CN116326517B - 一种用于珊瑚保育的水下机器人 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于珊瑚保育的水下机器人，包括机器人本体、推进器阵列及连接于机器人本体底面的柔性夹爪，机器人本体呈外部封闭式的壳体结构，推进器阵列连接于水下机器人本体的外部；柔性夹爪包括夹爪体、夹爪驱动组件，夹爪体的设置数量为两个，两个的夹爪体由夹爪驱动组件的两个驱动端独立控制于同侧分别开合，夹爪体的夹持空间内具有柔性的支撑部，以实现柔性夹持。本申请整体结构紧凑、外形封闭，可以有效地减少水体阻力，有利于穿梭于珊瑚保育区，且柔性夹爪的设置可以有效地减少在夹取过程中对珊瑚造成的损伤，具有珊瑚保育成功率高的优势。

Description

一种用于珊瑚保育的水下机器人

技术领域

本申请涉及水下机器人技术领域，特别涉及一种用于珊瑚保育的水下机器人。

背景技术

珊瑚保育的传统方式是人工复育，需要具备过硬的潜水技能和丰富珊瑚知识的工作人员频繁地潜入海底检查珊瑚生长状况，过程艰辛漫长且效率低，而水下机器人作为无人水下作业的载具，可以代替人类在水下完成各种任务，将水下机器人应用于珊瑚保育工作中，可以有效地减少人力资源浪费。

现有技术中，“海豚”系列是深之蓝自主研发的观察和轻作业级别水下机器人，产品重量在100～600kg，适合在水域广阔的环境工作，相较其他小型水下机器人，搭载能力强，受流浪的影响小、适合海上作业和水产养殖。在机械结构方面，现有的水下机器人多采用开架式结构，即将各种设备放置在一个空心框架中组成的水下机器人，此种结构设计不仅有效地控制了水下机器人的整体重量，而且还便于水下机器人其他模块的安装与调试，减少了生产和维护的成本；在推进器排布方面，现有的水下机器人多采用简单稳定的八推排布，即水平方向设置四个用于实现横移的推进器，垂直方向设置四个用于实现俯仰横滚控制的推进器，具有运动稳定且性能良好的优势。

但是，由于珊瑚保育工作比较繁琐，在保育过程中需要收集珊瑚残肢、复育珊瑚残肢、回播由残肢成功长大的珊瑚植株，而其中就复育珊瑚残肢步骤里，又分为挑选一个环境适宜的区域作为复育地点(海水水质检测)、搬运用于复育的铁架至复育地点、将残肢固定到铁架上、常规化巡逻检查珊瑚生长情况(花费时间最多)，可见其步骤之繁杂，周期之漫长，保育期间需要对其多次夹取、搬运，而珊瑚比较脆弱，在保育的过程中需要注意避免撞击、捏压等对珊瑚的损伤，现有的水下机器人没有适配于珊瑚保育的柔性夹取结构，无法满足珊瑚保育的工作需求，另外，现有的水下机器人外形体积庞大，八个推进器也会占用机器人很大一部分空间，使得船体体积进一步增大，导致其在水下作业时，操作不够灵活，容易对珊瑚造成碰撞，且开架式结构的框架也会造成珊瑚缠绕在其框架内，不利于珊瑚保育工作。

综上，现有的水下机器人应用在珊瑚保育工作用具有结构不合理、操作不够灵活，保育成功率低等问题，亟需一种能够应用于珊瑚保育工作中的水下机器人。

发明内容

本申请的目的在于提供一种用于珊瑚保育的水下机器人，以解决现有技术中水下机器人存在的结构不合理、操作不灵活、保育成功率低等问题。

本申请的实施例可以通过以下技术方案实现：

一种用于珊瑚保育的水下机器人，包括机器人本体、推进器阵列及连接于所述机器人本体底面的柔性夹爪，所述机器人本体呈外部封闭式的壳体结构，所述推进器阵列连接于所述水下机器人本体的外部，所述推进器阵列在至少三个推进方向上向所述水下机器人本体提供推力；

所述柔性夹爪包括夹爪体、夹爪驱动组件，所述夹爪体的设置数量为两个，两个的所述夹爪体由所述夹爪驱动组件的两个驱动端独立控制于同侧分别开合，且所述夹爪体的夹持空间内具有柔性的支撑部。

进一步地，所述夹爪体包括两个夹爪臂及支撑部，两个的所述夹爪臂相配合形成具有夹持空间的刚性夹爪，两个的所述支撑部分别连接于不同的所述夹爪臂的内侧，且在所述夹持空间内相配合形成具有弹性的柔性夹爪，在力的作用下，所述支撑部发生趋向于所述夹爪臂位移的形变。

进一步地，所述支撑部相对于所述夹爪臂的一侧设置有形变空腔，所述形变空腔用于为所述支撑部提供形变余量。

进一步地，所述夹爪驱动组件包括驱动壳体、驱动电机，所述驱动电机的设置数量为两个，两个的所述驱动电机均容置于所述驱动壳体内，且驱动端呈背向设置；

所述夹爪体的一端呈闭合状，两个的所述夹爪臂的闭合端通过互相配合的齿轮相啮合于所述夹爪驱动组件的驱动端。

进一步地，所述驱动壳体包括电机容置舱、定位转轴，所述电机容置舱为上下贯通的通孔，沿所述电机容置舱的贯通方向，所述驱动壳体的两端分别设置有定位转轴，两个的所述驱动电机均容置于所述电机容置舱内，且位于同一端的所述驱动电机的驱动端及所述定位转轴位于同一水平面内。

