專利名稱：混合動力水下機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光電測控領域，特別涉及一種用于水下作業(yè)與探測的功能性機器人。
背景技術：
隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人類對水下資源的探測與利用越來越廣泛，如水電站、核電站、大壩的修建?；旌蟿恿λ聶C器人在海洋石油開發(fā)、海洋科學研究、海底礦藏勘測開發(fā)、海底打撈救生、核電工業(yè)設備測量、水庫堤壩探測等方面具有重要的意義，特別是一些狹窄、污染水質，且有一定危險的深水環(huán)境下作業(yè)，對混合動力水下機器人的需求越來越大。某些特殊設備常年處于水下工作，其運行狀態(tài)無法實時了解，給正常的工程生產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。目前，上述對于水下設備的觀測基本上都是取出水面觀測或是采用進口水下觀測機器人產(chǎn)品，其價格、維護費用都相當昂貴，在很大程度上制約了工程生產(chǎn)的進度，給工程生產(chǎn)帶來了不便。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題為了克服現(xiàn)有技術中存在的不能實時掌握水下設備的運作狀態(tài)而帶來的安全隱患及現(xiàn)有觀測產(chǎn)品價格、維護費用昂貴的不足，提供了一種可以通過視頻傳感器把水下被測設備的外形、運作狀態(tài)圖像實時地傳送至水上控制箱，供檢修人員分析使用，并且配置的機械手可以進行輕量級的抓取作業(yè)。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案一種混合動力水下機器人，包括水下機器人本體和水上控制箱兩個部分，其特征在于水下機器人本體頂部開有輸出電纜插座，通過屏蔽的電纜與水上控制箱相連，所述的電纜為硅膠管封裝的六芯導線，兩對雙絞信號線，分別與水上控制箱的控制電路II的信號差分變換電路和水下機器人本體的控制電路I的信號差分變換電路相連，一對電源線與將水上控制箱和水下機器人本體的直流電源相連。所述的水下機器人本體包括控制瓶、五個推進器、攝像機、云臺、機械手、支架、照明燈，控制瓶的底部安裝一個支架，四個推進器分別通過支架安裝在控制瓶底部四個角上，另一個推進器安裝在控制瓶中部垂直上方，云臺、機械手安裝在支架上，攝像機、照明燈安裝在云臺上，所述的推進器由封裝在內部的直流電機和螺旋槳組成。所述的控制瓶內部安裝有控制電路I、電子羅盤、溫度傳感器、深度傳感器、陀螺儀；控制電路I包含電源轉換模塊、水下主控制器、串口通信電路、信號差分變換路由器。所述的水上控制箱包括控制面板、控制電路II、電源轉換器、LED顯示屏、機箱本體，控制面板設計有四個角的推進器及垂直的推進器控制搖桿、變倍調焦按鈕、電源開關按鈕、視頻切換按鈕、照明亮度旋鈕、顯示屏對比度旋鈕、機械手推桿、云臺推桿，控制面板通過四個立柱與機箱本體下部相接；控制電路II、電源轉換器安裝在機箱本體下部內，所述的控制電路II包含五個推進器控制電路、機械手及云臺控制電路、攝像機控制電路、LED照明燈控制電路、數(shù)據(jù)處理電路；其中所述的數(shù)據(jù)處理電路包括信號濾波電路、模數(shù)轉換電路、主控制器、串口通信電路、信號差分變換電路，LED顯示屏安裝在機箱本體上部。所述的推進器的螺旋槳由電力推動，機械手由液壓推動。所述的推進器的直流電機與驅動電路集成，采用磁性聯(lián)軸器密封電機，為水下控制瓶節(jié)省體積和減輕重量，推進器的導流罩采用尼龍加玻纖高強度及耐腐蝕的硬材料，借助磁性連軸器的靜密封完成在深水環(huán)境條件下的動密封。所述的攝像機為可變焦攝像機，并配有LED照明燈，在混暗和夜間都能正常工作；所述的云臺為俯仰方向的一維云臺，運動范圍為上下正負90度。所述的機械手為單自由度夾持式機械手，夾持能力20Kg，可根據(jù)不同的工作需求，安裝不同的機械手。