CN114291238A - 水下应急救援机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下应急救援机器人，包括：浮力外壳模块，浮力外壳模块用于提供浮力；水下推进模块，设置于浮力外壳模块上，用于提供推进力；水下感知模块，设置于浮力外壳模块上，用于感知外界环境；机械臂模块，设置于浮力外壳模块的前进端；破拆切割模块，设置于机械臂模块上，用于实现破拆切割；主控制模块，用于控制水下推进模块、水下感知模块和机械臂模块。本发明提供的水下应急救援机器人，浮力外壳模块提供浮力，水下感知模块感知外界环境，主控制模块控制水下推进模块实现前进后退、上浮下潜、转弯等运动，主控制模块控制机械臂模块的伸缩运动，实现破拆切割模块的按需切割，以达到保障生命安全，减少财产损失的目的。

Description

水下应急救援机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种水下应急救援机器人。

背景技术

洪水、溃坝等水灾一直威胁着人类生命安全和环境安全，水灾后的救援多为人工搜救，辅助以救援设备，然而洪水后的水下环境复杂且危险，其中湍急洪流、倒塌物掩盖、浑浊的水下视野是水下应急救援作业的几大难题；同时由于人类身体的原因，潜水员无法长时间水下作业，很难实现有效而及时的搜救作业。

近年来，水下机器人技术引起了广泛的关注，水下机器人广泛应用于水下物体打捞、考古、抢险救援、海产品捕捞等作业，水下机器人对于水下救援任务具有重要意义。

现有技术中的水下机器人仅能用于打捞、考古、抢险救援、海产品捕捞等作业，功能比较单一。

发明内容

本发明提供一种水下应急救援机器人，用以解决现有技术中水下机器人功能单一，仅能用于物体打捞的缺陷，实现能代替搜救队员进行水下切割作业，达到保障生命安全减少财产损失的目的。

本发明提供一种水下应急救援机器人，包括：浮力外壳模块，所述浮力外壳模块用于提供浮力；

水下推进模块，设置于所述浮力外壳模块上，所述水下推进模块用于提供推进力；

水下感知模块，设置于所述浮力外壳模块上，所述水下感知模块用于感知外界环境；

机械臂模块，设置于所述浮力外壳模块的前进端；

破拆切割模块，设置于所述机械臂模块上，所述破拆切割模块用于实现破拆切割；

主控制模块，用于控制所述水下推进模块、所述水下感知模块和所述机械臂模块。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，所述浮力外壳模块包括：

上表壳，所述上表壳用于提供浮力；

导流块，设置于所述上表壳的前进端侧，所述导流块用于导流；

落地支架，设置于所述上表壳的底部，所述落地支架用于支撑机器人。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，包括救援辅助模块，所述救援辅助模块设置于所述上表壳的底部。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，所述救援辅助模块为氧气罐和呼吸器，所述氧气罐设置于所述上表壳的底部，所述呼吸器与所述氧气罐连通。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，所述主控制模块包括：

光电转换装置，用于将光信号转换为电信号进行传输；

电源转换器，用于给所述水下推进模块和所述水下感知模块供电；

嵌入式控制器，为通信的节点，用于控制所述水下推进模块、所述水下感知模块和所述机械臂模块；

交换机，用于建立所述水下感知模块和上位机之间的通信。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，所述水下推进模块包括：

水平螺旋桨推进器，具有偶数个，且对称设置于所述落地支架的两侧；所述水平螺旋桨推进器用于实现水平方向的推进和转向；

垂直螺旋桨推进器，具有偶数个，且嵌设于所述上表壳的内部，所述垂直螺旋桨推进器用于实现垂直方向的升降运动；

所述水平螺旋桨推进器和所述垂直螺旋桨推进器均与所述主控制模块电连接。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，所述水下感知模块包括：

水下视觉系统，用于感知工作区视野；

图形处理器，用于水下视频采集和水下图像增强；

惯性导航传感器，用于检测机器人的位姿；

深度计，用于检测机器人的深度；

所述水下视觉系统、所述惯性导航传感器和所述深度计均与所述主控制模块电连接。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，所述水下视觉系统包括：

