丁向浩 高紅彬 劉浩銘 常新宇 曲明亮

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

一種基于圖像處理的自主控制水下機(jī)器人

丁向浩 高紅彬 劉浩銘 常新宇 曲明亮

（鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

本文所述水下機(jī)器人涉及水下機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于圖像處理的自主控制水下機(jī)器人。水下自動(dòng)機(jī)器人是一種非常適合于水下搜索、調(diào)查、識(shí)別和打撈作業(yè)的既經(jīng)濟(jì)又安全的工具。由于水下環(huán)境惡劣危險(xiǎn),人的潛水深度有限，因此提供一種操作簡單、結(jié)構(gòu)精巧、機(jī)械手靈活的水下機(jī)器人已成為急需解決的問題。

圖像處理；自主；水下機(jī)器人

1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)概述

本文所述水下機(jī)器人要解決的技術(shù)問題是提供一種操作簡單、結(jié)構(gòu)精巧、機(jī)械手靈活基于圖像處理的自主控制的水下機(jī)器人。

為解決上述技術(shù)問題，這種水下機(jī)器人所采取的技術(shù)方案是：一種基于圖像處理的自主控制水下機(jī)器人，其特征在于：包括水下機(jī)器人主體、通過電纜與水下機(jī)器人主體進(jìn)行通訊的岸基設(shè)備以及設(shè)在水下機(jī)器人主體上的驅(qū)動(dòng)裝置、礦石采集裝置和信息采集裝置；所述信息采集裝置將采集到的礦石采集裝置與水下物塊的位置視頻信號(hào)，通過電纜傳回岸基設(shè)備，操作者可根據(jù)接收到的視頻信號(hào)，實(shí)時(shí)改變水下機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

其中，所述機(jī)器人主體包括支架、與支架固定連接的連接箍。

其中，所述驅(qū)動(dòng)裝置包括左舷直流減速電機(jī)、右舷直流減速電機(jī)、沉浮電機(jī)、正螺旋槳、反螺旋槳和附帶螺旋槳；所述左舷直流減速電機(jī)、右舷直流減速電機(jī)和沉浮電機(jī)分別通過聯(lián)軸器與正螺旋槳、反螺旋槳和附帶螺旋槳連接；左舷直流減速電機(jī)、右舷直流減速電機(jī)和沉浮電機(jī)的外部分別設(shè)有左壓力克透明筒、右壓力克透明筒和隔水密封筒；正螺旋槳、反螺旋槳和附帶螺旋槳的外部分別設(shè)有整流罩；左壓力克透明筒、右壓力克透明筒和隔水密封筒分別固定在連接箍上；左舷直流減速電機(jī)、右舷直流減速電機(jī)和沉浮電機(jī)的控制端分別通過電纜與岸基設(shè)備的相應(yīng)輸出端連接。

其中，所述礦石采集裝置包括與連接箍相連的儲(chǔ)物臺(tái)和機(jī)械臂、與機(jī)械臂連接的機(jī)械手；所述機(jī)械臂包括大臂、與大臂相連的小臂、設(shè)置在大臂內(nèi)部的第一舵機(jī)、設(shè)置在小臂內(nèi)部的第二舵機(jī)；所述機(jī)械手包括第三舵機(jī)和與第三舵機(jī)相連的夾持爪，儲(chǔ)物臺(tái)的底部設(shè)有第四舵機(jī)；所述第一至第四舵機(jī)的控制端分別通過電纜與岸基設(shè)備的相應(yīng)輸出端連接。

其中，所述信息采集裝置包括設(shè)在機(jī)械手內(nèi)部的第一攝像頭和與連接箍相連的第二攝像頭；第二攝像頭的底部與第五舵機(jī)相連接，并且第二攝像頭的外部設(shè)有半球形防水透明罩；所述第一攝像頭和第二攝像頭的輸出端分別與岸基設(shè)備的相應(yīng)輸入端連接，第五舵機(jī)的控制端與岸基設(shè)備的輸出端連接。

2 附圖說明

圖1是該機(jī)器人的主視圖；圖2是圖1的局部剖視圖；圖3是圖1的仰視圖。圖中：1.支架，2-1.左壓力克透明筒，2-2.右壓力克透明筒，3.連接箍，4-1.左舷直流減速電機(jī)，4-2.右舷直流減速電機(jī)，6-1.正螺旋槳，6-2.反螺旋槳，7.整流罩，8.沉浮電機(jī)，9.附帶螺旋槳，10.儲(chǔ)物臺(tái)，11-1.大臂，11-2.小臂，12.隔水密封筒，13.第一舵機(jī)，14.第二舵機(jī)，15.第三舵機(jī)，16.夾持爪，17.第一攝像頭，18.半球形防水透明罩，19.第二攝像頭，20.第四舵機(jī)，21.第五舵機(jī)。

