一种仿生海底生物捕捞机器人制造技术

一种仿生海底生物捕捞机器人，包括捕捞机器人的本体，基于人工肌肉的具有海底行走和捕捞海底生物两种功能的四肢，用于感知水深的压力传感器，用于检测捕捞机器人行走方向的数字罗盘，用于获取捕捞机器人周边360°的全景立体视觉视频图像的双目立体全景视觉传感器和用于控制四肢协调海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、自主导航、控制捕捞动作以及与水面母船进行信息交互的智能体，与水面母船进行通信和能源设备提供设备连接的脐带。本发明专利技术提供一种具有自然柔顺性好、机构简单、控制复杂度低、制造和维护成本低、捕捞过程高效率的仿生海底生物捕捞机器人。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于全景立体视觉技术、气动伺服控制技术和水下机器人技术在海底生物资源探索和捕捞方面的应用，尤其适用于海参等海底栖生物的捕捞。
技术介绍
深海生物捕捞，即对深海生物进行捕捞，把生物从深海捕获出水进行科学研究或者其他商业用途。目前通常采用一种拖网捕获技术，它是一种利用船舶航行的拖拽式捕捞方式。底拖网是一种用于对深海底栖生物等小型生物进行捕获技术。这种底拖网技术对生态系统造成了灾难性伤害，珊瑚、海绵、鱼类和其它动物都将因此受到捕杀。同时众多海洋生物的栖息地一海山等水下生态系统也遭到了严重的破坏。这种捕捞方式对海洋生态系统造成了无法弥补的损失。由于拖网技术很难对生物进行有针对性的捕获，往往造成不分青红皂白的“滥杀无辜”，成功率低且浪费资源。近年来水下机器人越来越多地运用于人类对深海资源的探索。其中，对深海生物资源的探索也是极为重要的一环。深潜器最直观的优点在于科学家可以远程进行操控并且针对性高，也不会对深海环境造成破坏。但是目前水下机器人十分昂贵，应用于商业用途的海底生物捕捞仍然存在着很多问题。水下机器人又称无人遥控潜水器，其工作方式是由水面母船上的工作人员通过连接潜水器的脐带提供动力，操纵或控制潜水器，采用水下电视、声呐等专用设备进行观察，并由机械手进行水下作业。在深海生物捕获中，水下机器人使用机械手把捕获的生物放入收集舱中带上水面。其中水下电视系统是最具有发展潜力的一种观察设备。如美国的伍兹霍尔(Woods Hole)海洋研究所开发了一台名为“全球最棒的漂流者”的深潜水下机器人，它配备有高清晰度摄像头，能在深达3000米的水下工作，科学家可远距离操作，将水中抓获的生物存放在机器人的收集舱中。但是，目前使用在水下机器人中的水下电视系统所获取的图像仍然是平面视觉信息，无法获得被捕获对象的深度信息；而且视觉范围十分有限。这种水下机器人的制造成本极其昂贵。针对一些小型深海生物捕捞，研究人员研制了一种像双瓣贝壳的“大洋抓斗”，在撞击到海底时能快速闭合，将样品全部“抓”到斗内。此外，研究人员还设计了箱式取样器、重力取样器和活塞取样器等，将它们垂直下放到海底，利用特殊装置迅速将样品完好地取上来，这样就能对沉积物逐层加以研究。这种捕捞方式作业效率低，制造成本高。自然界很多动物获取食物的方式给我们设计带来一些启示，即仿生海底生物捕捞机器手设计，如大象的鼻子能轻而易举地把树上的果子摘下，能将地面上的草连根拔起，能吸取水池中的水，象的鼻腔后面食道上方，有一块特殊的软骨，起“阀门”一样的作用。象吸水时，喉咙部位的肌肉收缩，“阀门”关闭，水可以顺利进入食道，大象的鼻子像人手一样灵活。研究表明，大象鼻子是近4万块富有弹性的小肌肉组成，它能极灵活地伸缩自如，作出灵巧地动作。在仿生海底生物捕捞机器手设计时，将捕捞机器手上的管道设计成如大象的鼻子，将捕捞过程模拟为象的鼻腔吸入捕捞对象的过程。有些海底生物在捕获食物时采用嘴部的吸力来吞取被捕获的对象，具有与大象的鼻子类似的功能。