摄像头，用于提供工作区视野；

照明灯，用于弱光线水下环境的照明。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，所述机械臂模块包括：

水下机械臂，设置于所述上表壳的前进端，且连接有所述破拆切割模块；

夹爪，设置于所述水下机械臂的末端，用于夹持所述救援辅助模块。

根据本发明提供的一种水下应急救援机器人，所述破拆切割模块采用等离子切割枪。

本发明提供的水下应急救援机器人，浮力外壳模块提供浮力，水下感知模块感知外界环境，主控制模块控制水下推进模块实现前进后退、上浮下潜、转弯等运动，主控制模块控制机械臂模块的伸缩，实现破拆切割模块的按需切割，以达到保障生命安全，减少财产损失的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的水下救援机器人的轴测图；

图2是本发明提供的水下救援机器人的正视图；

图3是本发明提供的水下救援机器人的仰视图；

图4是本发明提供的水下救援机器人的侧视图；

图5是本发明提供的主控制舱的内部结构示意图；。

附图标记：

1：浮力外壳模块；11：上表壳；12：导流块；13：落地支架；

2：主控制模块；21：光电转换装置；22：电源转换器；23：交换机；24：嵌入式控制器；25：电子调速器；26：通信控制线缆；27：电源线缆；

3：水下推进模块；31：水平螺旋桨推进器；32：垂直螺旋桨推进器；

4：水下感知模块；41：水下视觉系统；42：图形处理器；43：惯性导航传感器；44：深度计；411：摄像头；412：照明灯；4111：前视双目摄像头；4112：下视双目摄像头；4121：前视照明灯；4122：下视照明灯；

5：机械臂模块；51：水下机械臂；52：夹爪；

6：破拆切割模块；

7：救援辅助模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合图1描述本发明的一个实施例，公开了一种水下应急救援机器人，能够实现水下破拆切割功能。

本发明的实施例提供的水下应急救援机器人采用模块化设计，包括浮力外壳模块1、主控制模块2、水下推进模块3、水下感知模块4、机械臂模块5和破拆切割模块6。浮力外壳模块1用于提供浮力；水下推进模块3设置于浮力外壳模块上，水下推进模块3用于提供推进力；水下感知模块4设置于浮力外壳模块1上，水下感知模块4用于感知外界环境；机械臂模块5设置于浮力外壳模块1的前进端；破拆切割模块6设置于机械臂模块5上，破拆切割模块6用于实现破拆切割；主控制模块2用于控制水下推进模块3、水下感知模块4和机械臂模块5。

本发明实施例公开的水下应急救援机器人，通过浮力外壳模块1实现姿态稳定；通过水下推进模块3实现前进后退、左转右转、上浮下潜游动，水下感知模块4感知外界环境；机械臂模块5夹持破拆切割模块6，主控制模块2控制水下推进模块3、水下感知模块4和机械臂模块5，通过破拆切割模块6实现水下切割钢板，保障生命安全，减少财产损失。

其中，破拆切割模块6可采用等离子切割枪。

具体的，如图1和图2所示，浮力外壳模1包括位于机器人顶端外表的上表壳11、位于机器人前端的导流块12和位于机器人底端的落地支架13。上表壳11由覆盖机器人上表面的浮体壳构成，用于提供整个机器人的浮力和维持机械人姿态的平衡。导流块12由中部凸起的浮体块构成，在整个机器人向前游动时起到导流的作用。落地支架13由固定于机器人四角处的四根支架构成，用于支撑机器人；同时还为水下推进模块3提供了安装结构。

如图1和图2所示，本发明提供的实施例中，还包括救援辅助模块7，救援辅助模块7包括氧气罐和呼吸器，氧气罐设置于上表壳11的底部，具体实现方式可以采用氧气罐底板固定设置于上表壳11的底部，并将氧气罐通过卡箍固定于氧气罐底板上。呼吸器与氧气罐连通，用于实现为水下被困人员输送氧气。

氧气罐与呼吸器安装于机器人腹部，可以供一人水下供氧呼吸30分钟，呼吸器由可机械臂模块5夹持，并由机械臂模块5递送给被救人员，完成救援。其中，氧气罐可以根据需求设置容量大小，综合考虑机器人总体承重能力。

