專利名稱：一種基于圖像處理的自我控制水下機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于圖像處理的水下機器人，可自動進行水下勘探及簡單的水下作業。
背景技術：
水下自動機器人是一種非常適合于水下搜索、調查、識別和打撈作業的既經濟又安全的工具。在軍事上，水下自動機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(無人)、結構簡單、重量輕、尺寸小、造價低等優點。而與遙控水下機器人(ROV)相比，它具有活動范圍大、潛水深度深、可進入復雜結構中、不需要龐大水面支持、占用甲板 面積小和成本低等優點。水下自動機器人代表了未來水下機器人技術的發展方向，是當前世界各國研究工作的熱點。因此，研發一種結構可靠、技術成熟、自動化高、成本低廉能夠為水下勘探和水下作業提供較高性能的水下機器人，是一個十分有前景的研究。

實用新型內容本實用新型要解決的技術問題是提供了一種結構簡單、高效的基于圖像處理的自我控制水下機器人。為解決上述技術問題，本實用新型所采取的技術方案是一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，包括浮箱和設在浮箱底部的異型鋁骨架；所述浮箱中設有主控制器，浮箱上設有傳感器模塊和視頻模塊，主控制器通過CAN模塊與遠程交互平臺連接；所述鋁骨架的兩端各設有一個水平的直流減速電機和一個豎直的浮升電機，并且兩個浮升電機均位于兩個直流減速電機的外側；所述四個電機的軸各與一個漿式推進器固定連接；鋁骨架的前端設有多自由度機械手。其中，所述四個電機的外部各設有一個防水鋁套，漿式推進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。其中，所述視頻模塊包括分別與主控制器連接的全景云臺攝像頭、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，所述多自由度機械手包括水平移動平臺，水平移動平臺套裝在光軸上，光軸通過分別設在其兩端的兩塊豎直撐板固定在鋁骨架上；水平移動平臺通過其上部的凸臺與同步帶相連；水平移動平臺的底部固定有與其垂直的平臺，垂直平臺上設有一對帶沉孔的夾板，夾板之間設有擺動電機，擺動電機的兩端分設有電機軸和輔助軸，電機軸和輔助軸分別穿過兩個夾板上的沉孔后，分別與設在夾板外側的一對外側夾板固定連接；兩個外側夾板之間設有與其固定的擺動平臺，擺動平臺的頂部設有開合電機，其底部設有一對相互嚙合的半齒輪；開合電機的電機軸穿過擺動平臺上的沉孔與其正下方的半齒輪的中心通過聯軸器相連；兩個半齒輪的前端各與一個鋁制爪相連。采用上述技術方案所產生的有益效果在于本實用新型通過可更換的多自由度機械手，完成一些簡單的水下作業，并且通過攝像頭采集信息和圖像識別、處理，使機器人在水中進行圖像采集勘探及簡單的水下作業。本實用新型的控制系統是由飛行搖桿改裝而成的，機器人的運動方向與運動速度與搖桿的傾斜方向和傾斜角度成正比關系；人性化的飛行搖桿運動控制與比例模型機械控制，使用起來簡單直觀；縱向雙推進平衡系統，便于執行負重任務。雙筒結構，外觀新穎獨特；機器人密度與水相似，可完成無動力或小動力懸浮；機器人上方的控制箱即浮箱，使結構緊湊；機器人前方的多自由度的機械手，使機器人可執行復雜的水下抓取打撈等高精度作業；水下機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、攝像頭等裝置來采集信息，視頻信號通過線纜傳回岸基
屏幕進行圖像處理，配合操作者的調控，使機器人在水下三維空間中可以實現全向移動，以進行水下搜索、考察、識別和打撈作業。

圖I是本實用新型的為整體結構圖；圖2是圖I的俯視圖；圖3是多自由度機械手的結構圖；圖中3_1、浮箱，3-2、漿式推進器，3-3、多自由度機械手，3-4、整流罩，3-5、浮升電機，3-6、直流減速電機，4-1、水平移動平臺，4-2、光軸，4-3、同步輪，4-4、同步帶，4-5、垂直平臺，4-6、擺動平臺，4-7、擺動電機，4-8、開合電機，4-9、半齒輪，5-1、異型鋁骨架，5-2、電機防水鋁套，5-3、電機尾部密封套，5-4、配重滑塊。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施方式
