電機(jī)(4-7)的兩端分設(shè)有電機(jī)軸和輔助軸，電機(jī)軸和輔助軸分別穿過(guò)兩個(gè)夾板上的沉孔后，分別與設(shè)在夾板外側(cè)的一對(duì)外側(cè)夾板固定連接；兩個(gè)外側(cè)夾板之間設(shè)有與其固定的擺動(dòng)平臺(tái)(4-6)，擺動(dòng)平臺(tái)(4-6)的頂部設(shè)有開(kāi)合電機(jī)(4-8)，其底部設(shè)有一對(duì)相互嚙合的半齒輪(4-9);開(kāi)合電機(jī)(4-8)的電機(jī)軸穿過(guò)擺動(dòng)平臺(tái)(4-6)上的沉孔與其正下方的半齒輪的中心通過(guò)聯(lián)軸器相連；兩個(gè)半齒輪(4-9)的前端各與一個(gè)鋁制爪相連。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種基于圖像處理的自我控制水下機(jī)器人，包括浮箱和設(shè)在浮箱底部的異型鋁骨架；所述浮箱中設(shè)有主控制器，浮箱上設(shè)有傳感器模塊和視頻模塊，主控制器通過(guò)CAN模塊與遠(yuǎn)程交互平臺(tái)連接；所述鋁骨架的兩端各設(shè)有一個(gè)水平的直流減速電機(jī)和一個(gè)豎直的浮升電機(jī)，并且兩個(gè)浮升電機(jī)均位于兩個(gè)直流減速電機(jī)的外側(cè)；所述四個(gè)電機(jī)的軸各與一個(gè)漿式推進(jìn)器固定連接；鋁骨架的前端設(shè)有多自由度機(jī)械手。本實(shí)用新型通過(guò)可更換的多自由度機(jī)械手，完成一些簡(jiǎn)單的水下作業(yè)，并且通過(guò)攝像頭采集信息和圖像識(shí)別、處理，使機(jī)器人在水中進(jìn)行圖像采集勘探及簡(jiǎn)單的水下作業(yè)。
文檔編號(hào)B25J11/00GK202703877SQ201220409639
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月18日
發(fā)明者黃中意, 吳光輝, 趙新?tīng)N, 李智博, 史賀, 紀(jì)程錦, 劉尊 申請(qǐng)人:鄭州大學(xué)