圖3

3 具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)該機(jī)器人作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示為該機(jī)器人的主視圖，一種基于圖像處理的自主控制水下機(jī)器人，包括水下機(jī)器人主體、通過電纜與水下機(jī)器人主體進(jìn)行通訊的岸基設(shè)備以及設(shè)在水下機(jī)器人主體上的驅(qū)動(dòng)裝置、礦石采集裝置和信息采集裝置；其中，驅(qū)動(dòng)裝置接收岸基設(shè)備的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)，控制其轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)和速度；礦石采集裝置接受岸基設(shè)備的控制，實(shí)現(xiàn)水下物塊的采集、移動(dòng)、搬運(yùn)、定點(diǎn)投放、卸下等工作；信息采集裝置將采集到的礦石采集裝置與水下物塊的位置視頻信號(hào)，通過電纜傳回岸基設(shè)備，操作者可根據(jù)接收到的視頻信號(hào)，實(shí)時(shí)改變水下機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。

圖1中，上述機(jī)器人主體包括支架1、與支架1固定連接的連接箍3。

如圖2所示為圖1的局部剖視圖，上述驅(qū)動(dòng)裝置包括左舷直流減速電機(jī)4-1、右舷直流減速電機(jī)4-2、沉浮電機(jī)8、正螺旋槳6-1、反螺旋槳6-2和附帶螺旋槳9；左舷直流減速電機(jī)4-1、右舷直流減速電機(jī)4-2和沉浮電機(jī)8分別通過聯(lián)軸器與正螺旋槳6-1、反螺旋槳6-2和附帶螺旋槳9連接；當(dāng)岸上操作者給驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的電機(jī)并控制其轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)和速度，其中左舷直流減速電機(jī)4-1、右舷直流減速電機(jī)4-2可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向動(dòng)作；沉浮電機(jī)8可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上升與下潛。

如圖3所示為圖1的仰視圖，上述礦石采集裝置包括與連接箍3相連的儲(chǔ)物臺(tái)10和機(jī)械臂、與機(jī)械臂連接的機(jī)械手；所述機(jī)械臂包括大臂11-1、與大臂11-1相連的小臂11-2、設(shè)置在大臂11-1內(nèi)部的第一舵機(jī)13、設(shè)置在小臂11-2內(nèi)部的第二舵機(jī)14；所述機(jī)械手包括第三舵機(jī)15和與第三舵機(jī)15相連的夾持爪16，儲(chǔ)物臺(tái)10的底部設(shè)有第四舵機(jī)20；所述第一至第四舵機(jī)13-15、20的控制端分別通過電纜與岸基設(shè)備的相應(yīng)輸出端連接。

第一舵機(jī)13、第二舵機(jī)14分別控制大小臂實(shí)現(xiàn)屈伸，第三舵機(jī)15通過連接桿件控制兩個(gè)夾持爪的閉合，從而實(shí)現(xiàn)物塊的采集移動(dòng)搬運(yùn)、定點(diǎn)投放等高精度復(fù)雜工作，機(jī)械手與機(jī)械臂配合將物塊放到儲(chǔ)物臺(tái)10上，當(dāng)收集完畢后，在合適的位置，第四舵機(jī)20轉(zhuǎn)動(dòng)儲(chǔ)物臺(tái)將物塊卸下。

圖1中，信息采集裝置包括設(shè)在機(jī)械手內(nèi)部的第一攝像頭17和與連接箍3相連的第二攝像頭19；第二攝像頭19的底部與第五舵機(jī)21相連接，并且第二攝像頭19的外部設(shè)有半球形防水透明罩18；所述第一攝像頭17和第二攝像頭19的輸出端分別與岸基設(shè)備的相應(yīng)輸入端連接，第五舵機(jī)21的控制端與岸基設(shè)備的輸出端連接。

在實(shí)際操作中，操作者可以通過由飛行搖桿改裝而成的控制系統(tǒng)、線纜與岸基系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息傳遞，控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度和傾斜角度，其中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向與運(yùn)動(dòng)速度、搖桿的傾斜方向和傾斜角度成正比關(guān)系。機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)是由一個(gè)比例模型控制的，機(jī)械臂的姿態(tài)與比例模型的姿態(tài)瞬時(shí)對(duì)應(yīng)。機(jī)器人供電采用12V電源，當(dāng)有市電接口時(shí)可以用開關(guān)電源提供電力，當(dāng)戶外移動(dòng)式時(shí)，可以用鉛酸蓄電池提供電力。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)方案很好地解決了同一從動(dòng)輪機(jī)構(gòu)，既能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向自由轉(zhuǎn)動(dòng)，又能在需要時(shí)實(shí)現(xiàn)單方向限制性轉(zhuǎn)動(dòng)的問題，且該機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單，成本低廉，面向市場需要。

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丁向浩（1990.11—），男，漢族，河南滎陽人，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院2010級(jí)本科生，機(jī)械工程及自動(dòng)化專業(yè)。

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1003-5168(2014)04-0107-02