對本實用新型作進一步詳細的說明。如圖1、2所示為本實用新型的結構示意圖。本實用新型為一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，包括浮箱3-1和設在浮箱3-1底部的異型鋁骨架5-1 ;所述浮箱3-1中設有主控制器，浮箱3-1上設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，視頻模塊包括分別與主控制器連接的全景云臺攝像頭、液晶顯示屏和視頻采集卡；主控制器采用ARM芯片，并通過CAN模塊與遠程交互平臺進行通信連接，遠程交互平臺安置在岸基，用于控制水下機器人；鋁骨架5-1的兩端各設有一個水平的直流減速電機3-6和一個豎直的浮升電機3-5,并且兩個浮升電機3-5均位于兩個直流減速電機3-6的外側；四個電機的軸各與一個漿式推進器3-2固定連接，四個電機的外部各設有一個防水鋁套5-2，漿式推進器3-2的外部套覆有整流罩3-4 ;鋁骨架5-1的前端設有多自由度機械手3-3。本實用新型的主控制器為ARM芯片，該芯片用于采集和儲存外部信息、感知外部和系統內部模塊產生的信息并控制機器人的各個模塊。水下機器人的控制系統是利用人工主導和智能調整兩部分相結合的技術，利用水下機器人通過下位機采集回來的數據傳輸回岸基部分，操作者通過傳輸回來的數據對機器人的動作實現宏觀方向的操作，當趨于接近目標物或者目的地時，則利用水下機器人自身安裝的各種傳感器接收前方傳輸回來的數據自行調節，實現了對環境精細操作的步驟，從而可以實現水下機器人能夠順利的完成水下任務。對于人工主導部分，是利用飛行搖桿運動控制與比例模型機械的原理，機器人的運動方向與運動速度與搖桿的傾斜方向和傾斜角度成正比關系。機械臂的運動是由一個比例模型控制的，機械臂的姿態與比例模型的姿態瞬時對應，從而實現人工的宏觀調節；機器人自身根據所處的情況實現自身微調的部分，是水下機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、攝像頭等裝置來采集信息，視頻信號通過線纜傳回岸基屏幕進行圖像處理，從而實現對遙控信號進行修正，最終作出合理動作。本實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。其中，液位傳感器用于檢測機器人行進深度，加速度傳感器用于檢測機器人行進時的加速度力，電子羅盤用于實時提供機器人的航向和姿態。通過各個傳感器提供的數據，使水下機器人更好地進行圖像采集，水下作業。本實用新型的通信模塊采用CAN模塊，CAN模塊是一款對機器人整體各電子控制 裝置之間實現通訊數據轉發的智能電控設備，從而使機器人整體實現車載電控裝置區域性網絡控制系統。采用了功能強大的帶有兩路CAN控制器的16位微控制器。支持CAN2.0A和CAN2. OB協議。按"SAE J1939 "標準協議開發.支持K線診斷功能。可同時適用于高速和低速CAN總線網絡。具有很好的密封性，可使用于水下惡劣環境。兩個水平放置的直流減速電機3-6用以提供平移動力，兩個垂直放置的浮升電機3-5用以提供縱向動力。水平方向通過推進器差速來實現方向調整，豎直方向為放置于中心的一套覆有整流罩的漿式推進器調速用于姿態平衡和實現豎直方向的升降。漿式推進器
3-2用于姿態平衡和實現豎直方向的升降。電機外部有防水鋁套5-2，且靠螺紋夾緊頂蓋與電機套筒上緊配的尼龍圈間的硅膠墊，防止水從端蓋進入電機套筒，電機尾部密封套5-3靠頂蓋上螺絲提供的拉力夾緊O形圈防止水從電機尾部密封套5-3進入電機套筒。視頻模塊包括攝像頭、19寸的液晶顯示屏和視頻采集卡。水下機器人的上方有一個全景云臺攝像頭，可以完整觀測到機器人周圍的環境并能通過線纜傳回岸基的屏幕供操作者分析判斷。視頻信號通過線纜傳回岸基屏幕，操作者可根據圖像獲得此刻水下機器人自身各種電位計的狀態，實時改變水下機器人運動姿態并對水下機器人的運動方向以及運動速度進行調控，能夠迅速對目標物或者目的地進行判斷甄別。本實用新型的上部分為有機玻璃浮箱，攝像頭、控制電路、圖像采集與識別系統均安裝在浮箱中，實現對簡單水下作業的控制；機器人下部分為框架結構，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，使機器人重心和浮心分開，實現無動力或小動力懸浮。如圖3所示，鋁骨架5-1的前端設有一個多自由度機械手3-3。多自由度機械手
3-3包括擺動電機4-7、開合電機4-8、一對半齒輪4-9和一對鋁制爪；水平移動平臺4_1套裝在光軸4-2上，并且水平移動平臺4-1的背部設有直線軸承，保證其在光軸4-2上做平行平穩滑動；水平移動平臺4-1表面上設置多個排水孔，可減少機器人在水中的阻力；光軸
4-2通過分別設在其兩端的兩塊豎直撐板固定在鋁骨架5-1上；水平移動平臺4-1通過其上部的凸臺與同步帶4-4相連。水平移動平臺4-1的底部固定有與其垂直的平臺4-5，垂直平臺4-5上設有一對帶沉孔的夾板，夾板之間設有擺動電機4-7，擺動電機4-7的兩端分設有電機軸和輔助軸，電機軸和輔助軸分別穿過兩個夾板上的沉孔后，分別與設在夾板外側的一對外側夾板固定連接；兩個外側夾板之間設有與其固定的擺動平臺4-6，擺動平臺4-6的頂部設有開合電機