进一步地，所述柔性夹爪还包括机械臂、夹爪定位壳，所述机械臂与所述夹爪定位壳连接，所述夹爪定位壳内容置有所述夹爪驱动组件，所述夹爪驱动组件通过所述夹爪定位壳与所述夹爪体连接。

进一步地，所述夹爪定位壳包括第一定位壳体、第二定位壳体，所述第一定位壳体、所述第二定位壳体呈上下分体式可拆卸连接，且所述夹爪驱动组件的两个驱动端分别与所述第一定位壳体、第二定位壳体连接。

进一步地，所述柔性夹爪通过快拆式模块化拓展结构与所述机器人本体可拆卸式机械连接，并通过多功能转换模块与所述机器人本体可拆卸式电气连接。

进一步地，所述快拆式模块化拓展结构包括连接母板、连接公板、限位组件，所述连接公板与所述连接母板通过互相配合的滑块与滑槽可拆卸地连接，所述滑槽的一侧设置有位移端口，所述滑块沿所述位移端口的长度方向滑动连接于所述滑槽内，所述限位组件设置于所述滑槽的位移端口的旁侧，且所述限位组件的锁止端沿垂直于所述位移端口的长度方向伸缩运动，锁止状态时，所述限位组件的锁止端卡位于所述连接公板的锁止槽内。

进一步地，所述水下机器人本体的外部连接三组所述推进器阵列，每组的所述推进器阵列包括两个推进器，沿所述机器人本体的中轴线，每组的两个推进器呈对称设置于所述机器人本体的两侧。

本申请的实施例提供的一种用于珊瑚保育的水下机器人至少具有以下有益效果：

本申请整体设计采用封闭式架构，所有线路的排布均布置在壳内，外观美观简洁且有效利用了船体空间，大大压缩了水下机器人的体积，使得船体在运动时可以受到较小的阻力，从而减少能源的消耗，而且在珊瑚保育中可以有效减小对珊瑚等生物的损害，提高珊瑚保育的效率。

本申请采用矢量六推进器排布的设计，相对于稳定的八推框架式结构，该六推进器排布可以减少两个推进器的摆放，从而使船体体积大大减小，两个水平的推进器与四个矢量排布的推进器的交错排布同样可以实现多种运动姿态，而且使得船体运动更加稳定、灵活。在设计排布时将舱体与推进器均沿机器人呈对称分布，使机器人能够达到基本的中心对称，使机器人在水中能够更容易达到平衡状态，从而有效提高珊瑚保育的效率。

本申请设置有快拆式模块化拓展结构和多功能转换模块，面对复杂多变的养殖环境和多样的养殖需求，可以通过快拆式模块化拓展结构可以快速实现功能模块的机械连接，并通过多功能转换模块实现电连接，可以有效地拓展水下机器人的功能，能满足复杂多样的使用需求。

本申请中的柔性夹爪创新之处就在于加了一个防滑的橡胶圈和柔性二次抓取，其采用了两段式独立驱动的夹爪体，夹爪体内部设置了防滑橡胶圈，不仅易于抓取，且有效地降低了其夹取过程中将珊瑚夹碎的可能性，保证珊瑚的完整性；另外，采用了电动机防水外壳，对电子元件进行重点保护，具有珊瑚保育成功率高、实用性强的优势。

附图说明

图1为本申请一种用于珊瑚保育的水下机器人的整体结构示意图；

图2为本申请中机器人本体的分解状态示意图；

图3为本申请中耐压舱的整体结构示意图；

图4为耐压舱内部的电器结构排布示意图；

图5为本申请中快拆式模块化拓展结构的结构示意图；

图6为本申请中连接母板的结构示意图；

图7为本申请中连接公板的结构示意图；

图8为本申请中限位组件的结构示意图；

图9为本申请中快拆式模块化拓展结构采用U形槽口配合连接的结构示意图；

图10为本申请中水质检测模块的结构示意图；

图11为本申请中柔性夹爪的整体结构示意图；

图12为本申请中柔性夹爪的分解状态示意图；

图13为本申请中夹爪驱动组件的分解状态示意图；

图14为本申请中浮漂的整体结构示意图；

图15为本申请中浮漂内部结构图；

图16为内插板的结构示意图；

图17传感器数据处理流程；

图18深度修正示意图；

图19控制线程分配拓扑图。

图中标号

1-机器人本体；11-外壳体；111-上壳体；112-下壳体；113-中间结构板；12-耐压舱；121-舱体；122-舱罩；123-舱盖；124-套环；125-微型电脑；126-电路板；127-主电池；128-电源模组；129-备用电池模组；1210-摄像头；1211-固定支架；

13-把手；14-多功能转换模块；15-浮漂；150-外壳；151-内插板；152-防水开关；153-葛兰头；154-密封圈；155-惯导模组；156-电力载波模块；157-路由模块；158-锂电池；