具体的，水下推进模块3包括水平螺旋桨推进器31，具有偶数个，且对称设置于落地支架13的两侧；水平螺旋桨推进器31用于实现水平方向的推进和转向；垂直螺旋桨推进器32，具有偶数个，且嵌设于上表壳11的内部，垂直螺旋桨推进器32用于实现垂直方向的升降运动；水平螺旋桨推进器31和垂直螺旋桨推进器32均与主控制模块2电连接。如图1和图3所示，上表壳11具有用于垂直螺旋桨推进器32的通孔，便于垂直螺旋桨推进器32工作，实现整个机器人垂直方向的升降运动。

更进一步的，水平螺旋桨推进器31具有四个，分别位于机器人四周，固定安装于落地支架13的外侧；垂直螺旋桨推进器32具有两个，位于机器人重心附近，且关于机器人重心对称。水平螺旋桨推进器31和垂直螺旋桨推进器32均具有偶数个，且对称设置的目的在于，实现机器人游动的平衡和稳定性。

如图4所示和图5所示，水下感知模块4包括水下视觉系统41、图形处理器42、惯性导航传感器43和深度计44，水下视觉系统41用于感知工作区视野；图形处理器42用于水下视频采集和水下图像增强；图形处理器42、惯性导航传感器43和深度计44位于主控制舱内，惯性导航传感器43用于检测机器人的位姿；深度计44用于检测机器人的深度。

水下视觉系统41包括摄像头411和照明灯412，摄像头411用于提供工作区视野；照明灯412用于弱光线水下环境的照明。摄像头411包括两个前视双目摄像头4111和两个下视双目摄像头4112；两个前视双目摄像头4111为机器人提供前方视野，下视双目摄像头4112为机器人提供下方工作区视野；照明灯412包括前视照明灯4121和下视照明灯4122，用于弱光线下环境的照明。

照明灯412的通断控制由主控制舱中的嵌入式控制器24输出PWM(Pulse WidthModulation)实现。深度计44和惯性导航传感器43集成在主控制舱内，与主控制舱的嵌入式控制器24直接相连，获取水下应急救援机器人的深度和航向角等位姿信息。

如图1、图3和图4所示，机械臂模块5用轻量化4-DOF机械臂模块，包括水下机械臂51和夹爪52，水下机械臂51设置于上表壳11的前进端，且连接有破拆切割模块6；水下机械臂51可包括机械臂底座、机械臂连杆和末端执行器，采用高精度电机分布在水下机械臂连杆和末端执行器的各个关节，直接控制各个关节的转动，电机的驱动模块统一集成在机械臂底座上，水下机械臂51通过位于主控制舱内的嵌入式控制器24串口通信进行控制；破拆切割模块6固定安装于水下机械臂51上。夹爪52设置于水下机械臂51的末端，用于夹持救援辅助模块7。

需要说明的是，水下机械臂51的结构包括但不限于以上形式，只要能实现机械臂运动的结构均可。

其中，水下机械臂51具有四个自由度，工作区域覆盖机器人的下端和前进端；夹爪52可开合，用于抓取和递送呼吸器。

如图1、图2和图5所示，主控制模块2包括位于机器人腹部的主控制舱和位于尾部的光电转换装置21。主控制舱内安装有电源转换器22、交换机23、嵌入式控制器24和电子调速器25，主控制舱负责解析和传输机械臂模块5指令，发送水平螺旋桨推进器31指令和垂直螺旋桨推进器32指令，解析和传输深度计44、惯性导航传感器43信息，水下视频采集和图像增强。

其中，光电转换装置21用于将电信号转换为光信号进行传输；电源转换器22包括220V-24V电源转换器和24V-12V电源转换器，220V-24V电源转换器用于交流电转直流电，给四个水平螺旋桨推进器31和两个垂直螺旋桨推进器32供电，24V-12V电源转换器用于给摄像头411、照明灯412、机械臂模块5、惯性导航传感器43、交换机23、嵌入式控制器24供电；嵌入式控制器24负责整个系统的底层控制，是通信的主节点；交换机23用于建立水下视觉系统41、图形处理器42和上位机之间的通信。惯性导航传感器43、深度计44属于水下感知模块4，负责检测水下机器人的位姿和深度，安装于主控制舱内部。图形处理器42用于水下视频采集和水下图像增强。电子调速器25用于对水平螺旋桨推进器31和垂直螺旋桨推进器32进行调节转速，进一步实现控制机器人的行走速度。主控制舱通过通信控制线缆26与水下机械臂51、摄像头411、水平螺旋桨推进器31、垂直螺旋桨推进器32连接，电源电缆27为机器人传输220v电流。