4-8，其底部設有一對相互嚙合的半齒輪4-9 ;開合電機4-8的電機軸穿過擺動平臺4-6上的沉孔與其正下方的半齒輪的中心通過聯軸器相連；兩個半齒輪4-9的前端各與一個鋁制爪相連；兩爪通過中間夾的有機玻璃墊片和螺釘連為一體，不會發生相對轉動，并自強兩側的鋁制爪通過彈簧拉緊。齒輪上的凸起將鋁制爪卡住防止爪頂部相撞，而彈簧可以在機械爪抓取物品時提供柔性加持力。綜上所述，通過直流減速電機3-6、擺動電機4-7和開合電機4_8賦予多自由度機械手3-3三個自由度左右平移運動、上下擺動和開合。其中，直流減速電機3-6的轉動經同步輪4-3和同步帶4-4轉換為水平移動平臺4-1在光軸4-2上精確水平移動；擺動電機 4-7的轉動通過分別與其電機軸和輔助軸相連的兩個外側夾板轉換為擺動平臺4-6的上下擺動；開合電機4-8的電機軸的轉動通過兩個半齒輪4-9的傳動，控制兩個鋁制爪的開合；鋁制爪為鋸齒狀、上下兩層結構，可以夾起多種形狀的物體。本實用新型通過三組電纜與岸基控制箱連接，經過人工調控和自身調節可以對目標物完成抓取采集、定點投放、移動搬運等高精度復雜動作，能夠順利實現水下作業。本實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壓模塊，提供24V和12V電壓。當有市電接口時可以用開關電源提供電力，當戶外移動式時，可以用鉛酸蓄電池來提供電力。
權利要求1.一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，包括浮箱(3-1)和設在浮箱(3-1)底部的異型鋁骨架(5-1);所述浮箱(3-1)中設有主控制器，浮箱(3-1)上設有傳感器模塊和視頻模塊，主控制器通過CAN模塊與遠程交互平臺連接；所述鋁骨架(5-1)的兩端各設有一個水平的直流減速電機(3-6 )和一個豎直的浮升電機(3-5 )，并且兩個浮升電機(3-5 )均位于兩個直流減速電機(3-6)的外側；所述四個電機的軸各與一個漿式推進器(3-2)固定連接；鋁骨架(5-1)的前端設有多自由度機械手(3-3)。
2.根據權利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，其特征在于所述四個電機的外部各設有一個防水鋁套(5-2)，漿式推進器(3-2)的外部套覆有整流罩(3-4)。
3.根據權利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，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。
4.根據權利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，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攝像頭、液晶顯示屏和視頻采集卡。
5.根據權利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，其特征在于所述主控制器采用ARM芯片。
6.根據權利要求I所述的一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，其特征在于所述多自由度機械手(3-3)包括水平移動平臺(4-1)，水平移動平臺(4-1)套裝在光軸(4-2)上，光軸(4-2)通過分別設在其兩端的兩塊豎直撐板固定在鋁骨架(5-1)上；水平移動平臺(4-1)通過其上部的凸臺與同步帶(4-4)相連；水平移動平臺(4-1)的底部固定有與其垂直的平臺(4-5)，垂直平臺(4-5)上設有一對帶沉孔的夾板，夾板之間設有擺動電機(4-7)，擺動電機(4-7)的兩端分設有電機軸和輔助軸，電機軸和輔助軸分別穿過兩個夾板上的沉孔后，分別與設在夾板外側的一對外側夾板固定連接；兩個外側夾板之間設有與其固定的擺動平臺(4-6)，擺動平臺(4-6)的頂部設有開合電機(4-8)，其底部設有一對相互嚙合的半齒輪(4-9);開合電機(4-8)的電機軸穿過擺動平臺(4-6)上的沉孔與其正下方的半齒輪的中心通過聯軸器相連；兩個半齒輪(4-9)的前端各與一個鋁制爪相連。
專利摘要本實用新型公開了一種基于圖像處理的自我控制水下機器人，包括浮箱和設在浮箱底部的異型鋁骨架；所述浮箱中設有主控制器，浮箱上設有傳感器模塊和視頻模塊，主控制器通過CAN模塊與遠程交互平臺連接；所述鋁骨架的兩端各設有一個水平的直流減速電機和一個豎直的浮升電機，并且兩個浮升電機均位于兩個直流減速電機的外側；所述四個電機的軸各與一個漿式推進器固定連接；鋁骨架的前端設有多自由度機械手。本實用新型通過可更換的多自由度機械手，完成一些簡單的水下作業，并且通過攝像頭采集信息和圖像識別、處理，使機器人在水中進行圖像采集勘探及簡單的水下作業。
文檔編號B25J11/00GK202703877SQ201220409639
公開日2013年1月30日 申請日期2012年8月18日 優先權日2012年8月18日
發明者黃中意, 吳光輝, 趙新燦, 李智博, 史賀, 紀程錦, 劉尊 申請人:鄭州大學