專利名稱：一種小型水下觀測機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于光電測控領域，特別涉及一種用于水下探測的小型作業機器人。
技術背景隨著經濟的發展，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。小型水下觀測機器人在海洋石油開發、海洋科學研究、海底礦藏勘測開發、海底打撈救 生、核電工業設備測量、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， 且有一定危險的淺水環境下作業，對小型水下觀測機器人的需求越來越大。某些特殊設備常年 處于水下工作，其運行狀態無法實時了解，給正常的工程生產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的進度，給工程生產帶來了不便。 發明內容本發明要解決的技術問題為了克服現有技術中存在的不能實時掌握水下設備的運作狀態 而帶來的安全隱患及現有觀測產品價格、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。本發明解決其技術問題所采用的技術方案 一種小型水下觀測機器人，它包括水下機器人本體和水上控制箱兩個部分，其特征在于所述的水下機器人本體電子艙6兩側安裝有左推進 器9、右推進器IO、照明燈4;在電子艙6中部垂直上方安裝有垂直推進器11，各推進器由封 裝在內部的直流電機和螺旋槳組成，支架8、機械手7與電子艙6下部安裝在一起；在電子艙6 前部安裝前攝像機l、前攝像機云臺2，后部安裝后攝像機3，電子艙6內部安裝有控制電路；控制電路包含模數轉換電路、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；在電子艙6頂部開有輸出電纜插座，通過屏蔽電纜5至水上控制箱;所述的水上控制箱包括控制面板12、控制電路、液晶顯示屏13、機箱本體14四部分，控 制面板12由主推進器、垂推進器控制搖桿、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下部相接；控制電路安裝在機箱本體14下部內，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、數據處理電路；其中數據處理電路包 括信號濾波電路、模數轉換電路、水上主控制器、串口通信電路、信號差分變換電路；液晶顯 示屏13安裝在機箱本體14上部。所述的電子艙6前部端面為45度錐面。所述的電子艙6前部配置的前攝像機1為可變焦攝像機，后攝像機3為紅外照明定焦攝像機，前攝像機云臺2為俯仰方向的一維云臺，運動范圍為土60。。所述的電子艙6內還安裝有用于測量深度、溫度的深度計和溫度計及運動狀態的電子羅盤。 所述的電子艙6下部安裝的機械手7為單自由度小型夾持式機械手，與水平成30度安裝，夾持能力1Kg。所述的左推進器9、右推進器10以及垂直推進器11采用的密封方式為靜環采用光潔度為 0.8的陶瓷面，動環采用光潔度為0.8的石墨，在不銹鋼彈簧的壓力作用及丁晴膠的輔助密封下， 可完成在水下50m環境條件下的動密封，密封面的運動速度不小于12m/s。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包含的推進器控制電路、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特征如下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，再經模數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串口通信電路，再經信號差分變換電路，經電纜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上文字標示區分。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，再經模數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串口通信電路，再經信號差分變 換電路，經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。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，再經水上主控制器i/o端口判讀電路至串口通信電路，再經信號差分變換電路，經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12中的照明亮度旋鈕控制信號，首先經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，再經模數轉換電路至水上主控制器，水上主控制器輸出 控制信號經串口通信電路，再經信號差分變換電路，經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，分別與水上控制箱控制電路信 號差分變換電路和水下機器人控制電路信號差分變換電路相連， 一對電源線，與直流電源相連。所述的控制面板12上還裝有一 1602字符型輔顯示屏，用于顯示水下機器人本體的深度、 方位以及機器人所在環境的溫度。所述的機箱本體14右側還開有充電、視頻輸出、屏蔽電纜接口。本發明與現有技術相比具有如下優點1、 本發明的特點主要表現在具有潛水巡航觀察、狹窄區域安全監測、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，臍帶電纜導線芯 數較少，適合批量生產；2、 本發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據；3、 本發明可以推廣應用于核電反應堆大修管道檢査以及石油、水下養殖、考古、探礦、航 運、水下工程監測等一些危險或人無法進入的場合。
