一种基于图像处理的自主控制水下机器人

丁向浩 高红彬 刘浩铭 常新宇 曲明亮

（郑州大学机械工程学院，河南郑州 450001）

一种基于图像处理的自主控制水下机器人

丁向浩 高红彬 刘浩铭 常新宇 曲明亮

（郑州大学机械工程学院，河南郑州 450001）

本文所述水下机器人涉及水下机器人技术领域，特别是一种基于图像处理的自主控制水下机器人。水下自动机器人是一种非常适合于水下搜索、调查、识别和打捞作业的既经济又安全的工具。由于水下环境恶劣危险,人的潜水深度有限，因此提供一种操作简单、结构精巧、机械手灵活的水下机器人已成为急需解决的问题。

图像处理；自主；水下机器人

1 机器人结构概述

本文所述水下机器人要解决的技术问题是提供一种操作简单、结构精巧、机械手灵活基于图像处理的自主控制的水下机器人。

为解决上述技术问题，这种水下机器人所采取的技术方案是：一种基于图像处理的自主控制水下机器人，其特征在于：包括水下机器人主体、通过电缆与水下机器人主体进行通讯的岸基设备以及设在水下机器人主体上的驱动装置、矿石采集装置和信息采集装置；所述信息采集装置将采集到的矿石采集装置与水下物块的位置视频信号，通过电缆传回岸基设备，操作者可根据接收到的视频信号，实时改变水下机器人本体的运动姿态。

其中，所述机器人主体包括支架、与支架固定连接的连接箍。

其中，所述驱动装置包括左舷直流减速电机、右舷直流减速电机、沉浮电机、正螺旋桨、反螺旋桨和附带螺旋桨；所述左舷直流减速电机、右舷直流减速电机和沉浮电机分别通过联轴器与正螺旋桨、反螺旋桨和附带螺旋桨连接；左舷直流减速电机、右舷直流减速电机和沉浮电机的外部分别设有左压力克透明筒、右压力克透明筒和隔水密封筒；正螺旋桨、反螺旋桨和附带螺旋桨的外部分别设有整流罩；左压力克透明筒、右压力克透明筒和隔水密封筒分别固定在连接箍上；左舷直流减速电机、右舷直流减速电机和沉浮电机的控制端分别通过电缆与岸基设备的相应输出端连接。

其中，所述矿石采集装置包括与连接箍相连的储物台和机械臂、与机械臂连接的机械手；所述机械臂包括大臂、与大臂相连的小臂、设置在大臂内部的第一舵机、设置在小臂内部的第二舵机；所述机械手包括第三舵机和与第三舵机相连的夹持爪，储物台的底部设有第四舵机；所述第一至第四舵机的控制端分别通过电缆与岸基设备的相应输出端连接。

其中，所述信息采集装置包括设在机械手内部的第一摄像头和与连接箍相连的第二摄像头；第二摄像头的底部与第五舵机相连接，并且第二摄像头的外部设有半球形防水透明罩；所述第一摄像头和第二摄像头的输出端分别与岸基设备的相应输入端连接，第五舵机的控制端与岸基设备的输出端连接。

2 附图说明

图1是该机器人的主视图；图2是图1的局部剖视图；图3是图1的仰视图。图中：1.支架，2-1.左压力克透明筒，2-2.右压力克透明筒，3.连接箍，4-1.左舷直流减速电机，4-2.右舷直流减速电机，6-1.正螺旋桨，6-2.反螺旋桨，7.整流罩，8.沉浮电机，9.附带螺旋桨，10.储物台，11-1.大臂，11-2.小臂，12.隔水密封筒，13.第一舵机，14.第二舵机，15.第三舵机，16.夹持爪，17.第一摄像头，18.半球形防水透明罩，19.第二摄像头，20.第四舵机，21.第五舵机。