所述的水上控制箱本體為黑色工程塑料儀器箱，下箱體還安裝有直流電源。所述的水上控制箱控制電路II包含的推進器控制電路、機械手及云臺控制電路、攝像機控制電路、照明燈控制電路具體特征如下推進器控制電路接收控制面板中的推進器控制搖桿的控制信號，首先經(jīng)水上控制箱控制電路II中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經(jīng)模數(shù)轉換電路至水上主控制器，同時進行方向判斷，水上主控制器將控制信號及方向信號經(jīng)串口通信電路，再經(jīng)信號差分變換電路，經(jīng)電纜傳輸經(jīng)水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經(jīng)由水下機器人主控制器電路將控制信號給電機驅動電路，電機驅動電路輸出至水下機器人推進器的電機各推進器工作原理相同，通過控制面板上文字標示區(qū)分。機械手及云臺控制電路接收控制面板中的機械手推桿及云臺推桿控制信號，首先經(jīng)水上控制箱控制電路II中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經(jīng)模數(shù)轉換電路至水上主控制器，同時進行方向判斷，水上主控制器輸出控制信號及方向信號經(jīng)串口通信電路，再經(jīng)信號差分變換電路，經(jīng)電纜傳輸與水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經(jīng)水下機器人主控制器電路將控制信號給電機驅動電路，電機驅動電路輸出至水下機器人機械手、云臺的電機。攝像機控制電路接收控制面板中的變倍調焦按鈕控制信號，首先經(jīng)水上控制箱控制電路II板中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經(jīng)水上主控制器I/o端口判讀電路至串口通信電路，再經(jīng)信號差分變換電路，經(jīng)電纜傳輸與水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經(jīng)由水下機器人主控制器電路控制器相應端口輸出高低電平至視頻切換電路、前攝像機變倍調焦電路；照明燈控制電路接收控制面板中的照明亮度旋鈕控制信號，首先經(jīng)水上控制箱控制電路II板中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經(jīng)模數(shù)轉換電路至水上主控制器，水上主控制器輸出控制信號經(jīng)串口通信電路，再經(jīng)信號差分變換電路，經(jīng)電纜傳輸與水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經(jīng)由水下機器人主控制器電路將控制信號給照明燈控制電路。所述的控制面板上還裝有輔顯示器，用于顯示水下機器人本體的深度、方位以及機器人所在環(huán)境的溫度。所述的機箱本體上還開有充電接口、視頻輸出接口和屏蔽電纜接口。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點I、本發(fā)明的特點主要表現(xiàn)在具有潛水巡航觀察、狹窄區(qū)域安全監(jiān)測、偵查、搜索等功能，體積小，成本低廉，便于攜帶，操作靈活，可以實時觀測水下被測物的狀態(tài)，臍帶電纜導線芯數(shù)較少，適合批量生產(chǎn)；2、本發(fā)明所述水下機器人配備了不同功能的傳感器，為操作人員提供了豐富的信息數(shù)據(jù)3、本發(fā)明可以推廣應用于核電反應堆大修管道檢查以及石油、水下養(yǎng)殖、考古、探礦、航運、水下工程監(jiān)測等一些危險或人無法進入的場合。