2-推进器阵列；

3-柔性夹爪；31-夹爪体；311-夹爪臂；312-支撑部；313-形变空腔；32-机械臂；33-夹爪驱动组件；331-驱动壳体；3311-电机走线孔；3312-电机容置舱；3313-定位转轴；332-驱动电机；3321-电机体；3322-花键；34-夹爪定位壳；341-第一定位壳体；3411-第一定位孔；3412-第二定位孔；342-第二定位壳体；3421-第三定位孔；3422-竖向定位板；3423-横向定位板；

4-连接母板；41-母板底座；42-母板连接座；43-支撑板；44-工形槽；441-接入端口；442-位移端口；45-卡位口；

5-连接公板；51-工形滑块；52-支撑连接柱；53-卡位连接槽；54-支撑耳；55-锁止槽；

6-限位组件；61-机械盒；62-旋钮；63-锁止挡板。

7-水质检测模块；71-水质检测外壳；72-Ph计；73-水质检测器；74-卡槽。

8-双目摄像头；9-声呐模块；

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。

此外，为了方便理解，放大(厚)或者缩小(薄)了图纸上的各种构件，但这种做法不是为了限制本申请的保护范围。

单数形式的词汇也包括复数含义，反之亦然。

在本申请实施例中的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本申请实施例的产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中，为了区分不同的单元，本说明书上用了第一、第二等词汇，但这些不会受到制造的顺序限制，也不能理解为指示或暗示相对重要性，其在本申请的详细说明与权利要求书上，其名称可能会不同。

本说明书中词汇是为了说明本申请的实施例而使用的，但不是试图要限制本申请。还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的技术人员而言，可以具体理解上述术语在本申请中的具体含义。

图1为本申请一种用于珊瑚保育的水下机器人的整体结构示意图，如图1所示，一种用于珊瑚保育的水下机器人，包括机器人本体1、推进器阵列2及连接于所述机器人本体1底面的柔性夹爪3，所述柔性夹爪3包括夹爪体31、机械臂32、夹爪驱动组件33及夹爪定位壳34，所述机械臂32与所述夹爪定位壳34连接，所述夹爪定位壳34内容置有所述夹爪驱动组件33，所述夹爪驱动组件33的两端分别设置有两个独立控制的驱动端；

所述夹爪体31的设置数量为两个，两个的所述夹爪体31分别与所述夹爪驱动组件33的两个驱动端连接，且位于所述夹爪定位壳34的同一侧。

具体的，图2为本申请中机器人本体1的分解状态示意图，如图2所示，所述机器人本体1包括外壳体11和耐压舱12，所述耐压舱12容置于所述外壳体11的内部，使得所述机器人本体1呈外部封闭式的壳体结构，用于减少所述机器人本体1外部的冗余结构，减少其外部结构对珊瑚造成撞击的可能性。

在一些优选的实施例中，所述外壳体11包括上壳体111、下壳体112、中间结构板113，所述上壳体111与所述下壳体112可拆卸地连接，共同构成一个内部具有容置空间的可拆卸式壳体结构，所述中间结构板113为连接于所述上壳体111与所述下壳体112之间的框架，用于增加所述外壳体11整体结构的稳固性。

在一些优选的实施例中，所述外壳体11呈流线型，一方面，用于减少其在运动时受到的阻力，从而减少能源的消耗，另一方面，减小在珊瑚保育工作中因外壳对珊瑚等生物造成损害的可能性，提高珊瑚保育的效率。

在一些优选的实施例中，所述流线型可以是呈半椭圆的圆弧流线型，也可以是呈中间圆、两端尖的流线型，也可以是卡克斯流线型，具体形状在此不做进一步限定。

在一些优选的实施例中，所述耐压舱12为容置于所述外壳体11内部的单舱结构，且卡位于所述中间结构板113的中部，即电池和控制板等电控单元均设置于所述耐压舱12内部，用于集成式布局，减少所述机器人本体1的体积，使其轻便化。

具体的，图3为本申请中耐压舱的整体结构示意图，如图3所示，所述耐压舱12包括舱体121、舱罩122、舱盖123，所述舱体121、所述舱罩122、所述舱盖123相配合连接，以形成内部具有容置空间的容置舱，用于容置电池与控制板。

在一些优选的实施例中，所述耐压舱12还包括套环124，所述舱体121、所述舱罩122、所述舱盖123通过化学粘合剂紧密连接，所述套环124套设于所述舱体121与所述舱盖123的连接端，并通过螺栓紧固进行轴向密封，用于提高所述耐压舱12的防水性、密封性。

在一些优选的实施例中，所述舱盖123与所述套环124的内部设有两处开槽，所述开槽内容置有O型圈，用于通过O型圈双层径向密封处理，进一步增加所述耐压舱12的防水性、密封性。

在一些优选的实施例中，所述舱体121呈圆柱体状，所述舱体121由亚克力材料制成，所述舱盖123由铝合金材料制成，所述耐压舱12的舱内架构用碳纤维板作为隔离板，隔离板之间通过铜柱连接，用于增加所述耐压舱12的整体耐压性、坚固性。

在一些优选的实施例中，所述耐压舱12内设置有固定支架1211，如图4所示，所述固定支架1211将所述耐压舱12内划分出若干个区域，用于分区域地放置电控单元的组件，提高舱内空间的利用率。