对于海底生物捕捞过程，首先控制犹如大象鼻子的捕捞管道对准被捕捞的海底生物，然后利用捕捞管道内的负压发生装置产生真空脉冲来吸入被捕捞的海底生物，最后吸入的被捕捞的海底生物通过管道自动地滑落到水下机器人的收集舱，从而完成整个海底生物的捕捞过程；这种海底生物的捕捞动作是在瞬间完成，能有效提高捕捞速度；由于采用了真空脉冲式的吸入海底生物，能有效减少捕捞过程中的能耗，实现有针对性的高效捕获。一种理想的仿生海底生物捕捞机器手设计采用人工肌肉实现的末端执行器具有柔顺性、灵巧性，其中人工肌肉技术来模拟大象的鼻子是一种最佳的选择设计方案。人工肌肉除了具有气压传动技术所具有的低成本、清洁、安装简便等优点之外，还具有高功率/质量比、自然柔顺性、与生物肌肉类似的力学特性等优点。早在1900年，“机构学之父” REULEAUX在关于生物机构学的研究中就提到了采用橡胶管模拟生物肌肉的原理。1913年，WILKINS专利技术了一种廉价可靠的管状膜片驱动器；真正有关人工肌肉的应用研究从20世纪80年代开始；日本Bridgestone公司基于早期的McKibben型气动肌肉重新设计推出了 Rubbertuator驱动器，并应用于多关节柔性臂Softarm，吸引了一些研究者的关注，从此人工肌肉进入了实际应用领域，其潜在价值逐渐被人们认识，应用研究工作也蓬勃兴起。目前人工肌肉的主要研究还仅仅局限于柔性臂、柔性手和柔性腿等方面，类似于大象鼻子的具有捕捞功能的仿生海底生物捕捞机器手的研究非常鲜见。一般来说，仿生海底生物捕捞机器人主要涉及三个
1)本体结构设计；2)水下机器人的自主导航；3)捕捞目标的定位识别与捕捞。本专利技术主要解决本体结构设计、捕捞目标的定位识别和捕捞末端执行器的设计。实现仿生海底生物捕捞机器人的关键技术是1)海底生物捕捞管道的设计，捕捞管道能通过控制通入管道内空腔的压力来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲，以实现捕捞管道对准捕捞对象的动作；2)在捕捞管道对准捕捞对象时能自动产生真空脉冲来吸入捕捞对象；3)基于机器视觉的捕捞对象的自动识别技术，在水下机器人行走过程中自动发现捕捞对象；4)基于3D全景立体视觉的捕捞对象的定位技术，在水下机器人发现捕捞对象后计算出捕捞对象与水下机器人的海底生物捕捞管道的中心点的空间位置，为捕捞管道对准捕捞对象提供空间位置信息。
技术实现思路
为了克服已有的海底生物捕捞装置的自然柔顺性差、机构复杂、控制复杂度高、制造和维护成本昂贵、难以实现高效的针对性的捕捞等不足，本专利技术提供一种具有自然柔顺性好、机构简单、控制复杂度低、制造和维护成本低、捕捞过程高效率的仿生海底生物捕捞机器人。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是一种仿生海底生物捕捞机器人，包括捕捞机器人的本体，基于人工肌肉的具有海底行走和捕捞海底生物两种功能的四肢，用于感知水深的压力传感器，用于检测捕捞机器人行走方向的数字罗盘，用于获取捕捞机器人周边360°的全景立体视觉视频图像的双目立体全景视觉传感器和用于控制四肢协调海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、自主导航、控制捕捞动作以及与水面母船进行信息交互的智能体，以下简称Agent，与水面母船进行通信和能源设备提供设备连接的脐带；所述的捕捞机器人本体，所述的捕捞机器人本体内部分隔成为三个空间，一个空间为收集舱，位于本体的底部，用于存放捕捞对象；一个空间为控制设备仪器仪表舱，位于本体的背部，控制设备仪器仪表舱中安装着所述的智能体、其他控制仪器仪表以及备用电源，所述的脐带接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体通信接口和备用电源进行连接；所述的双目立体全景视觉传感器，自带有为捕捞机器人提供照明的环形LED光源，固定在所述的捕捞机器人本体的背部上，用于获取仿生海底生物捕捞机器人周边的全景立体视觉视频图像，接