水下作业机器人及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种水下作业机器人及其工作方法，它是由机器人机身、推动器、气囊、平衡装置和作业机械手五部分组成；通过推动器实现机器人的前进、后退、沉浮、升降和左右水平转身动作；通过气囊平衡机器人的重力，减轻螺旋桨的工作负载；通过平衡装置保证机器人动作过程中一直处于平衡状态；通过作业机械手实现水下作业。本发明专利技术的水下作业机器人，机身具有三个自由度，可以实现前进后退，升降，水平转身，并可以根据机器人的重心的改变调整机身的位置使其实现自身的平衡。作业机械手可进行灵活弯曲和抓取，实现水下作业。

【技术实现步骤摘要】
水下作业机器人及其工作方法
本专利技术涉及水下机器人。
技术介绍
近年来国外水下机器人技术发展迅速，技术水平较高。但大部分都用于军事，民用的较少。且大多用于海洋勘探，水中作业的更少，如水底打捞物品及采集海底矿石等自然资源等。由于作业环境的特殊性，与陆地上的应用有很大区别，研制出耐腐蚀、结构紧凑、性能稳定的水下打捞装置或系统已成为亟待解决的问题。
技术实现思路
为了解决水中作业的机械化问题，本专利技术提出了一种水下作业的机器人。其技术方案是：一种水下作业机器人，由机器人机身、推动器、气囊、平衡装置和作业机械手组成；其中：(一)所述的机器人机身由角钢焊接而成，机身总体分三层，底层为可以让捕捞机器人站立在水底的脚支撑架，中间层为用于安装推动器、平衡装置、作业机械手的主体支架，顶层为用于安装气囊的副支架；(二)所述的气囊用于平衡机器人的重力，减轻螺旋桨的工作负载；气囊中间部位设有凹槽，通过凹槽用条形金属卡扣固定在机身副支架上；气囊由化学材质注塑而成；(三)所述的推动器由两个前侧的朝前的前螺旋桨、两个后侧的朝后的后螺旋桨和一个垂直方向的垂直螺旋桨组成，五个螺旋桨分别由直流伺服电机驱动；其中前螺旋桨和后螺旋桨分布在机身的前后两侧，直流伺服电机分别用螺栓固定在四个支座上，四个支座分别用螺栓固定在机器人机身的主体支架上；前后螺旋桨同速度正、反转或反、正转可以实现机器人的前进或后退，左右两侧的螺旋桨差速旋转可以实现机器人的水平转身；垂直螺旋桨位于机器人机身重心处，正反转时可以实现机器人的沉浮升降；直流伺服电机底部安装在主体支架的圆盘上，顶部嵌套在机身副支架的圆孔方盘中；(四)所述的平衡装置用于调节机器人身体在水中的平衡，使机器人重心改变时不致于倾倒；平衡装置为一个十字直线滑台，十字直线滑台密封在密封箱中，密封箱用螺栓固定在机器人机身的主体支架上；十字直线滑台它包括竖向滑台和横向滑台；竖向滑台上设有光杠、竖向直流伺服电机和滚珠丝杠，通过光杠设有滑块，竖向直流伺服电机驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动滑块前后移动；横向滑台上设有光杠、横向直流伺服电机和滚珠丝杠，通过光杠设有滑块，横向直流伺服电机驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动滑块左右移动；竖向滑台固定在滑块上，从而与横向滑台形成整体；当机械手伸出或缩回时，前后方向上的滑块后移或前移，当机械手左伸或右伸时，滑块右后移或左后移使得机器人在水下再次处于新的平衡状态。为了观察水下的工作环境，在机器人机身前端安装有探照灯。(五)所述的作业机械手，由机械手基座、大臂、小臂和张合手爪组成，基座和大臂之间采用大臂弯曲关节连接；大臂和小臂之间采用小臂弯曲关节连接，小臂和张合手爪固定连接，从而实现大臂弯曲，小臂弯曲，手爪张合三个自由度。为了更换机械手方便，上述的机械手基座与主体支架采用互换接口连接，可以根据需要更换机械手。