在一些优选的实施例中，所述电控单元包括微型电脑125、电路板126、主电池127、电源模组128、备用电池模组129、摄像头1210，其中，所述备用电池模组129与所述电源模组128之间设置有隔断，用于减少电池模组因发热、故障等情况对主电池127产生影响。

相比较于现有技术中的耐压舱，本申请中通过固定支架1211进行区域划分，提高了舱内空间的利用率，可以将电控单元集中在舱内设置，减小了耐压舱12的整体体积，进而缩小了所述外壳体11的体积，有利于水下机器人穿梭于各个珊瑚保育区。

在一些优选的实施例中，所述机器人本体1还包括把手13，如图1所示，所述把手13设置于所述外壳体11的外部，一方面，用于便于回收携带，另一方面，用于收纳时缠绕线缆。

在一些优选的实施例中，所述机器人本体1还包括多功能转换模块14，所述多功能转换模块14连接于所述外壳体11的尾部，且与所述耐压舱12电连接，用于实现多功能模块设备与水下机器人本体1之间的电连接。

在一些优选的实施例中，所述多功能转换模块14呈上下分体式的可拆卸结构，用于配合所述外壳体11的上下分体式结构，便于装配。

在一些优选的实施例中，所述多功能转换模块14包括若干个连接插孔，所述连接插孔内设有连接插头，所述连接插头一端与所述耐压舱12连接，另一端用于连接外部电气结构，非使用状态时，所述连接插头与对接防水插头连接，用于实现防水密封，当所述多功能转换模块14需要外接多功能模块设备，将所述对接防水接头从所述连接插孔内拔出，将外接的多功能模块设备的电插头插入所述连接插孔内即可。

相比较现有的水下机器人，一方面，所述多功能转换模块14可以根据应用场景需求便捷地换接不同的多功能模块设备，增加了功能选择的多样性，有利于向处于不同阶段的珊瑚保育工作提供针对性功能，增加保育工作的成功率；另一方面，将本应在舱内的插拔接头操作转移到了舱外，不仅使得接线和换接工作更加便捷，而且还方便进行舱外充电处理。

在一些优选的实施例中，所述水下机器人还包括快拆式模块化拓展结构，用于实现各种不同的所述多功能模块设备与所述机器人本体1之间的通用性快拆式可拆卸连接，以实现机械结构上的固定作用，在此基础上，所述多功能模块设备通过所述多功能转换模块14与所述机器人本体1电气连接，实现实时接收机器人本体1的信号，并远程将数据信号反馈给机器人本体1，实现水下机器人的多功能模块化。

具体的，图5为本申请中快拆式模块化拓展结构的结构示意图，如图5所示，所述快拆式模块化拓展结构包括连接母板4、连接公板5、限位组件6，所述连接公板5与所述连接母板4通过互相配合的滑块与滑槽可拆卸地连接，所述滑槽的一侧设置有位移端口442，所述滑块沿所述位移端口442的长度方向滑动连接于所述滑槽内，所述限位组件6设置于所述滑槽的位移端口442的旁侧，且所述限位组件6的锁止端沿垂直于所述位移端口的长度方向伸缩运动，锁止状态时，所述限位组件6的锁止端卡位于所述连接公板5的锁止槽内，用于通过所述限位组件6实现所述连接公板5与所述连接母板4之间的锁止定位。

具体的，图6为本申请中连接母板的结构示意图，如图6所示，所述连接母板4包括母板底座41、母板连接座42，所述母板底座41与所述母板连接座42连接，所述母板底座41用于连接水下机器人的外壳或多功能模块设备，所述母板连接座42用于连接所述连接公板5。

在一些优选的实施例中，所述多功能模块设备包括水质检测模块、双目摄像头模组、声呐模组、机械夹爪、自锁握力夹爪、大功率防水流明灯等。

在一些优选的实施例中，所述滑槽包括工形槽44，所述工形槽44位于所述母板连接座42内，所述工形槽44的一侧设置有呈开口状的接入端口441，所述接入端口441的横截面呈“工”字形，用于作为所述连接母板4与所述连接公板5相连接的装配入口，且增加滑块与滑槽相配合连接的稳固性。

在一些优选的实施例中，所述工形槽44背向所述母板底座41的一端设置有呈开口状的位移端口442，使得所述连接公板5的滑块滑动连接于所述工形槽44内时，可以通过所述母板连接座42的位移端口预留出对所述连接公板5进行锁止的空间。

在一些优选的实施例中，所述母板底座41设置数量为两个，两个的所述母板底座41连接于所述母板连接座42的同侧，且间隔排列，用于通过两个的所述母板底座41之间的间隙预留出所述连接公板5相对于所述机器人本体1的外壳的安装空间。

在一些优选的实施例中，所述连接母板4还包括支撑板43，所述支撑板43的设置数量为两个，两个的所述支撑板43分别连接于两个所述母板底座41的内侧，且所述母板底座41通过所述支撑板43与所述母板连接座42相连接，用于进一步增大所述母板底座41与所述母板连接座42之间的空间距离，满足各种情况下连接公板5的连接需求。

图7为本申请中连接公板5的结构示意图，如图7所示，所述滑块包括工形滑块51，所述工形滑块51位于所述连接公板5的下端，所述工形滑块51与所述工形槽44的槽内形状相匹配，用于实现适配性滑动连接。

