巨魷仿生水下機器人

1、浙江海洋學院“巨魷”水下機器人“Architeuthis Dux” Underwater Vehicle船舶與海洋工程-智慧海洋研發(fā)團隊2012-6-12012-8-29第一期，挑戰(zhàn)競賽設計Underwater Vehicle設計要求比賽場地：海洋航行器按申報功能進行5分鐘的實航。室內(nèi)游泳池（長50米，寬21米，深2米，池壁等間距布設8臺水下攝像機）。比賽場地上有若干限寬門，門寬1m，高度為從池底起出水0.5m，涂裝醒目的顏色。比賽中除非航行器沉底，否則不得人工干預比賽。起點-終點限寬門布設圖技術(shù)要求，各種設計不做限制。動力裝置：鼓勵采用除螺旋槳之外的推進器；姿態(tài)控制：鼓勵采用除鰭舵之外的姿態(tài)

2、控制方式；控制方式：鼓勵采用除人工遙控控制之外的控制方式；數(shù)據(jù)傳輸：安裝數(shù)據(jù)鏈路，在地面實時顯示航行軌跡。系統(tǒng)使用頻率要求：系統(tǒng)使用頻率應符合國家無線電管理委員會的頻率分配規(guī)定，參賽者應在規(guī)定時間上報系統(tǒng)使用頻率，一經(jīng)上報不能改變?，F(xiàn)場不能隨意開機，屆時賽場將備掃頻儀和GPS信號監(jiān)視設備，違例將被取消參賽資格。評分要點：根據(jù)航行器航行姿態(tài)、航線航行、穿越限寬門（或避障礙）、動力方式、航行控制的方式、航行控制的精確性和穩(wěn)定性、抗過載結(jié)構(gòu)設計等內(nèi)容評分，設加分項。分值包含航行評分、功能評分，系統(tǒng)設計報告作為評分參考。每個評分項由評委打分取平均值計入總分。各獎項按分數(shù)高低取名次。評分項加分項1.使用

3、新型推進方式5-102.使用新型導航控制方式5-103.裝載前視或下視或側(cè)視攝像裝置，且可實時下傳圖像供地面顯示3-54.具備下潛持續(xù)航行能力2-55.總體設計新穎2-56.加工水平2-57.航海文化創(chuàng)意1-58.其它功能（每項）1-21海底礦產(chǎn)概要海洋中蘊藏著豐富的生物資源和礦產(chǎn)資源，隨著陸地資源的枯竭，海洋資源的開發(fā)利用對人類發(fā)展和社會進步的推動作用越趨明顯。礦產(chǎn)種類可以毫不夸張地說，海洋中幾乎有陸地上有的各種資源，而且還有陸地上沒有的一些資源。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的有以下六大類：1、石油和天然氣據(jù)估計，世界石油極限儲量1萬億噸，可采儲量3000億噸，其中海底石油1350億噸；世界天然氣儲量2

4、55280億立方米，海洋儲量占140億立方米。上世紀末，海洋石油年產(chǎn)量達30億噸，占世界石油總產(chǎn)量的50%。我國在臨近各海域油氣儲藏量約4050億噸。由于發(fā)現(xiàn)豐富的海洋油氣資源，我國有可能成為世界五大石油生產(chǎn)國之一。2、煤鐵等固體礦產(chǎn)世界許多近岸海底已開采煤鐵礦藏。日本海底煤礦開采量占其總產(chǎn)量的30%；智利、英國、加拿大、土耳其也有開采。日本九州附近海底發(fā)現(xiàn)了世界上最大的鐵礦之一。亞洲一些國家還發(fā)現(xiàn)許多海底錫礦。已發(fā)現(xiàn)的海底固體礦產(chǎn)有20多種。我國大陸架淺海區(qū)廣泛分布有銅、煤、硫、磷、石灰石等礦。3、海濱砂礦海濱沉積物中有許多貴重礦物，如：含有發(fā)射火箭用的固體燃料鈦的金紅石；含有火箭、飛機外殼

5、用的鈮和反應堆及微電路用的鉭的獨居石；含有核潛艇和核反應堆用的耐高溫和耐腐蝕的鋯鐵礦、鋯英石；某些海區(qū)還有黃金、白金和銀等。我國近海海域也分布有金、鋯英石、鈦鐵礦、獨居石、鉻尖晶石等經(jīng)濟價值極高的砂礦。4、多金屬結(jié)核、富鈷錳結(jié)核多金屬結(jié)核含有錳、鐵、鎳、鈷、銅等幾十種元素。世界海洋35006000米深的洋底儲藏的多金屬結(jié)核約有3萬億噸。其中錳的產(chǎn)量可供全世界用18000年，鎳可用25000年。我國已在太平洋調(diào)查200多萬平方千米的面積，其中有30多萬平方千米為有開采價值的遠景礦區(qū)，聯(lián)合國已批準其中15萬平方千米的區(qū)域分配給我國作為開辟區(qū)。富鈷錳結(jié)核儲藏在3004000米深的海底，容易開采?，F(xiàn)在

6、美、日等國已設計了一些開采系統(tǒng)。海底礦產(chǎn)資源是指賦存于大洋海底表層的沉積物中的多金屬結(jié)核（又稱錳結(jié)核）礦產(chǎn)。大洋錳結(jié)核這一巨大的潛在礦產(chǎn)，廣泛分布于世界的洋底。由于其形態(tài)和成分上的特征各異，人們通常又把它稱為錳結(jié)核、錳團塊、錳礦球，或錳瘤等。它人多產(chǎn)于海底表層，賦存的海域主要為水深30005000米的深海平原、海溝、海谷、海底火山和群島附近。開采海底礦產(chǎn)錳結(jié)核礦的最大特點是蘊藏量巨大，所含的稀貴金屬銅、鈷、鎳又多。僅就太平洋海域而言，據(jù)梅洛和梅納德估計；其蘊藏量達16000多億噸，約含錳2000多億噸，銅50多億噸，鎳90多億噸，鈷30億噸，相當于陸地礦山中儲有銅的50倍，錳的200倍，鎳的6