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体的USB接口进行连接；所述的压力传感器，固定在所述的捕捞机器人本体的背部上，接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体的A/D接口进行连接，用于检测所述的捕捞机器人本体所受到的海水压力，从而从压力值推算出所述的捕捞机器人本体所处的深度；所述的数字罗盘，安置在控制设备仪器仪表舱内，与所述的智能体的I/O接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生海底生物捕捞机器人，其特征在于：包括捕捞机器人的本体，基于人工肌肉的具有海底行走和捕捞海底生物两种功能的四肢，用于感知水深的压力传感器，用于检测捕捞机器人行走方向的数字罗盘，用于获取捕捞机器人周边360°的全景立体视觉视频图像的双目立体全景视觉传感器和用于控制四肢协调海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、自主导航、控制捕捞动作以及与水面母船进行信息交互的智能体，与水面母船进行通信和能源设备提供设备连接的脐带；所述的捕捞机器人的本体内部分隔成为三个空间，一个空间为收集舱，位于本体的底部，用于存放捕捞对象；一个空间为控制设备仪器仪表舱，位于本体的背部，控制设备仪器仪表舱中安装着所述的智能体、其他控制仪器仪表以及备用电源，所述的脐带接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体通信接口和备用电源进行连接；一个空间为浮力舱，位于收集舱和控制设备仪器仪表舱之间，主要用于控制所述的捕捞机器人行走时的稳定性以及升降；所述的双目立体全景视觉传感器，自带有为捕捞机器人提供照明的环形LED光源，固定在所述的捕捞机器人本体的背部上，用于获取仿生海底生物捕捞机器人周边的全景立体视觉视频图像，接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体的USB接口进行连接；所述的压力传感器固定在所述的捕捞机器人本体的背部上，接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体的A/D接口进行连接，用于检测所述的捕捞机器人本体所受到的海水压力，从而从压力值推算出所述的捕捞机器人本体所处的深度；所述的数字罗盘安置在控制设备仪器仪表舱内，与所述的智能体的I/O接口进行连接，用于检测所述的捕捞机器人的行走方向，根据所述的捕捞机器人行走控制与行走方向得到所述的捕捞机器人在海底行走的轨迹；所述的智能体包括全景立体图像获取单元、与母船信息交互模块、升降控制模块、自主导航模块、行走控制模块、智能视频分析模块和捕捞控制模块；其中，所述的全景立体图像获取单元，用于获取初始化信息和全景立体视频图像；所述的与母船信息交互模块，用于将所述的捕捞机器人周围的全景立体视频图像传输给母船、接受从母船发出的控制指令；所述的升降控制模块，用于控制所述的捕捞机器人的浮力舱中的真空量，以实现 所述的捕捞机器人的升降；所述的自主导航模块，用于从所述的双目立体全景视觉传感器获取的全景立体视觉视频图像，解析仿生海底生物捕捞机器人周围的地域环境，完成路径规划和避障任务；所述的行走控制模块，用于控制所述的捕捞机器人的四肢的协调动作，以实现所述的捕捞机器人在海底的行走；所述的智能视频分析模块，用于从所述的双目立体全景视觉传感器获取的全景立体视觉视频图像，从全景立体视觉视频图像中解析出捕捞对象、捕捞对象大小以及所处的空间位置，为针对性的捕捞提供捕捞口的空间位置信息；所述的捕捞控制模块，用以控制所述的基于人工肌肉的捕捞管道的三个自由度的动作，使得捕捞口对准捕捞对象；当捕捞口对准捕捞对象时控制脉冲式负压发生模块动作产生脉冲式负压将捕捞对象吸入到捕捞管道中。...