在一些优选的实施例中，所述连接公板5还包括支撑连接柱52，所述支撑连接柱52与所述工形滑块51的顶面相连接，其中，所述工形滑块51的顶面为卡位在所述位移端口442处一端的水平面，所述支撑连接柱52用于连接多功能模块设备或机器人本体1的外壳。

在一些优选的实施例中，所述连接母板4的母板底座41与水下机器人的外壳形状相匹配，所述连接母板通过所述母板底座41连接于机器人本体1的外壳，所述连接公板5的支撑连接柱52与多功能模块设备的机械臂相适配，所述连接公板5通过所述支撑连接柱52连接于多功能模块设备，用于适配结构外形，增加连接的牢固性。

在一些优选的实施例中，所述支撑连接柱52用于与所述多功能模块设备相连接的一端设置有卡位连接槽53，所述卡位连接槽53设置数量为两个，两个的所述卡位连接槽53分别设置于所述支撑连接柱52的两侧，使得通过两个的所述卡位连接槽53，将所述支撑连接柱52卡位于所述多功能模块设备的机械臂内部，增加连接的可靠性、牢固性。

在一些优选的实施例中，所述连接公板5还包括支撑耳54，所述支撑耳54连接于所述支撑连接柱52的侧面，且沿所述工形滑块51的装配方向连接于所述工形滑块51的顶面，用于均衡所述支撑连接柱52与所述工形滑块51之间力，提高连接的稳定性。

进一步地，所述支撑耳54设置数量为两个，两个的所述支撑耳54分别设置于所述支撑连接柱52的两侧，其中，位于所述连接公板5的拆卸端的支撑耳54设置有缺口，所述缺口相对于所述工形滑块51的顶面形成锁止槽55，使得所述限位组件6可以横置于所述锁止槽55内，用于阻止所述连接公板5朝向所述工形槽44的接入端口441处位移，实现锁止作用。

需要补充的是，所述连接公板5的拆卸端是指：在所述连接公板5装配于所述工形槽44内的状态下，当需要将所述连接公板5从所述工形槽44内移出时，所述连接公板5朝向所述接入端口441滑动位移的一端。

图8为本申请中限位组件6的结构示意图，如图8所示，所述限位组件6包括机械盒61、旋钮62、锁止挡板63，所述锁止挡板63横向贯通于所述机械盒61内外部，所述旋钮62的驱动端沿竖直方向贯通于所述机械盒61内部，且与所述锁止挡板63的中部通过互相配合的齿轮齿条相连接，锁止时，旋转所述旋钮62，所述旋钮62的驱动端驱动所述锁止挡板63沿横向的贯通方向位移，当所述挡板63的一端伸出至所述锁止槽55内时，实现锁止功能。

在一些优选的实施例中，所述连接公板5与所述连接母板4还可以通过互相配合的U形滑块与U形槽可拆卸地连接，所述U形槽内、U形滑块均设置有用于锁止的连接通孔，所述连接通孔沿垂直于所述U形槽相对于所述U形滑的滑动位移方向设置，再通过螺纹销依次穿过连接通孔，以实现锁止所述连接公板5与所述连接母板4之间的相对位置，实现连接的稳定性。

例如，如图9所示，所述快拆式模块化拓展结构通过设置两处相互配合的U形滑块与滑槽形成卡位口45，其中一处设在所述机器人本体1的中部位置，用以拓展水质检测模块7，另一处设置在所述机器人本体1的前端，用以拓展双目摄像头8或声呐模块9。

在一些优选的实施例中，图10为本申请中水质检测模块的结构示意图，如图10所示，所述水质检测模块7包括水质检测外壳71，Ph计72和水质检测器73。Ph计72和水质检测器73固定在水质检测外壳71上，电路板固定于卡槽74内，Ph计72和水质检测器73收集到的数据会通过线路传输到电路板上。

在一些优选的实施例中，所述卡槽74内容置的电路板包括24V-3.3V电源模块、搭载Cortex-M3内核的单片机和CAN收发芯片的CAN通信板、水质检测模块的信号处理板。

在本申请的一些优选实施例中，将24V电源从防水接头接入到电源模块上，降压为3.3V后分别接到其他的电路板上。PH值传感器和浊度传感器通过自定的传输协议向信号处理板传输外界参数值，经过处理后，再由uart和iic协议传入can通信板中的单片机，单片机将数据格式统一化，由can口输出，送到防水接头上。防水接头另一侧接入到耐压舱12的舱内，由舱内电路板上的MCU负责统筹控制可拆卸模块的信息。

在一些优选的实施例中，所述柔性夹爪3通过所述快拆式模块化拓展结构与所述机器人本体1机械连接，用于实现柔性夹爪3与所述机器人本体1之间的快拆式安装，增加装配的便利性。

具体的，图11为本申请中柔性夹爪3的整体结构示意图、图12为本申请中柔性夹爪3的分解状态示意图，如图11、图12所示，所述柔性夹爪3包括夹爪体31、机械臂32、夹爪驱动组件33及夹爪定位壳34，所述机械臂32与所述夹爪定位壳34连接，所述夹爪定位壳34内容置有所述夹爪驱动组件33，所述夹爪驱动组件33的两端分别设置有两个独立控制的驱动端；