所述的作业机械手大臂是一个大臂筒；所述的大臂弯曲关节是在大臂筒内下部安装有大臂弯曲电机，大臂筒壁下部横穿一大臂横轴，大臂弯曲电机带动一对啮合锥齿轮，锥齿轮带动大臂横轴转动，大臂横轴两端通过轴承安装有U型架，U型架底部固定在机械手基座上，大臂筒固定在U型架上，当大臂弯曲电机转动时，带动大臂做弯曲动作。所述的作业机械手小臂是一个小臂筒；所述的小臂弯曲关节是在大臂筒内上部安装有小臂弯曲电机，大臂筒壁上部横穿一小臂横轴，小臂弯曲电机带动一对啮合锥齿轮，锥齿轮带动小臂横轴转动，小臂横轴上安装有转动支架，小臂筒固定在转动支架上，当小臂弯曲电机转动时，带动小臂做弯曲动作。所述的张合手爪由带盖的筒状手爪支座、手爪支架和手爪组成；所述的舵机装在上述手爪支座里并一起固定在小臂端，舵机轴上连接有手爪张合轴，手爪张合轴与手爪支座盖连接处设有角接触球轴承，手爪张合轴上设有外螺纹和螺母件；所述的手爪支架固定在手爪支座盖上，手爪支架上铰接有两个手爪，两个手爪上分别铰接有拉杆，两个拉杆共同铰接在上述螺母件上，当舵机转动时，带动手爪做张合动作；上述的大臂弯曲电机和小臂弯曲电机采用直流伺服电机。进一步，所述的副支架用板材制成，中间镂空成一个个方形格子，并焊接在主体支架上。进一步，为保护所有螺旋桨不受水中障碍物破坏，所述的螺旋桨周围设有保护罩。进一步，为保护所有直流伺服电机不受水侵，直流伺服电机上均设有保护罩。进一步，所述的手爪设计为四连杆机构。进一步，为了张合手爪的舵机防水，手爪支座与小臂筒接触面设有密封圈，角接触球轴承处设有密封套。进一步，为了大臂弯曲电机和小臂弯曲电机防水，大臂筒的两端封闭，在大臂横轴和小臂横轴两端暴露处涂有密封胶。本专利技术的水下作业机器人工作方法是：将水下作业机器人放入水中，启动不同位置的螺旋桨，实现水下作业机器人的后退、水平转身和升降；当前侧的两个螺旋桨正转、后侧的两个螺旋桨反转时水下作业机器人在水下前进运行；当前侧的两个螺旋桨反转、后侧的两个螺旋桨正转便可实现时水下作业机器人在水下后退运行；当左前侧和右后侧的螺旋桨正转、左后侧和右前侧的螺旋桨反转时，可实现时水下作业机器人在水下右转向运行；当左前侧和右后侧的螺旋桨反转、左后侧和右前侧的螺旋桨正转时，可实现时水下作业机器人在水下左转向运行；当竖直方向的螺旋桨正反转时，便可以实现水下作业机器人的升降；通过视频采集，岸上作业人员根据水下的工作环境和目标物体情况，选择相应的运动路线；如果水下光线暗就开启照明装置；当确定目标物体后，关闭所有螺旋桨，使水下作业机器人稳稳地站立在水底；如果遇到暗流或者其他水底的不稳定现象时，开启相应的螺旋桨和控制滑块运动，使水下作业机器人处于平衡；通过视频，操控水下作业机器人的作业机械手，通过大臂、小臂和张合手爪的动作配合，对目标物体实施抓取；抓取完物体后，机器人本体的重心会有所偏移，通过调节平衡装置，使水下作业机器人的重心再次回到垂直螺旋桨的轴心上。本专利技术的水下作业机器人，机身具有三个自由度，可以实现前进后退，升降，水平转身，并可以根据机器人的重心的改变调整机身的位置使其实现自身的平衡。作业机械手可进行灵活弯曲和抓取，实现水下作业。附图说明图1为本专利技术的整体结构主视图。图2为平衡装置的原理结构俯视图。图3为手臂的剖视图。图3.1为大臂弯曲关节结构剖视图。图3.2为小臂弯曲关节结构剖视图。图3.3为手爪部分的结构剖视图。附图说明：101-脚支撑架，102-基座，103-前螺旋桨，104-大臂，105-探照灯，106-小臂，107-张合手爪，108-垂直螺旋桨，109-气囊，110-副支架，111-后螺旋桨，112-保护罩，113-密封箱，114-圆盘，115-主体支架，116-小臂弯曲关节，117-大臂弯曲关节；1061-小臂筒，1161-小臂弯曲电机，1162-联轴器，1163-传动轴，1164-小臂啮合锥齿轮，1165-小臂横轴，1166-转动支架，1171-大臂筒，1172-大臂弯曲电机，1173-大臂联轴器，1174-大臂传动轴，1175-