7、00倍，鈷的3000倍。如果考慮到大洋錳結(jié)核礦如此大的儲量，而且還在繼續(xù)增長，可以毫不夸張地說，深海大洋錳結(jié)核礦是人類“用之不竭的資源”。5、熱液礦藏熱液礦藏是一種含有大量金屬的硫化物，海底裂谷噴出的高溫巖漿冷卻沉積形成，已發(fā)現(xiàn)30多處礦床。僅美國在加拉帕戈斯裂谷儲量就達2500萬噸，開采價值39億美元。6、可燃冰是一種被稱為天然氣水合物的新型礦物，在低溫、高壓條件下，由碳氫化合物與水分子組成的冰態(tài)固體物質(zhì)。其能量密度高，雜質(zhì)少，燃燒后幾乎無污染，礦層厚，規(guī)模大，分布廣，資源豐富。據(jù)估計，全球可燃冰的儲量是現(xiàn)有石油天然氣儲量的兩倍。在上世紀日本、前蘇聯(lián)、美國均已發(fā)現(xiàn)大面積的可燃冰分布區(qū)。我國也

8、在南海和東海發(fā)現(xiàn)了可燃冰。據(jù)測算，僅我國南海的可燃冰資源量就達700億噸油當量，約相當于我國目前陸上油氣資源量總數(shù)的1/2。在世界油氣資源逐漸枯竭的情況下，可燃冰的發(fā)現(xiàn)又為人類帶來新的希望。由于人類對兩極海域和廣大的深海區(qū)還調(diào)查得很不夠，大洋中海底礦產(chǎn)如何開采等待人類解決。小型簡易作業(yè)型ROV 深水機器人ROV水下機器人概述隨著石油、天然氣等海洋資源的開發(fā)從近海延伸到深海，水下機器人(也稱無人潛水器)因其安全、高效、作業(yè)深度大、能在水下長時間工作而日益成為開發(fā)海洋資源的重要工具。按照無人潛水器與水面支持設備(母船或平臺)間聯(lián)系方式的不同，水下機器人可以分為兩大類：一類是人遠程遙控水下機器人，即

9、遙控水下機器人(Remotely Operated Vehicle，ROV)，通常有臍帶纜;另一類是無纜水下機器人，即自動水下機器人(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)，自帶能源，依靠自身的自治能力來管理和控制自己。小型的水下機器人為了減小行進阻力，減少動力消耗，通常采用玻璃纖維和金屬板件將外表做成流線型，如魚雷形或者球形。而無纜水下機器人(Auv)由于攜帶的能源有限，為了增加水下操作時間，減少動力消耗，所以一般更加注意減少行進阻力，注意形體方面的優(yōu)化。ROV經(jīng)濟性好、下水出水靈活性高、環(huán)境適應性好、作業(yè)效率高、使用有效等優(yōu)點，ROV通過與水面相聯(lián)的臍帶電纜獲

10、取能源，動力充足，作業(yè)時間不受能源的限制，可搭載較多的儀器設備;信息和數(shù)據(jù)的傳遞和交換快捷方便、數(shù)據(jù)量大;操作者在水上控制和操作，工作環(huán)境安全;其運行和控制等由水面功能強大的計算機、工作站與操作員通過人機交互的方式來進行，人的介入使得許多復雜的控制問題變得簡單，可以實現(xiàn)實時控制潛水器的運動狀態(tài)，實時觀察潛水器探測的目標信息和聲納視頻圖像，作業(yè)效率更高，其總體決策能力和水平較高，應對環(huán)境能力更強。此外，ROV沒有電池艙，重量和體積要小于同級別的AUV，技術(shù)要求和成本也相對較低。但其活動范圍受到臍帶電纜的制約，特別是在復雜水下環(huán)境下易造成纏繞事故，根據(jù)本比賽要求穿過多個限寬門，綜合考慮采用無線遙控

11、模式。深水作業(yè) ROV觀測 ROV吊放 “巨魷號”ROV簡介用于海底礦產(chǎn)勘探和采樣工作系統(tǒng)總體定位海底蘊藏巨量的貴重礦產(chǎn)資源，由于海底條件惡劣狀況復雜，水下機器人(也稱無人潛水器)因其安全、高效、作業(yè)深度大、能在水下長時間工作而日益成為開發(fā)海洋資源的重要工具。本設計主要針對海底礦場資源勘測，鉆探、取樣的作業(yè)型機器人。潛器尺寸：（長寬高）<1m*0。6m*1。5m結(jié)構(gòu)材質(zhì)：PVC塑料+不銹鋼+ABS樹脂+特種鋁+鈦合金+碳纖維浮力和壓艙物：PVC泡沫浮體，開放式結(jié)構(gòu)重量：約計75kg；有效載荷：15kg。(基礎ROV本體)推進器：4個直流無刷式推進器-2個水平方向(前進推動力11kg)-1

12、個垂直方向，預留兩電機接口（控制與驅(qū)動）壓力補償，用于推進器的電子重置過電流保護裝置速度：水平2，8節(jié)，垂直1。2節(jié)，側(cè)向？節(jié)。轉(zhuǎn)圈率60度/秒。攝像頭：標準攝像頭：彩色LL。CCD，460TV線，0。1lux。附選：變焦攝像頭，480TV線，1lux，機械臂：一臺兩自由度機械臂，預留一臺三自由度機械臂位置與接口。鉛蓄電池：12V-20Ah電池四節(jié)。外圍附件：2個照明燈，主體無纜遙控：激光雷達定位、無線視頻傳輸、無線微波遙控仿魷魚特性，仿生魷魚腹部為浮體材料，使得機器人能在海中沉浮，仿生腕足的多個機械手臂，能在海底各種作業(yè)。例如進行海底表層鉆探時，鉆桿從主體中間深入海底，繞口周圍多個機械臂如魷

