基本信息
- 项目名称：
- 多功能水下作业机器人
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本多功能水下作业机器人是一种广泛用于各种水文信息采集、水工结构检修、水文地质勘测，河道勘察，水产养殖等方面工作的通用工具，由履带驱动装置、沉浮装置、视频传输装置、传感器、推进螺旋桨、方向控制装置、扭转平衡螺旋桨、信号线、中央控制系统、数据输出设备及水体监测附属装置组成。 该机器人可以快速、高效的采集包括水深、水温、水流速、河流含沙量等水文信息并对水文地质环境和水工建筑物实时监测。
- 详细介绍：
- 概 述 本发明涉及一种水下作业机器人，特别是一种能高效、快捷完成水中不同方位的各种水文数据采集、水工建筑水下结构安全隐患探测、水下地质勘测，河道勘察等工作的多功能水下作业机器人。它由履带驱动装置、沉浮装置、视频采集装置、温度传感器、压力传感器、推进螺旋桨、方向控制装置、扭转平横螺旋桨、信号线、中央控制系统、数据输出设备及水体监测附属装置组成，本发明是一种自动化的水文信息采集和水环境监测及水利设施检修机器人，该机器人可以在水上、水中、水下全方位快速、高效的完成水文数据采集、沿水工建筑侧壁做垂直运动进行水下结构安全隐患探测、水文地质勘测，河道勘察等方面工作，以适应现代科技不断发展的要求。一、课题来源 目前，随着科学技术的不断发展，对水文信息水环境勘测不断提出新要求，水文观测和水环境勘测项目和内容不断增加，对观测手段和方法以及勘测技术的研发和应用提出了更高的要求;现代电子技术、传感技术、通信技术和计算机技术的迅速发展，也促进了水文监测技术和水环境勘测自动化的发展。 在水文监测和水环境勘测系统中，常常需要对众多的水位点进行实时监测，大部分监测数据需要实时发送到管理中心的后端服务器进行处理。由于监测点分散，分布范围广，而且大多设置在环境较恶劣的地区，通过人为监测很难完成，加之众多水工建筑物的检修因其特殊的水下环境，人为作业更是难以完成，世界各国已经在各种水文信息采集和水下工程中大量应用水下机器人，如水环境监测、水样采集、海洋石油的堪探与开采、援潜救生、海底沉船沉物打捞、海底资源堪查、水工结构物的检查等领域。因此水文信息采集、水环境勘测以及水工结构的检查等工作中使用机器人作业已成为重大发展趋势。本科技开发小组立足于传统水下作业机器人在细致分析其缺点和不足的基础上大胆创新，研发出了本多功能水下作业机器人。 二、研究目的 为弥补现有水下作业机器人的相关不足和缺陷，设计一种高效、快捷进行水文数据采集、水工建筑水下结构安全隐患探测、水文地质勘测，河道勘察等方面工作的机器人，该机器人可以在水上、水中、水下全方位快速、高效的采集包括水深、水温、水流速、河流含沙量等水文信息并对水文地质环境和沿水工建筑侧壁做垂直运动进行水工建筑物实时监测，以适应现代科技不断发展的要求。三、技术方案 本发明的目的可以通过以下技术方案实施：本多功能水下作业机器人，它由履带驱动装置、沉浮装置、视频采集装置、温度传感器、压力传感器、推进螺旋桨、方向控制装置、扭转平衡螺旋桨、信号线、中央控制系统、数据输出设备及水体监测附属装置组成，履带驱动装置安装在整个机器人腹部，浮沉装置安装在履带驱动装置上部，沉浮装置的上盖可以打开以增加或减少用于抵消机器人自重的泡沫，视频采集装置通过三维机械臂安装在机器人上部，温度传感器和压力传感器安装在机器人背部，机器人中部安装有推进螺旋桨，扭转平衡螺旋桨安装在机器人前部，信号连接机器人与中央控制系统，数据输出设备由显示器组成。 