所述夹爪体31的设置数量为两个，两个的所述夹爪体31分别与所述夹爪驱动组件33的两个驱动端连接，且位于所述夹爪定位壳34的同一侧，使得所述柔性夹爪3夹取珊瑚时，即使珊瑚形状不规则，但位于不同夹取位置的所述夹爪体31能够根据珊瑚的形状进行适配性地独立抓取，减少在抓取过程中对珊瑚造成损伤。

在一些优选的实施例中，所述夹爪体31包括两个夹爪臂311及支撑部312，两个的所述夹爪臂311相配合形成具有夹持空间的刚性夹爪，两个的所述支撑部312分别连接于不同的所述夹爪臂311的内侧，且在所述夹持空间内相配合形成具有柔性的支撑部的柔性夹爪，在力的作用下，所述支撑部312发生趋向于所述夹爪臂311位移的形变，以适配珊瑚的形状，实现柔性夹取。

在一些优选的实施例中，所述支撑部312相对于所述夹爪臂311的一侧设置有形变空腔313，所述形变空腔313用于为所述支撑部312提供形变余量。

在一些优选的实施例中，所述支撑部312由柔性的橡胶材料制成，由于充分利用橡胶材料的良好弹性及良好的压缩变形能力。

在一些优选的实施例中，所述支撑部312中设置有压敏电阻，所述压敏电阻可以做到实时的力反馈，当机械爪抓住目标后再缓慢夹紧，两段式夹取使得夹取珊瑚时不会将其夹碎，保证珊瑚的完整性。

在一些优选的实施例中，关于机械爪的制作工艺，先制作机械爪的模具，然后将压敏电阻放在相应的地方，并用硅胶注塑，最后用铝箔胶带贴在注塑模具的内表面防止泄露。其电路板可以外置到机械爪体外部进行灌封处理。

在一些优选的实施例中，所述夹爪体31的一端呈闭合状，两个的所述夹爪臂311的闭合端通过互相配合的齿轮相啮合于所述夹爪驱动组件33的驱动端，在所述夹爪驱动组件33的驱动作用下，所述夹爪体31另一端的两个夹爪臂311以其闭合端为支点发生开合运动。

在一些优选的实施例中，所述夹爪驱动组件33包括驱动壳体331、驱动电机332，所述驱动电机332的设置数量为两个，两个的所述驱动电机332均容置于所述驱动壳体331内，且其驱动端呈背向设置，以形成两个独立的电机驱动端，用于分别独立地控制两个夹爪体31。

具体的，图13为本申请中夹爪驱动组件33的分解状态示意图，如图13所示，所述驱动壳体331包括电机容置舱3312、定位转轴3313，所述电机容置舱3312为上下贯通的通孔，沿所述电机容置舱3312的贯通方向，所述驱动壳体331的两端分别设置有定位转轴3313，两个的所述驱动电机332均容置于所述电机容置舱3312内，且位于同一端的所述驱动电机332的驱动端及所述定位转轴3313位于同一水平面内，位于同一端面的两个所述夹爪臂311的闭合端分别与所述花键3322、所述定位转轴3313相连接，用于通过所述驱动电机332向连接于所述定位转轴3313处的夹爪传递驱动力。

在一些优选的实施例中，所述驱动壳体331还包括电机走线孔3311，所述电机走线孔3311设置于所述驱动壳体331的侧面，且于所述电机容置舱3312相贯通，所述驱动电机332的电线通过所述电机走线孔3311引出，并连接于所述多功能转换模块14的连接插孔内，以实现电连接的控制信号的传输。

在一些优选的实施例中，所述驱动电机332包括电机体3321、花键3322，所述电机体3321用于向所述花键3322提供驱动力，所述花键3322为所述驱动电机332的驱动端。

在一些优选的实施例中，所述夹爪驱动组件33通过所述夹爪定位壳34与所述夹爪体31连接，所述夹爪定位壳34与所述机械臂32连接，以实现连接的稳固性，并通过所述夹爪定位壳对所述驱动电机332提供防水保护。

具体的，所述夹爪定位壳34包括第一定位壳体341、第二定位壳体342，所述第一定位壳体341、所述第二定位壳体342呈上下分体式可拆卸连接，所述第一定位壳体341、所述第二定位壳体342相配合形成内部具有容置腔、四周具有侧壁的壳体结构，用于容置所述夹爪驱动组件33，并对所述夹爪体31的连接位置进行定位。

在一些优选的实施例中，所述夹爪驱动组件33容置于所述夹爪定位壳34的容置腔内，且所述夹爪驱动组件33的两个驱动端分别与所述第一定位壳体341、第二定位壳体342连接，其中一个的所述夹爪体31的闭合端通过所述第二定位壳体342与所述夹爪驱动组件33的底部驱动端连接，另外一个的所述夹爪体31的闭合端通过所述第一定位壳体341与所述夹爪驱动组件33的顶部驱动端连接，用于将所述夹爪驱动组件33进行防水密封，有利于夹爪体31连接定位，使得两个的所述夹爪体31呈上下设置，且分别由所述夹爪驱动组件33的两个驱动端独立控制开合。