13、魚腕足牢牢的抓固在海底，保證鉆探的穩(wěn)定性；單個機械手臂可進行水下物品抓取采樣；單個多個機械臂進行協(xié)作，如爬行動物一樣在海底行走。主體為圓錐形結(jié)構(gòu)，上部為浮體，下部為主負載。整體結(jié)構(gòu)采用了分層式造型，整體分為頂層、中層和底層三層，兩邊輔以高強度的樹脂邊框。頂層主要用來安裝固定后面采用的浮力塊，而中層主要用來安裝固定裝載有控制元件的浮力筒和懸掛推進器，下層主要是留出安裝后續(xù)的擴展設備，譬如機械手，配重塊之類。三層的所有零件基本上都采用不銹鋼飯金件，在保證強度的同時還能兼顧整體的美觀。 側(cè)視圖 俯視圖設計靈感巨魷Giant Squid(拉丁文Architeuthis Dux)。魷魚是頭足綱的軟體動物

14、，反應極為靈敏，行動十分迅速，巨大的身軀在海中矯健如飛。頭部兩側(cè)具有一對發(fā)達的眼和圍繞口周圍的有8只腕足和2條長長的用于進食的觸角。隱藏于它們吸盤中的微型鉤子可以牢牢鎖定獵物，捕食食物時用觸腕纏住將其吞食。魷魚噴射如水下火箭，行動迅速，腕足靈活自如，抓取物體。提供足夠浮力，巨型魷魚體內(nèi)含有大量的氨。 8只腕足靈活自如觸角上吸盤內(nèi)倒刺牢牢抓住魷魚仿生魷魚特性，仿生魷魚腹部為浮體材料，使得機器人能在海中沉浮，仿生腕足的多個機械手臂，能在海底各種作業(yè)。例如進行海底表層鉆探時，鉆桿從主體中間深入海底，繞口周圍多個機械臂如魷魚腕足牢牢的抓固在海底，保證鉆探的穩(wěn)定性；單個機械手臂可進行水下物品抓取采樣；單

15、個多個機械臂進行協(xié)作，如爬行動物一樣在海底行走。主體為圓錐形結(jié)構(gòu)，上部為浮體，下部為主負載。整體結(jié)構(gòu)采用了分層式造型，整體分為頂層、中層和底層三層，兩邊輔以高強度的樹脂邊框。頂層主要用來安裝固定后面采用的浮力塊，而中層主要用來安裝固定裝載有控制元件的浮力筒和懸掛推進器，下層主要是留出安裝后續(xù)的擴展設備，譬如機械手，配重塊之類。三層的所有零件基本上都采用不銹鋼飯金件，在保證強度的同時還能兼顧整體的美觀。采用這種形式的整體框架主要是考慮到分層式結(jié)構(gòu)在總體布置方面比較方便，層次分明，加掛和裝換設備儀器比較容易，而且高強度的樹脂邊框（鈦合金，碳纖維）還能起到圍護、支撐和保護其他部件(推進器、浮力筒、攝

16、像頭等)的作用。主體浮動框架主結(jié)構(gòu)：升降及平衡設置模塊設計；魷魚主體：錯落粗管鰩式平衡：調(diào)節(jié)平衡。ROV除承受自身重量外，ROV經(jīng)常需攜帶一些外載荷，完成一些特殊作業(yè)任務，如攜帶吸泥泵、液壓剪、液壓扳手、鉆石線切割鋸、打磨刷等作業(yè)工機具，攜帶海底管線/電纜檢測工具TSS340、聲納等檢測設備。尤其是在深水作業(yè)中，盡可能攜帶所需的全部工機具，能完成所需的各種作業(yè)，減少了ROV往返支持船甲板與水下作業(yè)現(xiàn)場路程與時間，極大提升ROV作業(yè)能力與工作效率。由于要求體積很小，各部分必須高度集成，充分利用空間，因而設計潛水器本體的總布置。主結(jié)構(gòu)由7部分組成，分別是：基礎框架、上尾艙、下尾艙、左前艙、右前艙、

17、底座、防撞架，其中基礎框架為結(jié)構(gòu)的核心參照和承力結(jié)構(gòu)。基礎框架的上部為吊點，下方連接底座，前方連接左右前艙，后方連接上下尾艙。左右前艙之間形成云臺的安裝空間。防撞架也固定于基礎框架上，并環(huán)繞左右前艙，用于保護云臺設備。主結(jié)構(gòu)采用鍛鋁表面經(jīng)陽極氧化處理，部件連接采用不銹鋼螺栓，密封件采用丁腈橡膠O形圈。動力推進及姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)動力裝置：螺旋槳之外、姿態(tài)控制：鰭舵之外。為滿足后期改進，主控器預留多個推進器接口。水下機器人的運動都是靠推進器來實現(xiàn)，其中絕大部分屬于電機推動器，還有少量的液壓推進器。一般水下機器人要求能實現(xiàn)水下空間的六自由度運動，三個平移運動即進退、升降、側(cè)移，三個回轉(zhuǎn)運動即轉(zhuǎn)向、俯仰和