本发明提供的水下应急救援机器人，通过设置破拆切割模6和救援辅助模块7，为自然灾害救灾救援提供装备支撑，能够部分替代水下搜救队员进行水下切割钢板、输送氧气等作业，达到保障生命安全，减少财产损失的目的；同时，采用模块化设计，方便在执行不同任务时或者需要维修时对相应模块进行拆卸和更换。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种水下应急救援机器人，其特征在于，包括：

浮力外壳模块，所述浮力外壳模块用于提供浮力；

水下推进模块，设置于所述浮力外壳模块上，所述水下推进模块用于提供推进力；

水下感知模块，设置于所述浮力外壳模块上，所述水下感知模块用于感知外界环境；

机械臂模块，设置于所述浮力外壳模块的前进端；

破拆切割模块，设置于所述机械臂模块上，所述破拆切割模块用于实现破拆切割；

主控制模块，用于控制所述水下推进模块、所述水下感知模块和所述机械臂模块。

2.根据权利要求1所述的水下应急救援机器人，其特征在于，所述浮力外壳模块包括：

上表壳，所述上表壳用于提供浮力；

导流块，设置于所述上表壳的前进端侧，所述导流块用于导流；

落地支架，设置于所述上表壳的底部，所述落地支架用于支撑机器人。

3.根据权利要求2所述的水下应急救援机器人，其特征在于，还包括救援辅助模块，所述救援辅助模块设置于所述上表壳的底部。

4.根据权利要求3所述的水下应急救援机器人，其特征在于，所述救援辅助模块包括氧气罐和呼吸器，所述氧气罐设置于所述上表壳的底部，所述呼吸器与所述氧气罐连通。

5.根据权利要求1所述的水下应急救援机器人，其特征在于，所述主控制模块包括：

光电转换装置，用于将光信号转换为电信号进行传输；

电源转换器，用于给所述水下推进模块和所述水下感知模块供电；

嵌入式控制器，为通信的节点，用于控制所述水下推进模块、所述水下感知模块和所述机械臂模块；

交换机，用于建立所述水下感知模块和上位机之间的通信。

6.根据权利要求2所述的水下应急救援机器人，其特征在于，所述水下推进模块包括：

水平螺旋桨推进器，具有偶数个，且对称设置于所述落地支架的两侧；所述水平螺旋桨推进器用于实现水平方向的推进和转向；

垂直螺旋桨推进器，具有偶数个，且嵌设于所述上表壳的内部，所述垂直螺旋桨推进器用于实现垂直方向的升降运动；

所述水平螺旋桨推进器和所述垂直螺旋桨推进器均与所述主控制模块电连接。

7.根据权利要求1所述的水下应急救援机器人，其特征在于，所述水下感知模块包括：

水下视觉系统，用于感知工作区视野；

图形处理器，用于水下视频采集和水下图像增强；

惯性导航传感器，用于检测机器人的位姿；

深度计，用于检测机器人的深度；

所述水下视觉系统、所述惯性导航传感器和所述深度计均与所述主控制模块电连接。

8.根据权利要求7所述的水下应急救援机器人，其特征在于，所述水下视觉系统包括：

摄像头，用于提供工作区视野；

照明灯，用于弱光线水下环境的照明。

9.根据权利要求3所述的水下应急救援机器人，其特征在于，所述机械臂模块包括：

水下机械臂，设置于所述上表壳的前进端，且连接有所述破拆切割模块；

夹爪，设置于所述水下机械臂的末端，用于夹持所述救援辅助模块。

10.根据权利要求1-9任一项所述的水下应急救援机器人，其特征在于，所述破拆切割模块为等离子切割枪。

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