大臂啮合锥齿轮，1176-大臂横轴，1177-U型架，1071-密封圈，1072-手爪支座，1073-角接触球轴承，1074-密封套，1075-手爪支架，1076-拉杆，1077-舵机座，1078-舵机，1079，-手爪张合轴，10710，-螺母件，10711-手爪；201-竖本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水下作业机器人，其特征在于，它是由机器人机身、推动器、气囊、平衡装置和作业机械手五部分组成；其中：(一)所述的机器人机身由角钢焊接而成，机身总体分三层，底层为可以让捕捞机器人站立在水底的脚支撑架，中间层为用于安装推动器、平衡装置、作业机械手的主体支架，顶层为用于安装气囊的副支架；(二)所述的推动器由两个前侧的朝前的前螺旋桨、两个后侧的朝后的后螺旋桨和一个垂直方向的垂直螺旋桨组成，五个螺旋桨分别由直流伺服电机驱动；其中前螺旋桨和后螺旋桨分布在机身的前后两侧，直流伺服电机分别用螺栓固定在四个支座上，四个支座分别用螺栓固定在机器人机身的主体支架上；前后螺旋桨同速度正、反转或反、正转可以实现机器人的前进或后退，左右两侧的螺旋桨差速旋转可以实现机器人的水平转身；垂直螺旋桨位于机器人机身重心处，正反转时可以实现机器人的沉浮升降；直流伺服电机底部安装在主体支架的圆盘上，顶部嵌套在机身副支架的圆孔方盘中；(三)所述的气囊用于平衡机器人的重力，减轻螺旋桨的工作负载；气囊中间部位设有凹槽，通过凹槽用条形金属卡扣固定在机身副支架上；气囊由化学材质注塑而成；(四)所述的平衡装置为一个十字直线滑台，十字直线滑台密封在密封箱中，密封箱用螺栓固定在机器人机身的主体支架上；十字直线滑台它包括竖向滑台和横向滑台；竖向滑台上设有光杠、竖向直流伺服电机和滚珠丝杠，通过光杠设有滑块，竖向直流伺服电机驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动滑块前后移动；横向滑台上设有光杠、横向直流伺服电机和滚珠丝杠，通过光杠设有滑块，横向直流伺服电机驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动滑块左右移动；竖向滑台固定在滑块上，从而与横向滑台形成整体；当机械手伸出或缩回时，前后方向上的滑块后移或前移，当机械手左伸或右伸时，滑块右后移或左后移使得机器人在水下再次处于新的平衡状态；(五)所述的作业机械手，由机械手基座、大臂、小臂和张合手爪组成，基座和大臂之间采用大臂弯曲关节连接；大臂和小臂之间采用小臂弯曲关节连接，小臂和张合手爪固定连接，从而实现大臂弯曲，小臂弯曲，手爪张合三个自由度；其中：所述的作业机械手大臂是一个大臂筒；所述的大臂弯曲关节是在大臂筒内下部安装有大臂弯曲电机，大臂筒壁下部横穿一大臂横轴，大臂弯曲电机带动一对啮合锥齿轮，锥齿轮带动大臂横轴转动，大臂横轴两端通过轴承安装有U型架，U型架底部固定在机械手基座上，大臂筒固定在U型架上，当大臂弯曲电机转动时，带动大臂做弯曲动作；所述的作业机械手小臂是一个小臂筒；所述的小臂弯曲关节是在大臂筒内上部安装有小臂弯曲电机，大臂筒壁上部横穿一小臂横轴，小臂弯曲电机带动一对啮合锥齿轮，锥齿轮带动小臂横轴转动，小臂横轴上安装有转动支架，小臂筒固定在转动支架上，当小臂弯曲电机转动时，带动小臂做弯曲动作；所述的张合手爪由带盖的筒状手爪支座、手爪支架和手爪组成；所述的舵机装在上述手爪支座里并一起固定在小臂端，舵机轴上连接有手爪张合轴，手爪张合轴与手爪支座盖连接处设有角接触球轴承，手爪张合轴上设有外螺纹和螺母件；所述的手爪支架固定在手爪支座盖上，手爪支架上铰接有两个手爪，两个手爪上分别铰接有拉杆，两个拉杆共同铰接在上述螺母件上，当舵机转动时，带动手爪做张合动作；上述的大臂弯曲电机和小臂弯曲电机均采用直流伺服电机。...