18、橫搖。由于水下機器人的使用目的和場合不一樣，并非所有的都要做6自由度運動，但是為了滿足水下機器人的最低機動性，至少也要求水下機器人能實現(xiàn)進退、升降和轉(zhuǎn)向三個自由度的運動。這一次的作業(yè)型機器人主要定位在完成水下任務上，要求能快速準確的到達觀測目標所在地，所以對于平移運動的要求高于回轉(zhuǎn)運動，而在三個姿態(tài)角方面，航向角直接關(guān)系到水下機器人的前進方向，是最重要一個姿態(tài)角，所以2個水平推進器要求推力大，轉(zhuǎn)速控制精度高（安裝光電編碼轉(zhuǎn)速反饋）俯仰角主要關(guān)系到機器人的爬坡運動，但是這種工況比前進運動出現(xiàn)得相對少一些，所以重要性相對次之。這一次的作業(yè)型機器人的機動特性要求并不高，所以主要定位于實現(xiàn)三個平移運動

19、和轉(zhuǎn)向運動。水下機器人要求實現(xiàn)的運動即自由度直接影響到后面推進器數(shù)量和布局。由于本機器人側(cè)重于水下勘探作業(yè)，而非進行遠距離航行，故驅(qū)動系統(tǒng)主要進行上下運動，保證推進靈活性。因前期控制開支，減少電機數(shù)量，布置2個水平推進器和2個垂直推進器。要求電機可以控制調(diào)速，正反轉(zhuǎn)倒車。電機采用高性能直流無刷電機，大功率推進。推進器布置及機動能力水平推進器沿縱向布置，與浮心具有同等高度。垂直推進器沿垂向布置，與浮心具有同樣的縱向坐標。相比于單垂直推進器的設計，左右兩個垂直推進器設計具備更佳的橫傾調(diào)節(jié)能力。推進器結(jié)構(gòu)設計本次水下機器人的推進器均采用自主設計組裝形式。推進器主要由推進電機、連接架、螺旋槳、導流罩和

20、傳動軸幾大部分組成。其主要工作原理為通過變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，使之與螺旋槳轉(zhuǎn)速匹配，然后推進電機通過聯(lián)軸器與傳動軸連接，然后帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)。其中導流罩通過4根輻條直接固定在電機上，為了防止抖動時產(chǎn)生干涉，另外還增加兩根連接條將導流罩與連接架固定。推進器軸線與ROV擺放形式選擇上面這種布局方式主要是考慮到它的水平機動性較好，推力平穩(wěn)，可知，當使用的推進器性能差別不大而且a角取5o(仍可根據(jù)后續(xù)實際情況調(diào)整)時，損失在y軸方向的推力和：軸的轉(zhuǎn)矩都會相當小，在推進器推力有限時，采用這種方式的布局能夠合理的增加推力，并造成的擾動最小。方案三、液壓動力系統(tǒng)除AUV與小功率的ROV以外，載人潛水器與大功率水

21、下機器人都需要利用電液控制系統(tǒng)進行作業(yè)，并使用壓力實現(xiàn)各種機器人動作，如機械手動作；螺旋槳的驅(qū)動控制等等。液壓系統(tǒng)相比于電動控制有以下優(yōu)勢：1.液壓系統(tǒng)的重量功率比和重量扭矩比小，能容量大，這是深海水下運載器減少體積和重量所需要的。在相同功率下，電機比液壓馬達重量大12-25倍，在相同扭矩下，電機比液壓馬達重12-150倍。2.液壓系統(tǒng)容易獲得較大的力和力矩，一般機械傳動欲獲得很大的力或力矩，要通過一系列復雜的減速，不僅結(jié)構(gòu)復雜，效率低而且成本高。液壓傳動比較容易使工作油液獲得高的單位壓力。3.能在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速。液壓系統(tǒng)采用變量泵或調(diào)速閥，或兩者同時使用，可使執(zhí)行機構(gòu)做到大傳動比的無

22、級調(diào)速。4.用恒功率變量泵容易在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)恒功率調(diào)節(jié)。在相同功率下，可以有效的提高工作效率，減少動力消耗。在PV值(壓力與速度的乘積)基本恒定的情況下，能適應工作負荷經(jīng)常變化的需要。5.傳遞運動平穩(wěn)，均勻，無沖擊，運動慣量小。由于液壓馬達體積小，重量輕，其運動慣性質(zhì)量不超過同功率電機的10%，所以啟動快。新型推進器設計高壓氣瓶驅(qū)動控制氣動閥門，蒸汽噴射推進，低噪聲，無泵，高溫高壓蒸汽噴射推進。自主最新發(fā)明：磁流體與噴射混合推進技術(shù)-高速高效低噪音噴射推進技術(shù)。噴水推進，優(yōu)勢互補。創(chuàng)新設計：水下矢量推進技術(shù)姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)平衡調(diào)節(jié)裝置，采用陀螺儀gyroscope利用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相

23、對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運動檢測裝置。靜電、激光和光纖等三種高精度陀螺儀的工程設計方法，光學陀螺儀沒有與加速度有關(guān)的誤差，而且它的優(yōu)點是啟動快，不需要預熱和溫度控制；測量速度范圍沒有限制，標度因數(shù)的線性度和穩(wěn)定性高。因此，和機械陀螺儀相比較，光學陀螺儀在低成本和小型化等方面具有優(yōu)勢，可以預期它們將會有進一步的發(fā)展。光纖陀螺儀光纖陀螺儀是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件，由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變，決定了敏感元件的角位移。買光纖陀螺儀就到航天長城光纖陀螺儀與傳統(tǒng)的機械陀螺儀相比，優(yōu)點是全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟

24、動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕。與激光陀螺儀相比，光纖陀螺儀沒有閉鎖問題，也不用在石英塊精密加工出光路，成本低。激光陀螺儀激光陀螺儀的原理是利用光程差來測量旋轉(zhuǎn)角速度（Sagnac效應）。在閉合光路中，由同一光源發(fā)出的沿順時針方向和反時針方向傳輸?shù)膬墒夂凸飧缮?，利用檢測相位差或干涉條紋的變化，就可以測出閉合光路旋轉(zhuǎn)角速度。通過陀螺儀感應裝置的變化，通過調(diào)節(jié)滑動的重力塊改變重心，達到平衡。俯仰結(jié)構(gòu)示意圖手臂抓取及鉆探系統(tǒng)電液混合驅(qū)動-仿生機械設計。尤其是水下作業(yè)機械手來說，每增加1個自由度都要耗費巨大的成本。方案一：串聯(lián)機械臂關(guān)節(jié)型又稱回轉(zhuǎn)坐標型機械臂，這種機械臂模擬了人體上肢的運動。機械臂的基

25、座、大臂和小臂由三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)依次連接，參照人類上肢，這三個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)分部被稱作腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)，前三個關(guān)節(jié)的作用是將末端執(zhí)行器送達預定位置，而末端執(zhí)行器的姿態(tài)則由腕部狀態(tài)確定，腕部多采用兩自由度或三自由度的結(jié)構(gòu)。對于抓取作業(yè)，則可通過腕部動作對作物進行分離而盡量少用大關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)型機械臂的主要缺點是坐標計算及控制較復雜，定位精度差，由于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)太多，不適于重載，但是工作空間大，動作靈活，通用性強，而且樣品本身重量并不大，采樣定位精度要求也不高。方案二：并聯(lián)機械臂并聯(lián)機械臂相對于串聯(lián)機械臂，具有承載能力強、剛度大和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。相對于四自由度機械臂，三自由度機械臂結(jié)構(gòu)緊湊，重量較輕，體積較小

26、，控制容易，是近年來國際上機器人領(lǐng)域關(guān)注的熱點之一，如3-RPS并聯(lián)機構(gòu)和2T1R空間并聯(lián)機構(gòu)等。文中提出了一種新型三自由度擬人并聯(lián)機械臂，分析了該三自由度并聯(lián)機械臂的位置和工作空間，為其合理的設計和應用提供了理論基礎。這種機械臂的機構(gòu)動平臺相對于靜平臺具有2個移動和1個轉(zhuǎn)動自由度，具有結(jié)構(gòu)簡單，機械臂重量較輕，工作范圍大，裝配工藝性好等優(yōu)點。新型三自由度機械臂的結(jié)構(gòu)布局特點新型三自由度擬人并聯(lián)機械臂的機構(gòu)示意如圖1所示。其中直線電機1和3，導軌12，滑塊10和11，定長桿9，支撐桿8構(gòu)成一條2P-4R運動支鏈1，鉸接于腕7的一端;直線電機2，導軌4，滑塊5，定長桿6構(gòu)成另一條1P-2R運動支

27、鏈2，鉸接于腕7的另一端;各個轉(zhuǎn)動副的轉(zhuǎn)動軸線相互平行;各個移動副之間相互平行。整個機構(gòu)由3個直線電機驅(qū)動，完成腕的2個自由度的移動和1個自由度的轉(zhuǎn)動。方案三：液壓機械臂：而對于機械手，尤其是水下作業(yè)機械手來說，每增加1個自由度都要耗費巨大的成本。而對于機械手，尤其是水下作業(yè)機械手來說，每增加1個自由度都要耗費巨大的成本。機械手有7個自由度，其中手臂4個自由度，腕部3個自由度。其關(guān)節(jié)由液壓葉片馬達和氣動肌肉驅(qū)動器驅(qū)動。機械手的手爪是三指靈巧手，有7個關(guān)節(jié)，均由一個氣動肌肉驅(qū)動器驅(qū)動。方案四：采用多種方式混合機械臂：爪子為電機驅(qū)動，大臂為液壓驅(qū)動，內(nèi)部結(jié)構(gòu)靈巧。主臂與輔臂-爪子優(yōu)化設計-采用模塊

28、化安裝，類似瑞士軍刀，根據(jù)作業(yè)對象，對應更換。多用途專用鉗-刀-夾鉆探系統(tǒng)（水下懸浮式鉆探與機械臂緊抓式鉆探）懸浮式-靈活方便-適合淺層采樣。鉆機旋轉(zhuǎn)時候，力的作用與反作用，裝置本體會反向旋轉(zhuǎn)，需安裝側(cè)推，與回旋力抵消，保持本體平衡，如同直升飛機，主旋翼與側(cè)推尾槳。直升機動力主要由主旋翼和尾槳。旋翼一般由渦輪軸發(fā)動機或活塞式發(fā)動機通過由傳動軸及減速器等組成的機械傳動系統(tǒng)來驅(qū)動，也可由槳尖噴氣產(chǎn)生的反作用力來驅(qū)動。直升機發(fā)動機驅(qū)動主旋翼提供升力，把直升機舉托在空中，主發(fā)動機同時也輸出動力至尾部的小螺旋槳，機載陀螺儀能偵測直升機回轉(zhuǎn)角度并反饋至尾槳，通過調(diào)整小螺旋槳的螺距可以抵消大螺旋槳產(chǎn)生的不同

29、轉(zhuǎn)速下的反作用力。水下懸浮鉆探裝備，電動機驅(qū)動鉆機旋轉(zhuǎn)，同時通過聯(lián)軸器帶動側(cè)推尾槳旋轉(zhuǎn)，通過設計優(yōu)化轉(zhuǎn)速比，尾槳型號，使得不論鉆機旋轉(zhuǎn)快慢，尾槳側(cè)推力恰好等于回旋力，使得本體平衡。通過稱為“傾斜盤”的機構(gòu)可以改變直升飛機的旋翼的槳葉角，從而實現(xiàn)旋翼周期變距，以此改變旋翼旋轉(zhuǎn)平面不同位置的升力來實現(xiàn)改變直升機的飛行姿態(tài)，再以升力方向變化改變飛行方向。水下機器人導航定位系統(tǒng)激光雷達定位技術(shù)在室內(nèi)環(huán)境下，水下機器人要到達一定的位置并完成一定的任務，首先必須根據(jù)周圍環(huán)境中的特征信息確定自身在環(huán)境中的相對位置，這就是水下機器人的定位。定位技術(shù)是水下機器人導航的關(guān)鍵和基本問題。目前，水下機器人的導航定位方