圖l是本發明的系統結構框圖；圖2是本發明的水下機器人本體結構示意圖；圖3是本發明的水上控制箱結構示意圖；圖4是本發明的推進器控制電路原理框圖；圖5是本發明的機械手及攝像機云臺控制電路原理框圖；圖6是本發明的攝像機控制電路原理框圖；圖7是本發明的照明燈控制電路原理框圖；具體實施方式
下面結合附圖及具體實時方式對本發明作進一步詳細說明。本發明是一種有纜小型水下觀測用機器人，由水下機器人本體和水上控制箱兩部分組成， 如圖1所示，兩部分通過六芯臍帶電纜連接。如圖2所示，水下機器人本體由螺旋槳式推進器、前攝像機l、前攝像機云臺2、后攝像機 3、電子羅盤、溫度計、深度計、照明燈4、電纜5、電子艙6、控制龜路板、機械手7、支架'S組成。在電子艙6兩側安裝有左推進器9、右推進器10,控制機器人前進、后退、左轉、右轉等 運動。電子艙6前部兩側安裝有兩組并聯的LED照明燈4，為前攝像機提供照明；在電子艙6 中部垂直上方安裝有垂推進器11，控制機器人上升、下沉運動；機械手7、支架8與電子艙6 下部安裝在一起，機械手7與艙體6底部成30°安裝，使機械手7可以夾取與支架8底部平齊 物體，不會出現夾取死區，同時可根據實際工作需要將機械手換裝成水下吸塵器或其他作業工 具;在電子艙6前部安裝一個可變焦前視攝像機I附一維俯仰旋轉云臺2，攝像機俯仰角為±60°; 在電子艙6后部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；電子艙6前端面為 45。的錐面，前后部是透明的半球型有機玻璃罩。在電子艙6內部安裝有數字式電子羅盤、溫度 計、深度計和控制電路，可以通過羅盤、深度計得知機器人的運動方位、深度，溫度計測得作 業環境溫度；其中控制電路包含模數轉換電路、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；在電子艙6頂部開有輸出電纜接口，通過屏蔽電纜5至水上控制箱。臍帶電纜5采用硅膠管封裝的六芯導線，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，為機器人推進器、傳感器及控制電路系統提供電源。如圖3所示，水上控制箱包括控制面板12、控制電路、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、數據處理電路；其 中數據處理電路包括信號濾波電路、模數轉換電路、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8.4英寸的液晶顯示屏，安裝在機箱本體14上部；機箱本體4右側 開有充電、視頻輸出、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視器或視頻錄放機，使設備具有可擴展性。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l的功能控制，操 作簡單，使用方便。此外，在控制面板12上還裝有一 1602字符型輔顯示屏，用于顯示水下機 器人本體的深度、方位以及機器人所在環境的溫度。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，再經模數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串口通信電路，再經信號差分變換電 路，經電纜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，再經模數轉換電路至 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串口通信電路， 再經信號差分變換電路，經電纜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，再經水上主控制器I/O端口判讀電路至串口 通信電路，再經信號差分變換電路，經電纜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；如圖7所示，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，再經模數轉換電路至水上主控制器，水上 主控制器輸出控制信號經串口通信電路，再經信號差分變換電路，經電纜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。本發明設計的小型水下觀測機器人可實現兩種環境下的作業工作，即只需觀測的作業環境 和需完成某些輕量級夾取工作的作業環境。由于本發明體積小(480x280x250咖)，可對被測設 備近距離觀測，提高了測量精度。水下機器人本體重量輕(12 kg)攜帶方便，安全可靠，控制 器一律采用低功耗芯片，所以整體系統功率小，適合長期水下工作。
權利要求
1、一種小型水下觀測機器人，它包括水下機器人本體和水上控制箱兩個部分，其特征在于所述的水下機器人本體電子艙(6)兩側安裝有左推進器(9)、右推進器(10)、照明燈(4)；在電子艙(6)中部垂直上方安裝有垂直推進器(11)，各推進器由封裝在內部的直流電機和螺旋槳組成，支架(8)、機械手(7)與電子艙(6)下部安裝在一起；在電子艙(6)前部安裝前攝像機(1)、前攝像機云臺(2)，后部安裝后攝像機(3)，電子艙(6)內部安裝有控制電路；控制電路包含模數轉換電路、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；在電子艙(6)頂部開有輸出電纜插座，通過屏蔽電纜(5)至水上控制箱；所述的水上控制箱包括控制面板(12)、控制電路、液晶顯示屏(13)、機箱本體(14)四部分，控制面板(12)由主推進器、垂推進器控制搖桿、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)下部相接；控制電路安裝在機箱本體(14)下部內，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、數據處理電路；其中數據處理電路包括信號濾波電路、模數轉換電路、水上主控制器、串口通信電路、信號差分變換電路；液晶顯示屏(13)安裝在機箱本體(14)上部。