【技术特征摘要】
1.一种仿生海底生物捕捞机器人，其特征在于包括捕捞机器人的本体，基于人工肌肉的具有海底行走和捕捞海底生物两种功能的四肢，用于感知水深的压力传感器，用于检测捕捞机器人行走方向的数字罗盘，用于获取捕捞机器人周边360°的全景立体视觉视频图像的双目立体全景视觉传感器和用于控制四肢协调海底行走、对捕捞对象的识别和空间定位、自主导航、控制捕捞动作以及与水面母船进行信息交互的智能体，与水面母船进行通信和能源设备提供设备连接的脐带；所述的捕捞机器人的本体内部分隔成为三个空间，一个空间为收集舱，位于本体的底部，用于存放捕捞对象；一个空间为控制设备仪器仪表舱，位于本体的背部，控制设备仪器仪表舱中安装着所述的智能体、其他控制仪器仪表以及备用电源，所述的脐带接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体通信接口和备用电源进行连接；一个空间为浮力舱，位于收集舱和控制设备仪器仪表舱之间，主要用于控制所述的捕捞机器人行走时的稳定性以及升降；所述的双目立体全景视觉传感器，自带有为捕捞机器人提供照明的环形LED光源，固定在所述的捕捞机器人本体的背部上，用于获取仿生海底生物捕捞机器人周边的全景立体视觉视频图像，接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体的USB接口进行连接；所述的压力传感器固定在所述的捕捞机器人本体的背部上，接入到控制设备仪器仪表舱内与所述的智能体的A/D接口进行连接，用于检测所述的捕捞机器人本体所受到的海水压力，从而从压力值推算出所述的捕捞机器人本体所处的深度；所述的数字罗盘安置在控制设备仪器仪表舱内，与所述的智能体的I/O接口进行连接，用于检测所述的捕捞机器人的行走方向，根据所述的捕捞机器人行走控制与行走方向得到所述的捕捞机器人在海底行走的轨迹；所述的智能体包括全景立体图像获取单元、与母船信息交互模块、升降控制模块、自主导航模块、行走控制模块、智能视频分析模块和捕捞控制模块；其中，所述的全景立体图像获取单元，用于获取初始化信息和全景立体视频图像；所述的与母船信息交互模块，用于将所述的捕捞机器人周围的全景立体视频图像传输给母船、接受从母船发出的控制指令；所述的升降控制模块，用于控制所述的捕捞机器人的浮力舱中的真空量，以实现所述的捕捞机器人的升降；所述的自主导航模块，用于从所述的双目立体全景视觉传感器获取的全景立体视觉视频图像，解析仿生海底生物捕捞机器人周围的地域环境，完成路径规划和避障任务；所述的行走控制模块，用于控制所述的捕捞机器人的四肢的协调动作，以实现所述的捕捞机器人在海底的行走；所述的智能视频分析模块，用于从所述的双目立体全景视觉传感器获取的全景立体视觉视频图像，从全景立体视觉视频图像中解析出捕捞对象、捕捞对象大小以及所处的空间位置，为针对性的捕捞提供捕捞口的空间位置信息；所述的捕捞控制模块，用以控制所述的基于人工肌肉的捕捞管道的三个自由度的动作，使得捕捞口对准捕捞对象；当捕捞口对准捕捞对象时控制脉冲式负压发生模块动作产生脉冲式负压将捕捞对象吸入到捕捞管道中。2.