本发明的目的还可以通过下述技术方案实施：本多功能水下作业机器人所述的履带驱动装置为无缝合金履带，后方通过两个直流电机驱动，履带由若干个定位滚轮定位；沉浮装置为中空设计，内部设有配重，装置上盖可以打开，内部装有用于抵消机器人自重的泡沫；的视频采集装置通过三维机械臂安装在机器人上部；温度传感器和压力传感器分别固定在机器人的背部；推进螺旋桨安装在机器人中部，螺旋桨叶片由直流电机控制正反转，并通过无极调速器调节螺旋桨的转速，扭转平衡螺旋桨安装在机器人前端；信号线连接在机器人机身和中央控制系统之间；中央控制系统由计算机，方向控制杆，机械臂控制杆，推进螺旋桨驱动开关，推进螺旋桨无极变速器，扭转平衡螺旋桨驱动开关，扭转平衡螺旋桨无极变速器，配重移动控制杆，信号线伸缩装置，水体监测附属装置控制器，照明灯电源开关组成；数据输出设备由显示器组成。四、突破与创新 1.突破 本发明突破了目前国内外水下作业机器人适用范围狭窄，工作方式单一，造价高昂等局限，它可以在水上、水中、水下全方位快速、高效的采集包括水深、水温、水流速、河流含沙量等水文信息并对水文地质环境和沿水工建筑侧壁做垂直运动进行水工建筑物实时监，实现了机器人功能的多元化，工作方式多样化，造价低廉等目标。 2.创新 I.驱动方式上的创新：本多功能水下作业机器人采用履带式水下行走方式。此方式使机器人执行水工建筑水下结构安全隐患探测、水下地质勘测，水文数据采集，河道勘察等任务时，能够更加平稳高效的运行，且相比浮游机器人更易进行水下定位，不易受水中暗流干扰。 II.履带设计上的创新：本多功能全方位水下作业；机器人的履带为橡胶无缝链接设计，既增强了履带的坚固程度延长了使用年限同时无缝设计也可以最大程度的减小机器人在水下泥沙中的下陷和泥沙淤塞问题。 III.沉浮方式上的创新：本多功能水下作业机器人采用全金属结构加泡沫填充物配合沉浮螺旋桨既增加了该机器人整体的坚固性又因泡沫填充物的强浮力增加了本机器人在水下的灵活性。 IV.水中平衡问题上的创新：本多功能水下作业机器人的沉浮装置内部设有自动控制的配重，通过改变配重的位置来改变机器人本身中心的位置，从而实现水中平衡。 V.水工结构检修方面上的创新：本多功能水下作业机器人在检修水工结构是需要沿建筑物侧壁做垂直或倾斜面运动，沉浮装置内部的加塞泡沫所产生的浮力可以抵消机器人本身的自重，安装在机器人腹部的推进螺旋桨在机器人做垂直或倾斜运动时推进螺旋桨旋转为机器人行走产生一个垂直于履带接触面的侧压力，安装的机器人前部的扭转平衡螺旋桨也随之转动，用以抵消推进螺旋桨旋转式产生的扭转力，从而使机器人在与运行方向垂直的方向上无作用力产生，保证了机器人的直线运行。 VI．勘测仪器方面的创新：本多功能水下作业机器人可以配置多种先进的水文测量、勘测、检查等仪器，提高本机器人的适用范围。 VII.视频采集方面的创新：本多功能水下作业机器人的摄像头采用三维旋机械臂控制，在摄像头对称位置配有高照度LED灯，提高水下可见度，以提高水下视频采集效果。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 设计一种高效、快捷进行水文数据采集、水工建筑水下结构安全隐患探测、水文地质勘测，河道勘察等方面工作的机器人，该机器人可以在水上、水中、水下全方位快速、高效的采集包括水深、水温、水流速、河流含沙量等水文信息并对水文地质环境和沿水工建筑侧壁做垂直运动进行水工建筑物实时监测，以适应现代科技不断发展的要求。基本思路： 本机器人所述的履带驱动装置为无缝链接橡胶履带，后方通过两个直流电机驱动，履带由若干个定位滚轮定位；沉浮装置为中空设计，内部设有配重，装置上盖可以打开，内部装有用于抵消机器人自重的泡沫；视频传输装置通过三维机械臂安装在机器人上部；传感器分别固定在机器人的背部；推进螺旋桨安装在机器人中部的过水通道内，扭转平衡螺旋桨安装在与推荐螺旋桨轴线在同一条直线的机器人前端；信号线连接在机器人机身和中央控制系统之间；数据输出设备由显示器组成。创新点： 1.本机器人能够拓展配置多种水下作业工具，提高了其适用范围。 2.本机器人具备水下竖直爬坡功能。 3.本机器人的外形采用流线型设计减小了机器人在水下运动时的水流阻力。 4.本机器人的视频采集装置采用六关节三维旋转机械臂支撑，并配有高照度照明系统，大大增加了视频采集范围和效果。 5.本机器人采用金属结构加泡沫填充物配合沉浮螺旋桨既增加了其整体坚固性又因泡沫填充物的强浮力增加了水下灵活性。技术关键：三维信息采集，沿水工结构侧壁垂直行走，水中自由沉浮等。