圖I是本發(fā)明的系統(tǒng)結構框圖；圖2是本發(fā)明的水下機器人本體的結構示意圖；圖3是本發(fā)明的水上控制箱結構示意圖；圖4是本發(fā)明的推進器控制電路原理框圖；圖5是本發(fā)明的機械手，攝像機及攝像機云臺、LED照明燈控制電路原理框圖；圖6是本發(fā)明的傳感器控制電路原理框具體實施例方式下面結合附圖及具體實時方式對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖I、圖2、圖3所示，一種混合動力水下機器人，包括水下機器人本體和水上控制箱兩個部分，水下機器人本體頂部開有輸出電纜插座，通過屏蔽的電纜5與水上控制箱相連，所述的電纜5為硅膠管封裝的六芯導線，兩對雙絞信號線，分別與水上控制箱的控制電路II的信號差分變換電路和水下機器人本體的控制電路I的信號差分變換電路相連，一對電源線與將水上控制箱和水下機器人本體的直流電源相連。其中一對雙絞線負責控制信號的傳輸；另一對雙絞線負責視頻圖像差分信號的傳輸，采用差分信號適合遠距離傳輸，抗干擾能力強剩下兩芯為電源線，為推進器、各傳感器及控制電路I系統(tǒng)提供電源。如圖2所示，所述的水下機器人本體包括控制瓶6、五個推進器11、攝像機I、云臺2、機械手7、支架8、照明燈4，控制瓶6的底部安裝一個支架8，四個推進器11分別通過支架8安裝在控制瓶6底部四個角上，另一個推進器11安裝在控制瓶6中部垂直上方，云臺2、機械手7安裝在支架8上，攝像機I、LED照明燈4安裝在云臺2上，所述的推進器11由封裝在內部的直流電機10和螺旋槳9組成。所述的控制瓶內部安裝有控制電路I、電子羅盤3、溫度傳感器、深度傳感器、陀螺儀；控制電路I包含電源轉換模塊、水下主控制器、串口通信電路、信號差分變換路由器。所述的推進器的螺旋槳由電力推動，機械手由液壓推動。所述的推進器的直流電機與驅動電路集成，采用磁性聯(lián)軸器密封電機，為水下控制瓶節(jié)省體積和減輕重量，推進器的導流罩采用尼龍加玻纖高強度及耐腐蝕的硬材料，借助磁性連軸器的靜密封完成在深水環(huán)境條件下的動密封。所述的攝像機為可變焦攝像機，并配有LED照明燈，在混暗和夜間都能正常工作；所述的云臺為俯仰方向的一維云臺，運動范圍為上下正負90度。所述的機械手為單自由度夾持式機械手，夾持能力20Kg，可根據(jù)不同的工作需求，安裝不同的機械手。所述的水上控制箱本體為黑色工程塑料儀器箱，下箱體還安裝有直流電源。在控制瓶6上安裝有四個推進器11，控制機器人的前進、后退、左轉、右轉等運動。安裝的LED照明燈4，為攝像機提供照明在控制瓶6中部垂直上方安裝有垂直的推進器11，控制機器人上升、下沉運動；機械手7與控制瓶6底部成30度安裝，使機械手7可以夾取與支架8底部平齊物體，不會出現(xiàn)夾取死區(qū)，同時可根據(jù)實際工作需要將機械手換裝成水下吸塵器或其他作業(yè)工具；在控制瓶6安裝一個可變焦前視攝像機I和一維俯仰旋轉云臺2，攝像機俯仰角為正負90度；在控制瓶6后部還可安裝一個紅外照明定焦攝像機3，用于水下機器人后退避障；控制瓶6前端面為45度的錐面，前后部是透明的半球型有機玻璃罩。在控制瓶6內部安裝有數(shù)字式的電子羅盤3、溫度傳感器、深度傳感器和控制電路I，可以通過電子羅盤、深度傳感器得知機器人的運動方位、深度，溫度傳感器測得作業(yè)環(huán)境溫度；其中控制電路I包含模數(shù)轉換電路、水下主控制器、串口通信電路、信號差分變換電路、電機驅動電路；在控制瓶6頂部開有輸出電纜接口，通過屏蔽的電纜5至水上控制箱。操作人員只需扳動控制面板12上相應的搖桿、推桿、按鈕、旋鈕，就可實現(xiàn)對水下機器人本體的縱向、垂向的運動控制以及機械手7、云臺2的動作控制、變焦攝像機I的功能控制，操作簡單，使用方便。此外，在控制面板12上還裝有符型輔顯示屏，用于顯示水下機器人本體的深度、方位以及機器人所在環(huán)境的溫度。