30、法有很多，兩種最基本的位姿估計法為絕對定位和相對定位。絕對定位是指利用導航信標或地圖來進行定位，主要包括：GPS導航定位、概率定位、電磁導航定位以及聲音導航定位等，這些方法大多測量精度不高，且所需時間長。相對定位就是由水下機器人初始位置的距離和方向來確定當前位置的過程，主要包括慣性導航定位和激光或紅外的導航定位等，其中由于激光的測量距離遠、精度高和不易受干擾等優(yōu)點而成為目前定位研究的熱點。提出一種利用一維激光測距儀完成室內(nèi)水下機器人定位的方法，有效降低了工程應用中的設備成本，與已有的位姿估計法和地圖匹配法相比，簡化了機器人定位問題，使定位更加簡便。LIDAR是一種集激光，全球定位系統(tǒng)(GPS)

31、和慣性導航系統(tǒng)(INS)三種技術(shù)與一身的系統(tǒng)，用于獲得數(shù)據(jù)并生成精確的DEM。這三種技術(shù)的結(jié)合，可以高度準確地定位激光束打在物體上的光斑。它又分為目前日臻成熟的用于獲得地面數(shù)字高程模型(DEM)的地形LIDAR系統(tǒng)和已經(jīng)成熟應用的用于獲得水下DEM的水文LIDAR系統(tǒng)，這兩種系統(tǒng)的共同特點都是利用激光進行探測和測量，這也正是LIDAR一詞的英文原譯，即Light Detection And Ranging-LIDAR。LiDAR是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。用激光器作為發(fā)射光源，采用光電探測技術(shù)手段的主動遙感設備。激光雷達是激光技術(shù)與現(xiàn)代光電探測技術(shù)結(jié)合的先進探測方式。由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、信息

32、處理等部分組成。發(fā)射系統(tǒng)是各種形式的激光器，如二氧化碳激光器、摻釹釔鋁石榴石激光器、半導體激光器及波長可調(diào)諧的固體激光器以及光學擴束單元等組成；接收系統(tǒng)采用望遠鏡和各種形式的光電探測器，如光電倍增管、半導體光電二極管、雪崩光電二極管、紅外和可見光多元探測器件等組合。激光雷達采用脈沖或連續(xù)波2種工作方式，探測方法按照探測的原理不同可以分為米散射、瑞利散射、拉曼散射、布里淵散射、熒光、多普勒等激光雷達。激光雷達是一種工作在從紅外到紫外光譜段的雷達系統(tǒng)，其原理和構(gòu)造與激光測距儀極為相似?？茖W家把利用激光脈沖進行探測的稱為脈沖激光雷達，把利用連續(xù)波激光束進行探測的稱為連續(xù)波激光雷達。激光雷達的作用是能

33、精確測量目標位置（距離和角度）、運動狀態(tài)（速度、振動和姿態(tài)）和形狀，探測、識別、分辨和跟蹤目標。而激光雷達是利用機載藍綠激光器發(fā)射和接收設備，通過發(fā)射大功率窄脈沖激光，探測海面下目標并進行分類，既簡便，精度又高。水下機器人定位過程原理坐標系的建立該方法通過各種幾何方法確定水下機器人與室內(nèi)環(huán)境的位置關(guān)系，所用到的坐標系統(tǒng)主要有兩個，機器人坐標系和室內(nèi)參考坐標系。水下機器人在導航定位過程中，為了尋找角點，需要轉(zhuǎn)動安裝在機器人上的云臺帶動一維激光測距儀的旋轉(zhuǎn)，直到一維激光測距儀的光斑對準目標點。所以本文選取將機器人坐標系建立在云臺上，以云臺旋轉(zhuǎn)的水平方向為X軸，縱軸移動方向為Y軸，按右手系確定Z軸。

34、由于機器人是移動的，機器人坐標系也是相對的，所以要建立一個室內(nèi)固定的參考坐標系來準確定位機器人和空間物體。為了更好的描述水下機器人及室內(nèi)物體的位置，本文中室內(nèi)參考坐標系選取以墻角為頂點。兩個坐標系的建立示意圖如圖1所示。定位系統(tǒng)原理首先，要確定機器人坐標系統(tǒng)與一維激光測距儀的相對位置關(guān)系。由于機器人坐標系建立在云臺上，因此先對云臺和一維激光測距儀標定，這是準確求取目標點在場景坐標系中三維坐標的前提條件。其基本方法是先在云臺上建立機器人坐標系，然后利用云臺獲取的水平方向和垂直方向的旋轉(zhuǎn)角度分別記為A和B，以及一維激光測距儀采集到的距離信息d求取其轉(zhuǎn)換關(guān)系。這樣室內(nèi)環(huán)境中任何一特征點在機器人坐標系

35、下的三維坐標，記為(xt,yt,zt)，都可以通過此轉(zhuǎn)換關(guān)系求得。通過人機交互式遙操作旋轉(zhuǎn)云臺尋找墻角，使一維激光測距儀的光斑打到此墻角點，并以此墻角點為坐標系原點，墻角三條棱線為坐標軸建立室內(nèi)參考坐標系。根據(jù)上面所述，空間目標點在機器人坐標系下的三維坐標在對云臺和激光測距儀標定后都可以求得，以下要解決的問題是如何把目標點在機器人坐標系下的三維坐標轉(zhuǎn)換到室內(nèi)參考坐標系下。為完成機器人坐標系和參考坐標系的轉(zhuǎn)換，必須要求出兩個坐標系的旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。而要求得R和T必須在兩個坐標系下有至少三個已知坐標的非共線點才能進行測量，即若能在機器人坐標系(設為O1)和參考坐標系(設為O2)下尋找到至少

