丁向浩 高紅彬 劉浩銘 常新宇 曲明亮

（鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

一種基于圖像處理的自主控制水下機器人

丁向浩 高紅彬 劉浩銘 常新宇 曲明亮

（鄭州大學(xué)機械工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

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

圖像處理；自主；水下機器人

1 機器人結(jié)構(gòu)概述

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

為解決上述技術(shù)問題，這種水下機器人所采取的技術(shù)方案是：一種基于圖像處理的自主控制水下機器人，其特征在于：包括水下機器人主體、通過電纜與水下機器人主體進(jìn)行通訊的岸基設(shè)備以及設(shè)在水下機器人主體上的驅(qū)動裝置、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，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，實時改變水下機器人本體的運動姿態(tài)。

其中，所述機器人主體包括支架、與支架固定連接的連接箍。

其中，所述驅(qū)動裝置包括左舷直流減速電機、右舷直流減速電機、沉浮電機、正螺旋槳、反螺旋槳和附帶螺旋槳；所述左舷直流減速電機、右舷直流減速電機和沉浮電機分別通過聯(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、右舷直流減速電機和沉浮電機的外部分別設(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、右舷直流減速電機和沉浮電機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物臺和機械臂、與機械臂連接的機械手；所述機械臂包括大臂、與大臂相連的小臂、設(shè)置在大臂內(nèi)部的第一舵機、設(shè)置在小臂內(nèi)部的第二舵機；所述機械手包括第三舵機和與第三舵機相連的夾持爪，儲物臺的底部設(shè)有第四舵機；所述第一至第四舵機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，4-2.右舷直流減速電機，6-1.正螺旋槳，6-2.反螺旋槳，7.整流罩，8.沉浮電機，9.附帶螺旋槳，10.儲物臺，11-1.大臂，11-2.小臂，12.隔水密封筒，13.第一舵機，14.第二舵機，15.第三舵機，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，21.第五舵機。

圖3

3 具體實施方式

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

如圖1所示為該機器人的主視圖，一種基于圖像處理的自主控制水下機器人，包括水下機器人主體、通過電纜與水下機器人主體進(jìn)行通訊的岸基設(shè)備以及設(shè)在水下機器人主體上的驅(qū)動裝置、礦石采集裝置和信息采集裝置；其中，驅(qū)動裝置接收岸基設(shè)備的控制信號，并驅(qū)動對應(yīng)的電機，控制其轉(zhuǎn)動狀態(tài)和速度；礦石采集裝置接受岸基設(shè)備的控制，實現(xiàn)水下物塊的采集、移動、搬運、定點投放、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，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，實時改變水下機器人本體的運動姿態(tài)。

圖1中，上述機器人主體包括支架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)動裝置包括左舷直流減速電機4-1、右舷直流減速電機4-2、沉浮電機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4-1、右舷直流減速電機4-2和沉浮電機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)動裝置發(fā)出信號時，驅(qū)動裝置驅(qū)動對應(yīng)的電機并控制其轉(zhuǎn)動狀態(tài)和速度，其中左舷直流減速電機4-1、右舷直流減速電機4-2可以實現(xiàn)機器人的前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向動作；沉浮電機8可以實現(xiàn)機器人的上升與下潛。

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相連的儲物臺10和機械臂、與機械臂連接的機械手；所述機械臂包括大臂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13、設(shè)置在小臂11-2內(nèi)部的第二舵機14；所述機械手包括第三舵機15和與第三舵機15相連的夾持爪16，儲物臺10的底部設(shè)有第四舵機20；所述第一至第四舵機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13、第二舵機14分別控制大小臂實現(xiàn)屈伸，第三舵機15通過連接桿件控制兩個夾持爪的閉合，從而實現(xiàn)物塊的采集移動搬運、定點投放等高精度復(fù)雜工作，機械手與機械臂配合將物塊放到儲物臺10上，當(dāng)收集完畢后，在合適的位置，第四舵機20轉(zhuǎn)動儲物臺將物塊卸下。

圖1中，信息采集裝置包括設(shè)在機械手內(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21的控制端與岸基設(shè)備的輸出端連接。

在實際操作中，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)的實時信息傳遞，控制機器人的運動速度和傾斜角度，其中機器人的運動方向與運動速度、搖桿的傾斜方向和傾斜角度成正比關(guān)系。機械臂的運動是由一個比例模型控制的，機械臂的姿態(tài)與比例模型的姿態(tài)瞬時對應(yīng)。機器人供電采用12V電源，當(dāng)有市電接口時可以用開關(guān)電源提供電力，當(dāng)戶外移動式時，可以用鉛酸蓄電池提供電力。

4 結(jié)語

本設(shè)計方案很好地解決了同一從動輪機構(gòu)，既能實現(xiàn)兩個方向自由轉(zhuǎn)動，又能在需要時實現(xiàn)單方向限制性轉(zhuǎn)動的問題，且該機構(gòu)實現(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)機械工程學(xué)院2010級本科生，機械工程及自動化專業(yè)。

TP242

A

1003-5168(2014)04-0107-02