科学性、先进性
- 科学性：本发明突破了目前国内外水下作业机器人适用范围狭窄，工作方式单一，造价高昂等局限，它可以高效、快捷进行水文数据采集、水工建筑水下结构安全隐患探测、水文地质勘测，河道勘察等方面工作，实现水上、水中、水下全方位快速、高效的采集包括水深、水温、水流速、河流含沙量等水文信息并对水文地质环境和沿水工建筑侧壁做垂直运动进行水工建筑物实时监，实现了机器人功能的多元化，工作方式多样化，造价低廉等目标。先进性：1.本机器人能够拓展配置多种水下作业工具，提高了其适用范围。 2.本机器人具备其他水下作业机器人不具备的水下竖直爬坡功能。 3.本机器人的外形采用流线型设计减小了机器人在水下运动时的水流阻力。 4.本机器人的视频采集装置采用六关节三维旋转机械臂支撑，并配有高照度照明系统，大大增加了视频采集范围和效果。 5.本机器人采用金属结构加泡沫填充物配合沉浮螺旋桨既增加了其整体坚固性又因泡沫填充物的强浮力增加了机器人在水下的灵活性。
获奖情况及鉴定结果
- 该作品获2010年秋季校级大学生科研立项资助； 该作品在2010年校级首届水利创新大赛中荣获一等奖； 该作品获得“挑战杯”2011学校大学大学生课外科技作品竞赛科技发明类特等奖；该作品获得“挑战杯”2011省大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 正在进行专利申请。
技术转让方式
- 专利权转让
作品可展示的形式
- 1.机器人模型 2.机器人图纸 3.机器人说明书 4.机器人模型演示录像 5.机器人模型照片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明：详见附加材料技术特点和优势： 1.运行灵活，控制方便，早点低廉 2.装备按需拓展，扩大使用范围 3.具备竖直爬坡功能 4.流线型设计，减小行进阻力 5.广角度，高清晰视频采集推广前景： 该水下作业机器人以机器劳动代替人工劳动，能够大大提高水提高水工建筑水下结构安全隐患探测、水下地质勘测，水文数据采集，河道勘察等工作效率和质量；该机器人集多种功能于一身，一机多用，广泛应用于各种水利、水文方面的工作；采用先进的水文测量仪器，提高数据采集精度；采用高分辨率的水下摄像头并高照度照明系统使复杂的水底环境清晰直观的呈现在屏幕上，广泛适用于水工结构检修、水文勘测、水产养殖，水下探险打捞等水下作业该机器人具备以上优点相信一定能够得到广泛推广应用！
同类课题研究水平概述
- 1934年,美国研制出下潜934米的载人潜水器。1953年又研制出无人有缆遥控潜水器。其后的发展大致经历了三个阶段 。第一阶段：从1953年至1974年为第一阶段，主要进行潜水器的研制和早期的开发工作。先后研制出20多艘潜水器。其中美国的CURV系统在西班牙海成功地回收一枚氢弹，引起世界各国的重视。 第二阶段：1975至1985年是遥控潜水器大发展时期。海洋石油和天然气开发的需要，推动了潜水器理论和应用的研究，潜水器的数量和种类都有显著地增长。载人潜水器和无人遥控潜水器（包括有缆遥控潜水器、水底爬行潜水器、拖航潜水器、无缆潜水器）在海洋调查、海洋石油开发、救捞等方面发挥了较大的作用。 第三阶段：1985年，潜水器又进入一个新的发展时期。80年代以来,中国也开展了水下机器人的研究和开发,研制出“海人”1号(HR-1)水下机器人,成功地进行水下实验。尽管水下机器人到目前有了极大的发展但是应用于水文数据采集、水工建筑水下结构安全隐患探测、水下地质勘测，河道勘察等方面工作的机器人发展仍然比较迟缓，能够综合这些功能的多功能水下机器人更是少见，因此本小组致力于研制服务于水利事业的多功能水下作业机器人，并获得了较大突破。