如圖3所示，所述的水上控制箱包括控制面板12、控制電路II、液晶顯示屏13、機箱本體14四部分，控制面板12由推進器控制搖桿、變倍調焦按鈕、電源開關按鈕、視頻切換按鈕、照明亮度旋鈕、顯示屏對比度旋鈕、機械手推桿、云臺推桿組成，控制面板12通過四個立柱與機箱本體14下部相連；控制電路安裝在機箱本體14下部內，并配有風扇其中控制電路包含推進器控制電路、機械手及攝像機云臺控制電路、攝像機控制電路、照明燈控制電路、數(shù)據(jù)處理電路；其中數(shù)據(jù)處理電路包括信號濾波電路、模數(shù)轉換電路、水上主控制器、串口通信電路、信號差分變換電路；顯示屏13選用12英寸的液晶顯示屏，安裝在機箱本體14上部；機箱本體14右側開有充電接口、視頻輸出接口和屏蔽電纜接口。充電接口可用來對機箱內蓄電池進行充電；視頻輸出接口可以外接其他視頻監(jiān)視器或視頻錄放機，使設備具有可擴展性。其中水上控制箱控制電路包括的推進器控制電路、機械手及攝像機云臺控制電路、攝像機控制電路、照明燈控制電路具體實施方式
如下如圖4所示，推進器控制電路接收控制面板12中的推進器控制搖桿的控制信號，首先經(jīng)水上控制箱控制電路中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經(jīng)模數(shù)轉換電路至水上主控制器，同時進行方向判斷，水上主控制器將控制信號及方向信號經(jīng)串口通信電路，再經(jīng)信號差分變換電路，經(jīng)電纜5傳輸與水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經(jīng)由水下機器人主控制器電路將控制信號給電機驅動電路，電機驅動電路輸出至水下機器人推進器的電機。各推進器工作原理相同，通過控制面板12上文字標示區(qū)分；如圖5所示，機械手及攝像機云臺控制電路接收控制面板12中的機械手推桿及云臺推桿控制信號，首先經(jīng)水上控制箱控制電路中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經(jīng)模數(shù)轉換電路至水上主控制器，同時進行方向判斷，水上主控制器輸出控制信號及方向信號經(jīng)串口通信電路，再經(jīng)信號差分變換電路，經(jīng)電纜5傳輸與水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經(jīng)由水下機器人主控制器電路將控制信號給電機驅動電路，電機驅動電路輸出至水下機器人機械手、云臺的電機；如圖6所示，攝像機控制電路接收控制面板12中的變倍調焦按鈕控制信號，首先經(jīng)水上控制箱控制電路板中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經(jīng)水上主控制器I/o端口連接電路至串口通信電路，再經(jīng)信號差分變換電路，經(jīng)電纜5傳輸與水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經(jīng)由水下機器人主控制器電路相應端口輸出高低電平至視頻切換電路、前攝像機變倍調焦電路；照明燈控制電路接收控制面板12中的照明亮度旋鈕控制信號，首先經(jīng)水上控制箱控制電路板中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經(jīng)模數(shù)轉換電路至水上主控制器，水上主控制器輸出控制信號經(jīng)串口通信電路，再經(jīng)信號差分變換電路，經(jīng)電纜5傳輸與水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經(jīng)由水下機器人主控制器電路將控制信號給照明燈控制電路。本發(fā)明設計的混合動力水下機器人可實現(xiàn)兩種環(huán)境下的作業(yè)工作，即只需觀測的作業(yè)環(huán)境和需完成某些輕量級夾取工作的作業(yè)環(huán)境。由于本發(fā)明機器人本體設計合理，體積小，重量輕，技術含量高，可以在深海水下工作，產(chǎn)品性能高。安全可靠，控制器一律采用低功耗芯片，所以整體系統(tǒng)功率小，適合長期水下工作。
權利要求