2、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的電子艙(6)前 部端面為45度錐面。
3、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的機械手(7)與 艙體(6)底部成30。安裝。
4、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的電子艙(6)前 部配置的前攝像機(1)為可變焦攝像機，后攝像機(3)為紅外照明定焦攝像機，前攝像機云 臺(2)為俯仰方向的一維云臺，運動范圍為±60° 。
5、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的電子艙(6)內 還安裝有用于測量深度、溫度的深度計和溫度計及運動狀態的電子羅盤。
6、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的電子艙(6)下部 安裝的機械手(7)為單自由度小型夾持式機械手，夾持能力1Kg。
7、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的左推進器(9)、 右推進器(10)以及垂直推進器(11)采用的密封方式為靜環采用光潔度為0.8的陶瓷面，動 環采用光潔度為0.8的石墨，在不銹鋼彈簧的壓力作用及丁晴膠的輔助密封下，可完成在水下50m環境條件下的動密封，密封面的運動速度不小于12m/s。
8、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，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、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的水上控制箱控制電路包含的推進器控制電路、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 路具體特征如下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，再經模數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串口通信電路，再經信號差分變換電路，經電 纜(5)傳輸經水下機器人信號差分變換電路變換，傳至串口通信電路，經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)上文字標示區分。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，再經模數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串口通信電路，再經信號 差分變換電路，經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(12)中的變倍調焦按鈕控制信號，首先經水上控制箱控制 電路板中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經水上主控制器I/O端口判讀電路至串口通信電 路，再經信號差分變換電路，經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(12)中的照明亮度旋鈕控制信號，首先經水上控制箱控制 電路板中信號濾波電路進行信號濾波處理，再經模數轉換電路至水上主控制器，水上主控制器 輸出控制信號經串口通信電路，再經信號差分變換電路，經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。
10、 根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的電纜(5)為硅 膠管封裝的六芯導線，兩對雙絞信號線，分別與水上控制箱控制電路信號差分變換電路和水下 機器人控制電路信號差分變換電路相連， 一對電源線，與直流電源相連。
11、 根據權利要求l所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的控制面板(12)上還裝有一 1602字符型輔顯示屏，用于顯示水下機器人本體的深度、方位以及機器人所在環境 的溫度。
12、根據權利要求1所述的一種小型水下觀測機器人，其特征在于所述的機箱本體(14) 右側還開有充電、視頻輸出、屏蔽電纜接口。
全文摘要
一種小型水下觀測機器人，它包括水下機器人本體和水上控制箱兩個部分，其中水下機器人本體電子艙兩側水平方向安裝左推進器、右推進器，照明燈；在電子艙中部垂直方向安裝垂直推進器，支架、機械手與電子艙下部安裝在一起；在電子艙內部安裝羅盤、溫度計、深度計、控制電路板；在電子艙前部安裝可變焦攝像機、攝像機云臺、照明燈，后部安裝定焦攝像機，視頻圖像通過屏蔽電纜傳至水上控制箱顯示屏；水上控制箱由控制面板、控制電路、液晶顯示屏、機箱本體組成；本發明通過視頻傳感器將水下被測物的外形、運作狀態圖像實時的傳送至水上控制箱，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。
文檔編號B63C11/52GK101234665SQ20081010129
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月3日 優先權日2008年3月3日
發明者余云虎, 常 馮, 聲 李, 楊 杜, 普 竇, 根 蔡, 陳樹才, 高永明 申請人:中國科學院光電技術研究所