36、三個在兩個坐標系下坐標分別已知的公共點，且三個點非共線，便能求出O1和O2的相對關(guān)系，即可以求出R、T。以下的問題就是要解決如何在機器人坐標系下得到三個以上的點的坐標并通過激光測距儀的距離信息得到旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。通過旋轉(zhuǎn)云臺，由激光測距儀掃描得到在參考坐標系下的分別在X、Y、Z軸上的三個點A、B、C，如圖2所示。的DLS-C15激光測距傳感器 LMSZOO單線激光雷達是最常用的激光雷達類型，其優(yōu)點是數(shù)據(jù)獲取速度快，一幀數(shù)據(jù)只包含一條掃描線，數(shù)據(jù)量小，便于快速處理。這種激光雷達的缺點是只能獲得位于一個掃描平面的數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)在嚴格意義上仍屬于二維空間數(shù)據(jù)。本文研究中使用的單線激光雷達參數(shù)

37、見。掃描角度范圍180掃描電機工作周期75角度分辨率0。25/0。5/1目標10%反射率下測量距離10最大測量距離80測量分辨率10系統(tǒng)測距誤差+-15工作溫度0-50視頻無線傳輸無線模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本應用方案簡要技術(shù)說明一、無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)的基本組成前端：攝像機、鏡頭、云臺、解碼器，與閉路監(jiān)控系統(tǒng)相同。終端：硬盤錄像機、監(jiān)視器或電視機、矩陣等控制器，與閉路監(jiān)控系統(tǒng)相同。傳輸通道：包括兩個分系統(tǒng)：微波圖像傳輸系統(tǒng)-用于把監(jiān)控點圖像傳送到監(jiān)控室。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)-用于把監(jiān)控室各項控制命令傳送到監(jiān)控點，以實現(xiàn)監(jiān)控點云臺、鏡頭等無線控制。二、無線圖像傳輸系統(tǒng)：無線發(fā)射機-無線接收機-低噪聲放大器-

38、八木定向天線三、無線監(jiān)控系統(tǒng)傳輸特點微波圖像傳輸系統(tǒng)：-無線、實時、連續(xù)、無失真?zhèn)鬏斠宦穲D像和聲音。-接駁任何品牌的彩色/黑白/夜視攝像機、硬盤錄像機、矩陣、監(jiān)視器、電視機等視頻設備。標準模擬視頻和音頻信號。-傳輸距離300米50公里。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：-無線、無延時、靈活傳輸云臺鏡頭等控制命令。-接駁任何品牌的硬盤錄像機、矩陣控制器以及專用鍵盤。-RS232或RS485標準數(shù)據(jù)接口，碼速率：1200/2400/4800/9600可選。-傳輸距離5-30公里，可與微波圖像系統(tǒng)配套。四、微波信號的傳輸條件采用微波產(chǎn)品構(gòu)建無線遠程電視監(jiān)控系統(tǒng)，有一個近似苛刻的條件是要求每一監(jiān)控點到監(jiān)控之間空中無阻

39、擋，即要求發(fā)射天線和接收天線之間無阻擋，也就是所謂的視距傳輸條件。視距傳輸條件的內(nèi)涵是：眼睛能夠看到的地方（或光能夠穿透的東西），微波信號就能夠傳過去，否則微波信號就傳不過去。微波圖像傳輸系統(tǒng)的傳播特點：微波圖像傳輸系統(tǒng)工作頻率高，相對波長短，其繞射能力差，傳輸時，必須滿足視距條件。即接收和發(fā)射天線之間無遮擋，有遮擋時可加大功率繞射或設立中繼站發(fā)站。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的傳播特點：由于監(jiān)控系統(tǒng)的控制分系統(tǒng)工作于一點對多點的方式，一臺發(fā)射機要求能夠覆蓋所有監(jiān)控點，為此，一般無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)都工作在高頻波段，其頻率比較低，信號的繞射、反射能力強，所以發(fā)射天線和接收天線之間無需滿足可視條件，也就是說一般

40、情況下，無線數(shù)據(jù)發(fā)射機和無線數(shù)據(jù)接收機之間可以有阻擋。五、無線監(jiān)控系統(tǒng)連接與調(diào)試微波圖像傳輸系統(tǒng)：可以駁接任何品牌的攝像機、球機，彩色或黑白攝像機。無需調(diào)試，即裝即通。DC12V供電。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)：透明通道，無需用戶提供任何通信協(xié)議。直接與硬盤錄像機或矩陣控制器相連即可。AC220V或者AC24V供電。數(shù)據(jù)格式：1個停止位，8位數(shù)據(jù)位，奇/偶/無校驗（可設置），無需調(diào)試，即裝即通。毫瓦級無線影音傳輸設備是一種各方面性能都比較的出色的品種，它的功率余量大，更能適合各種復雜的實際環(huán)境。在使用0db的小全向天線時，在空曠地能保證傳輸500米以上，而且發(fā)射機工藝精湛，金屬外殼，散熱條件良好，長時間

41、工作溫升很低。信號輸入端子是常用的AV插座，所以能更方便地和攝像機、VCD等信號源配接。發(fā)射機體積62x42x48mm，重量70克。毫瓦的設備清單：毫瓦發(fā)射機-0dB的小全向發(fā)射天線-0dB的小全向接收天線-小型接收機工作頻率：1.2GHz頻點：1.08G、1.12G、1.16G、1.20G1.3GHz頻點：1.24G、1.28G、1.32G、1.36G2.4G頻點：2.413G、2.432G、2.451G、2.47G操作說明：A、將音視頻連接線，兩端的紅、白兩個頭，用于接收機跟監(jiān)視器(電視機)之間的連接；其中PT-603接收機：VIDEOOUT為視頻輸出，AUDIOOUT為音視輸出，分別連接