在一些优选的实施例中，所述第一定位壳体341包括第一定位孔3411、第二定位孔3412，所述夹爪驱动组件33顶部的定位转轴3313穿过所述第一定位孔3411与其中一个的所述夹爪臂311连接，所述花键3322穿过第二定位孔3412与另外一个的所述夹爪臂311连接，两个位于同一上端面的所述夹爪臂311通过齿轮相啮合的一端为第一闭合端，所述第一闭合端位于所述第一定位壳体341外部的顶面。

相应地，所述第二定位壳体342包括第三定位孔3421，所述夹爪驱动组件33底部的定位转轴3313与其中一个的所述夹爪臂311连接，并定位于所述第三定位孔3421内，所述花键3322与另外一个的所述夹爪臂311连接，两个位于同一下端面的所述夹爪臂311通过齿轮相啮合的一端为第二闭合端，所述第二闭合端位于所述第二定位壳体342内部的底面。

在一些优选的实施例中，所述第二定位壳体342还包括竖向定位板3422、横向定位板3423，所述竖向定位板3422位于所述第二定位壳体342容置腔的底部，并向外延伸，用于支撑所述夹爪体31不发生竖直方向的偏移；所述横向定位板3423位于所述竖向定位板3422所在侧的侧面，并沿竖直方向延伸，用于将所述夹爪体31的第二闭合端卡位于所述第二定位壳体342的容置腔内，不发生横向方向的偏移，实现定位。

在一些优选的实施例中，所述机械臂32的一端与所述第二定位壳体342的底部连接，另一端与所述连接公板5的卡位连接槽53连接，用于实现所述柔性夹爪3与水下机器人本体1的可拆卸连接。

在一些优选的实施例中，所述水下机器人本体1的外部连接三组所述推进器阵列2，每组的所述推进器阵列2包括两个推进器，沿所述机器人本体1的中轴线，每组的两个推进器呈对称设置于所述机器人本体1的两侧，使所述机器人本体1能够达到基本的中心对称，使所述机器人本体1在水中更容易达到平衡状态，从而提高珊瑚保育的效率。

在一些优选的实施例中，位于所述中轴线同侧的至少三个推进器与所述中轴线呈至少三个夹角值，以使推进器在至少三个推进方向上向所述水下机器人本体1提供推力。

相比较现有的八推进器，本实施例中的推进器阵列2既可以减少其占用的外部空间，又可以实现多种运动姿态，并能保证所述机器人本体1运动的稳定性、灵活性。

在一些优选的实施例中，所述推进器阵列2的走线布置于所述外壳体11与所述耐压舱12之间的间隙，并连接于所述多功能转换模块14，用于充分利用所述机器人本体1的内部空间，并使所述推进器阵列2的走线和换接操作更加便捷。

在一些优选的实施例中，所述水下机器人还包括浮漂15，所述浮漂15内部设置有控制模块，所述浮漂15与所述机器人本体1电连接，用于解决水下机器人在水下运动中存在的导航与控制不精准的问题。

具体的，图14为本申请中浮漂的整体结构示意图，如图14所示，所述浮漂15包括外壳150、内插板151、防水开关152、葛兰头153，所述外壳150为一侧呈开口状的槽体，所述内插板151通过螺栓可拆卸地连接于所述外壳150的开口侧，用于形成具有密封防水效果的腔室，腔室内放置模块单元。

在一些优选的实施例中，所述防水开关152设置数量为两个，所述防水开关152固定在所述内插板151上，用于控制浮漂内部模块的开关，所述防水开关152的大按键的设计可以更方便地进行操作。

在一些优选的实施例中，所述葛兰头153设置为两个，两个的所述葛兰头153均固定在所述内插板151上，用于线缆防水，相较于航空接头，葛兰头性价比更高，可以不用考虑电流的大小。

图15为本申请中浮漂内部结构图，如图15所示，所述浮漂15还包括置于其腔室内的惯导模组155、电力载波模块156、路由模块157，用于控制水下机器人的水下运动。

在一些优选的实施例中，所述浮漂15还包括密封圈154，所述密封圈154置于所述外壳150与所述内插板151相连接的凹槽内，使得所述内插板151与所述外壳150连接时，可以挤压密封圈154起到防水效果，相较于胶密封的方式，密封圈密封可以更好地应对波浪对内部的渗透。

在一些优选的实施例中，所述外壳150的开口侧设置有定位滑槽，所述内插板151与所述外壳150采用互相配合的滑块与滑槽相连接固定位置，用于方便连接定位，无需额外使用螺栓进行定位。

图16为内插板151的结构示意图，如图16所示，所述内插板151的内侧设置有内插板支架，锂电池158连接于所述内插板支架，用于为所述惯导模组155、电力载波模块156、路由模块157供电，与部分外部线缆供电的浮漂天线相比，浮漂采用内部供电的方式具有更强的复杂环境适应力。

在一些优选的实施例中，本申请还创造性的设置了多种的传感器来检测ROV在水下的各种信息，所述传感器包括读取船身信息的深度传感器和姿态传感器，以及用于检测舱内信息的温湿度传感器和气压传感器，还有用于测量水质的PH传感器和浊度传感器等。