如权利要求1所述的仿生海底生物捕捞机器人，其特征在于所述的四肢的一端固定在所述的捕捞机器人本体的收集舱两侧前后，类似于海龟的四肢，由人工肌肉制成；所述的四肢的外形呈管三自由度肌肉状，管内分隔成三个互成120°的扇形柱状空腔，通过分别控制三个空腔的水压力来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲，实现三个自由度的控制；在所述的捕捞机器人行走时，所述的四肢支撑着所述的捕捞机器人本体；在所述的捕捞机器人进行捕捞时，所述的四肢的前端对准捕捞对象实现对准捕捞对象吸入捕捞；在所述的四肢中设置有捕捞管道，以下简称基于人工肌肉的捕捞管道，当所述的四肢的前端对准捕捞对象时所述的捕捞管道中产生脉冲式负压，将捕捞对象吸入到所述的捕捞管道中，然后随着所述的捕捞管道进入到所述的捕捞舱内。3.如权利要求1或2所述的仿生海底生物捕捞机器人，其特征在于所述的收集舱在安装所述的四肢的部位配置有四个口，四个口的阀门开与关均由四个收集舱电磁阀控制，收集舱电磁阀处于开的状态时所述的捕捞管道与所述的收集舱是相通的；在所述的捕捞机器人行走时或者升降时，收集舱电磁阀处于关闭状态，这样能保证捕捞对象不会倒流到海中，同时也实现了对捕捞对象的保压；只有当所述的四肢的前端对准捕捞对象时，收集舱电磁阀处于开启状态；所述的收集舱固定在所述的捕捞机器人本体的底部，所述的捕捞机器人本体的底部与本体是可分离的；当所述的捕捞机器人完成捕捞作业后浮到海面上并收回到母船时，作业人员将所述的捕捞机器人本体的底部从本体上卸下，用内空的收集舱更换盛满了捕捞对象的收集舱，重新将所述的捕捞机器人本体的底部连接到本体上，然后将所述的捕捞机器人放入海中继续进行捕捞。4.如权利要求1或2所述的仿生海底生物捕捞机器人，其特征在于所述的浮力舱上开有两个口，一个口用浮力舱电磁阀控制其开和闭，当浮力舱电磁阀处于开的状态时浮力舱与外界相通，当浮力舱电磁阀处于闭的状态时所述的浮力舱与外界隔绝；另一个口与水泵输入口连接，水泵工作时将所述的浮力舱的海水抽出，在浮力舱中形成一定的真空，使得捕捞机器人上浮；因此当要控制捕捞机器人的下降时，控制浮力舱电磁阀打开让海水进入所述的浮力舱；当要控制捕捞机器人的上升时，控制浮力舱电磁阀关闭然后使水泵工作让所述的浮力舱中的海水抽出，使得捕捞机器人具有向上的浮力。5.如权利要求1或2所述的仿生海底生物捕捞机器人，其特征在于所述的基于人工肌肉的捕捞管道的外形呈管三自由度肌肉状，管内分隔成三个互成120°的扇形柱状空腔；通过分别控制三个空腔的压力来实现沿中心轴Z方向的伸缩及任意一个方向的弯曲，实现三个自由度的控制；在所述的基于人工肌肉的捕捞管道的内外管壁的橡胶基体中，夹有芳香族聚酰胺增强纤维，纤维走向与肌肉的轴向有一夹角α，考虑到所述的基于人工肌肉的捕捞管道的柔软性，将夹角α设计为70° 10° ；将所述的基于人工肌肉的捕捞管道分成管道终端、管道终端密封体、管道本体、管道连接密封体、管道连接法兰和通液管；其组装过程是首先，将所述的管道终端密封体插...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤一平，俞立，孙明轩，倪洪杰，余世明，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：