图3

3 具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对该机器人作进一步详细的说明。

如图1所示为该机器人的主视图，一种基于图像处理的自主控制水下机器人，包括水下机器人主体、通过电缆与水下机器人主体进行通讯的岸基设备以及设在水下机器人主体上的驱动装置、矿石采集装置和信息采集装置；其中，驱动装置接收岸基设备的控制信号，并驱动对应的电机，控制其转动状态和速度；矿石采集装置接受岸基设备的控制，实现水下物块的采集、移动、搬运、定点投放、卸下等工作；信息采集装置将采集到的矿石采集装置与水下物块的位置视频信号，通过电缆传回岸基设备，操作者可根据接收到的视频信号，实时改变水下机器人本体的运动姿态。

图1中，上述机器人主体包括支架1、与支架1固定连接的连接箍3。

如图2所示为图1的局部剖视图，上述驱动装置包括左舷直流减速电机4-1、右舷直流减速电机4-2、沉浮电机8、正螺旋桨6-1、反螺旋桨6-2和附带螺旋桨9；左舷直流减速电机4-1、右舷直流减速电机4-2和沉浮电机8分别通过联轴器与正螺旋桨6-1、反螺旋桨6-2和附带螺旋桨9连接；当岸上操作者给驱动装置发出信号时，驱动装置驱动对应的电机并控制其转动状态和速度，其中左舷直流减速电机4-1、右舷直流减速电机4-2可以实现机器人的前进、后退和左右转向动作；沉浮电机8可以实现机器人的上升与下潜。

如图3所示为图1的仰视图，上述矿石采集装置包括与连接箍3相连的储物台10和机械臂、与机械臂连接的机械手；所述机械臂包括大臂11-1、与大臂11-1相连的小臂11-2、设置在大臂11-1内部的第一舵机13、设置在小臂11-2内部的第二舵机14；所述机械手包括第三舵机15和与第三舵机15相连的夹持爪16，储物台10的底部设有第四舵机20；所述第一至第四舵机13-15、20的控制端分别通过电缆与岸基设备的相应输出端连接。

第一舵机13、第二舵机14分别控制大小臂实现屈伸，第三舵机15通过连接杆件控制两个夹持爪的闭合，从而实现物块的采集移动搬运、定点投放等高精度复杂工作，机械手与机械臂配合将物块放到储物台10上，当收集完毕后，在合适的位置，第四舵机20转动储物台将物块卸下。

图1中，信息采集装置包括设在机械手内部的第一摄像头17和与连接箍3相连的第二摄像头19；第二摄像头19的底部与第五舵机21相连接，并且第二摄像头19的外部设有半球形防水透明罩18；所述第一摄像头17和第二摄像头19的输出端分别与岸基设备的相应输入端连接，第五舵机21的控制端与岸基设备的输出端连接。

在实际操作中，操作者可以通过由飞行摇杆改装而成的控制系统、线缆与岸基系统的实时信息传递，控制机器人的运动速度和倾斜角度，其中机器人的运动方向与运动速度、摇杆的倾斜方向和倾斜角度成正比关系。机械臂的运动是由一个比例模型控制的，机械臂的姿态与比例模型的姿态瞬时对应。机器人供电采用12V电源，当有市电接口时可以用开关电源提供电力，当户外移动式时，可以用铅酸蓄电池提供电力。

4 结语

本设计方案很好地解决了同一从动轮机构，既能实现两个方向自由转动，又能在需要时实现单方向限制性转动的问题，且该机构实现简单，成本低廉，面向市场需要。

[1]陈璟.齿轮连杆机构的分析与综合[D].福州大学，2004.

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[4]李昌熙,乔石主编.矿山机械液压传动[M].煤炭工业出版社,1985.

[5]杨国欣,刘乃庆,孙裕晶.链传动多边形效应分析[J].农业与技术.1996，3.

丁向浩（1990.11—），男，汉族，河南荥阳人，郑州大学机械工程学院2010级本科生，机械工程及自动化专业。

TP242

A

1003-5168(2014)04-0107-02