【技术特征摘要】
1.一种水下作业机器人，其特征在于，它是由机器人机身、推动器、气囊、平衡装置和作业机械手五部分组成；其中：(一)所述的机器人机身由角钢焊接而成，机身总体分三层，底层为可以让捕捞机器人站立在水底的脚支撑架，中间层为用于安装推动器、平衡装置、作业机械手的主体支架，顶层为用于安装气囊的副支架；(二)所述的推动器由两个前侧的朝前的前螺旋桨、两个后侧的朝后的后螺旋桨和一个垂直方向的垂直螺旋桨组成，五个螺旋桨分别由直流伺服电机驱动；其中前螺旋桨和后螺旋桨分布在机身的前后两侧，直流伺服电机分别用螺栓固定在四个支座上，四个支座分别用螺栓固定在机器人机身的主体支架上；前后螺旋桨同速度正、反转或反、正转可以实现机器人的前进或后退，左右两侧的螺旋桨差速旋转可以实现机器人的水平转身；垂直螺旋桨位于机器人机身重心处，正反转时可以实现机器人的沉浮升降；直流伺服电机底部安装在主体支架的圆盘上，顶部嵌套在机身副支架的圆孔方盘中；(三)所述的气囊用于平衡机器人的重力，减轻螺旋桨的工作负载；气囊中间部位设有凹槽，通过凹槽用条形金属卡扣固定在机身副支架上；气囊由化学材质注塑而成；(四)所述的平衡装置为一个十字直线滑台，十字直线滑台密封在密封箱中，密封箱用螺栓固定在机器人机身的主体支架上；十字直线滑台它包括竖向滑台和横向滑台；竖向滑台上设有光杠、竖向直流伺服电机和滚珠丝杠，通过光杠设有滑块，竖向直流伺服电机驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动滑块前后移动；横向滑台上设有光杠、横向直流伺服电机和滚珠丝杠，通过光杠设有滑块，横向直流伺服电机驱动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠带动滑块左右移动；竖向滑台固定在滑块上，从而与横向滑台形成整体；当机械手伸出或缩回时，前后方向上的滑块后移或前移，当机械手左伸或右伸时，滑块右后移或左后移使得机器人在水下再次处于新的平衡状态；(五)所述的作业机械手，由机械手基座、大臂、小臂和张合手爪组成，基座和大臂之间采用大臂弯曲关节连接；大臂和小臂之间采用小臂弯曲关节连接，小臂和张合手爪固定连接，从而实现大臂弯曲，小臂弯曲，手爪张合三个自由度；其中：所述的作业机械手大臂是一个大臂筒；所述的大臂弯曲关节是在大臂筒内下部安装有大臂弯曲电机，大臂筒壁下部横穿一大臂横轴，大臂弯曲电机带动一对啮合锥齿轮，锥齿轮带动大臂横轴转动，大臂横轴两端通过轴承安装有U型架，U型架底部固定在机械手基座上，大臂筒固定在U型架上，当大臂弯曲电机转动时，带动大臂做弯曲动作；所述的作业机械手小臂是一个小臂筒；所述的小臂弯曲关节是在大臂筒内上部安装有小臂弯曲电机，大臂筒壁上部横穿一...

【专利技术属性】
技术研发人员：王传江，侯鹏亮，孙秀娟，樊炳辉，王昌，冯磊，李鑫，王栋，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37