1.一種混合動力水下機器人，包括水下機器人本體和水上控制箱兩個部分，其特征在于水下機器人本體頂部開有輸出電纜插座，通過屏蔽的電纜(5)與水上控制箱相連，所述的電纜(5)為硅膠管封裝的六芯導線，兩對雙絞信號線，分別與水上控制箱的控制電路II的信號差分變換電路和水下機器人本體的控制電路I的信號差分變換電路相連，一對電源線與將水上控制箱和水下機器人本體的直流電源相連。
2.根據(jù)權利要求I所述的混合動力水下機器人，其特征在于所述的水下機器人本體包括控制瓶、五個推進器、攝像機、云臺、機械手、支架、照明燈，控制瓶的底部安裝一個支架，四個推進器分別通過支架安裝在控制瓶底部四個角上，另一個推進器安裝在控制瓶中部垂直上方，云臺、機械手安裝在支架上，攝像機、照明燈安裝在云臺上，所述的推進器由封裝在內部的直流電機(10 )和螺旋槳(9 )組成。
3.根據(jù)權利要求2所述的混合動力水下機器人，其特征在于所述的控制瓶內部安裝有控制電路I、電子羅盤、溫度傳感器、深度傳感器、陀螺儀；控制電路I包含電源轉換模塊、水下主控制器、串口通信電路、信號差分變換路由器。
4.根據(jù)權利要求I所述的混合動力水下機器人，其特征在于所述的水上控制箱包括控制面板(12)、控制電路II、電源轉換器、LED顯示屏(13)、機箱本體(14)，控制面板(12)設計有四個角的推進器及垂直的推進器控制搖桿、變倍調焦按鈕、電源開關按鈕、視頻切換按鈕、照明亮度旋鈕、顯示屏對比度旋鈕、機械手推桿、云臺推桿，控制面板(12)通過四個立柱與機箱本體(14)下部相接；控制電路II、電源轉換器安裝在機箱本體(14)下部內，所述的控制電路II包含五個推進器控制電路、機械手及云臺控制電路、攝像機控制電路、LED照明燈控制電路、數(shù)據(jù)處理電路；其中所述的數(shù)據(jù)處理電路包括信號濾波電路、模數(shù)轉換電路、主控制器、串口通信電路、信號差分變換電路，LED顯示屏(13)安裝在機箱本體(14)上部。
5.根據(jù)權利要求2所述的混合動力水下機器人，其特征在于所述的推進器的直流電機與驅動電路集成，采用磁性聯(lián)軸器密封電機，推進器的導流罩采用尼龍加玻纖高強度及耐腐蝕的硬材料，借助磁性連軸器的靜密封完成在深水環(huán)境條件下的動密封。
6.根據(jù)權利要求2所述的混合動力水下機器人，其特征在于所述的攝像機為可變焦攝像機，并配有LED照明燈；所述的云臺(2)為俯仰方向的一維云臺，運動范圍為上下正負90度。
7.根據(jù)權利要求2所述的混合動力水下機器人，其特征在于所述的機械手(7)為單自由度夾持式機械手，夾持能力20Kg，可根據(jù)不同的工作需求，安裝不同的機械手。
8.根據(jù)權利要求4所述的混合動力水下機器人，其特征在于所述的水上控制箱本體為黑色工程塑料儀器箱，下箱體還安裝有直流電源。
9.根據(jù)權利要求4所述的混合動力水下機器人，其特征在于所述的控制面板(12)上還裝有輔顯示器。
10.根據(jù)權利要求4所述的一種混合動力水下機器人，其特征在于所述的機箱本體(14)上還開有充電接口、視頻輸出接口和屏蔽電纜接口。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種混合動力水下機器人，包括水下機器人本體和水上控制箱兩個部分，其特征在于水下機器人本體頂部開有輸出電纜插座，通過屏蔽的電纜與水上控制箱相連，所述的電纜為硅膠管封裝的六芯導線，兩對雙絞信號線，分別與水上控制箱的控制電路Ⅱ的信號差分變換電路和水下機器人本體的控制電路Ⅰ的信號差分變換電路相連，一對電源線與將水上控制箱和水下機器人本體的直流電源相連。本發(fā)明通過視頻傳感器將水下被測物的外形、運作狀態(tài)圖像實時的傳送至水上工作站，供專業(yè)人員分析使用，并且配備各種機械手可以進行輕量級的抓取作業(yè)。
文檔編號B63G8/38GK102975830SQ20121048858
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月26日 優(yōu)先權日2012年11月26日
發(fā)明者馬衛(wèi)澤 申請人:武漢勞雷綠灣船舶科技有限公司