42、于監(jiān)視器(電視機)的視頻、音頻輸入口；B、將發(fā)射機的VIDEO與攝像機(頭)VIDEO通過AV線連接線起來，其中發(fā)射機的工作環(huán)境要求為DV12V穩(wěn)壓電源，亦可使用干電池供電；C、無線影音傳輸設備工作前必需做到：通電前必需先接天線；D、頻道選擇：在發(fā)射機側(cè)面有一組四位的撥碼開關(guān)，改變發(fā)射機側(cè)面的撥碼位置就是改變發(fā)射頻道。工作電壓DC9-12V，工作電流600mA，頻道數(shù)量4個頻道，傳輸頻率0。9G1。2GHz，接收頻率0.9G1.2G輸出功率1000mW，無障礙傳輸距離500800m，外形顏色黑色，工作溫度-10°+50°接收機體積115*60*20，發(fā)射機體積62x52x3

43、8mm(mm)，重量200g功能特點：DC12V供電、耗電小、輸出功率大、傳輸距離遠；體積小、重量輕、散熱快、密封效果好，全防水外殼；PLL技術(shù)、線性調(diào)試、防浪涌技術(shù)、具有較強的抗干擾性能；調(diào)頻方式、音視頻同步傳輸，圖像實時連續(xù)且清晰穩(wěn)定，無失真。整體結(jié)構(gòu)材料與浮體材料浮力筒設計浮力筒密封結(jié)構(gòu)設計一般是將其安裝在一個絕緣的腔體內(nèi)。通常的實際做法有以下兩種：首先就是將腔體里面充油，通過油來實現(xiàn)空間的絕緣，這種方法可靠性比較好，而且能夠保證內(nèi)外壓平衡，降低腔體壁厚減輕重量，這種形式一般在深海環(huán)境下使用較多;另外一種就是采用耐壓浮力筒，并進行相應的密封設計，保證空間的絕緣同時又能提供相應的浮力。這種

44、做法主要用于淺水及中等水深的環(huán)境，由于工作壓力有限，所以壁厚通常也不會很大。它的絕緣可靠性完全取決于密封，所以密封形式的選擇及結(jié)構(gòu)設計顯得相當重要。從現(xiàn)有的水下機器人發(fā)生使用故障來看，因為密封問題產(chǎn)生的電子元器件故障比其他故障要多。考慮到工作壓力不是很大，而且最后尾部封頭需要安裝多個水密接插件，而且接插件與封頭之間也存在密封問題，所以最后確定尾部封頭采用平蓋形式。ROV除承受自身重量外，還需承受外攜載荷的重量，這就需足夠浮力材料為ROV在水中重量提供浮力補償，保證ROV在水下游走時具備最大的穩(wěn)定性與機動性，因此，浮力材料除為ROV提供必須的凈浮力外，還能提高ROV攜帶有效載荷能力，減少ROV整

45、體重量與外型尺寸，提高其水下運動能力，是ROV必不可少的一部分。一臺ROV配備浮力材料取決于ROV攜帶實際載荷情況，因此，ROV規(guī)格數(shù)中，一個重要參數(shù)是其攜帶外載荷的能力。噴涂黃油漆，浮力材料一般安置在ROV頂部，而底部安放重型部件，這樣整個ROV系統(tǒng)的浮力材料中心與ROV重力中心分開，便可在ROV水下工作時，為ROV提供靈活性、穩(wěn)定性。當ROV不攜帶外載荷時，需放置鉛塊做壓載物，來調(diào)整ROV的浮力狀態(tài)，ROV出廠時，其供應商都會配備相應的鉛塊。裝備在ROV的外載荷是靜態(tài)的，故浮力材料補償ROV重量時，盡可能保持ROV在水中接近中性，以提高ROV運動的機動性，但實際中ROV常保持略正浮力狀態(tài)，

46、以保證ROV臍帶纜被水下結(jié)構(gòu)物或船螺旋槳割斷后，能利用其自身正浮力漂浮至海面，能被快速搜查與打撈上來。電控系統(tǒng)控制方式：采用無線遙控方式、半潛巡航設計無線遙控：背鰭露出天線，天線防水，潛入水下1米，岸上也可接收信號進行工作，潛水狀態(tài)時進入無人自動工作狀態(tài)，天線收縮（或裸露在水中）自動控制。電控系統(tǒng)ROV水下控制系統(tǒng)設計，微處理器（MCU）融合了處理器。它具有豐富的系統(tǒng)與應用外設及標準的接口：外部總線接口（EBI）、10/100Base-T型以太網(wǎng)卡接口、4個通用同步/異步接收/發(fā)送器（USART）、主機/從機串行外設接口（SPI）、兩線接口（TWI）、3個同步串行控制器（SSC）、USB2。0全速（12MB/s）主機端口、USB2.0全速（12MB/s）器件端口等等。該芯片具有高性能、低功耗、低成本、小體積等優(yōu)點，廣泛應用在各種嵌入式系統(tǒng)中，如通信、軍事、航空、航天、工業(yè)控制、交通等領(lǐng)域?？刂葡到y(tǒng)的其它模塊的搭建。光纖發(fā)射卡-通訊串口電子羅盤調(diào)試串口-多通道A/D模塊-開關(guān)量輸入。3.1控制系統(tǒng)最小系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)的最小系統(tǒng)或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的可以工作的系統(tǒng)，通常由微控制器（MCU），時鐘電路、實時電路、擴展存儲器電路、復位電路等組成。為減少系統(tǒng)的復雜性系統(tǒng)最小系統(tǒng)沒有搭建實時電路，