基于上述传感器，我们实现了以下算法：

1)姿态修正算法

现有的六轴姿态传感器存在零点漂移，在长时间使用时yaw轴上会存在累计误差；而九轴传感器虽然避免了零漂，但是由于加上了磁力计，会受到磁场信号的干扰。然而我们使用的ROV本来就是需要在水下较长时间作业的机器人，且其中的各种电信号会不可避免的产生磁信号，因此无论是使用六轴传感器还是使用九轴传感器都存在着不可避免的误差。

为了解决这个问题，本申请在舱内放置了一个九轴姿态传感器JY901和一个六轴传感器BMI088，基于卡尔曼滤波的预测思想，本申请融合姿态修正算法，以时间为变量对两个传感器的置信度做调整，融合后得到更合理的姿态数据，在一定程度上能够消除一部分误差。

在一些优选的实施例中，将六轴传感器BMI088得到的角度值作为预测量，将九轴姿态传感器JY901传感器得到的角度值作为观测量，并计算卡尔曼增益，最终得到一个最佳的估计值。

由于六轴姿态传感器存在零点漂移，在长时间使用时yaw轴上会存在累计误差；而九轴传感器虽然避免了零漂，但是由于加上了磁力计，会受到磁场信号的干扰。然而我们使用的ROV本来就是需要在水下较长时间作业的机器人，且其中的各种电信号会不可避免的产生磁信号，因此无论是使用六轴传感器还是使用九轴传感器都存在着不可避免的误差。为了解决这个问题，我们在舱内放置了一个九轴姿态传感器JY901和一个高精度六轴传感器BMI088，基于卡尔曼滤波的思想，将六轴传感器BMI088输出的角速度和九轴姿态传感器JY901输出的角度数据作为输入，对两个传感器的数据进行处理，输出更合理的预测角度。具体流程详见图17。

2)深度修正

由于深度传感器不可能放置在所述机器人本体1的正中央位置，在船俯仰角变化的时候会造成深度传感器的位置出现偏差，如图18所示，这时就需要使用姿态传感器解算出来的俯仰角对传感器得到的值进行修正，保证测得的深度为自身中心的位置。

3)PH修正

因为要确保测量样品的正确pH值，必须确保样品测量和标准pH缓冲校准在同个温度，所以必须进行温度补偿和斜率补偿。为了补偿pH值，我们在水质传感器旁加上了一个温度传感器，对其进行补偿。

4)漏水检测算法

传统的漏水检测是通过一根漏水检测线来判断，通过设置阈值来判断船体是否漏水。但是这样的方法有一个很大的弊端：船体进水之后需要经过很长一段时间才能检测到，这段时间内漏进的水就可能已经对船造成了巨大的损伤。为了解决这一个问题，本申请重新设计了一种漏水检测方法。

在密封良好的情况下，封舱之后舱内的气体质量是一定的，由理想气体状态方程可知，舱内气压和温度的比值是一定的。当有水进入舱内时，舱内的气体压强是会有变化的。因此，我们可以在船还没有下水的时候先测量出这时船的气压和温度得到气压和温度的关系曲线，然后在下水后测量出实时的温度和气压并和计算得出的值做比较，若两个气压值的差值超过设置的阈值，则判定为进水。

但是有一种可能是船进水了但是气压没有变化(水漏进船里，船里的空气被挤压出来，两者对气压的影响相等，气压没有变化)这时就需要用到温湿度传感器来辅助判断，若湿度变大，则说明船体进水，这个阈值约在65％。

在一些优选的实施例中，本申请还设置了控制线程，如图19所示，所述控制线程大致分为以下几类，其中的具体部分可由多个线程合作实现。

a)传感器读取线程

所述传感器读取线程实现了各传感器模块的数据读取以及存储的功能，可以根据用户的需要自行添加或是删减相应的传感器。

b)数据发送线程

所述数据发送线程实现了下位机的数据上传功能。下位机将所有需要上传的信息按照固定的通信协议打包，然后将其通过MQTT发布(publish)到对应的主题(topic)，然后上位机订阅(subscribe)相应的主题来接受消息并解包，得到信息并处理，中间需要通过服务器来转发。所述数据发送线程也包括通过CAN向各模块发送消息，控制各种模块。

c)数据接收线程

所述数据接收线程实现了下位机的数据接收功能。流程基本同上，上位机将消息打包发送给下位机，下位机解包并处理。同时，所述数据接收线程也用于通过CAN接收各模块的信息并解包。

d)运动控制线程

所述运动控制线程实现了下位机的运动控制功能。下位机在收到上位机的消息后，将其中的运动控制相关的参数提取出来(如期望的角速度、推进器转速、模式切换等)，然后将值赋给相应的函数(如PID控制)，主控板将在所述运动控制线程中完成运动控制相关的指令。

以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于，包括：

机器人本体（1）、推进器阵列（2）及连接于所述机器人本体（1）底面的柔性夹爪（3），

所述机器人本体（1）呈外部封闭式的壳体结构，所述机器人本体（1）包括外壳体（11）和耐压舱（12），所述耐压舱（12）容置于所述外壳体（11）的内部；

所述柔性夹爪（3）包括夹爪体（31）、夹爪驱动组件（33），所述夹爪体（31）的设置数量为两个，两个的所述夹爪体（31）由所述夹爪驱动组件（33）的两个驱动端独立控制于同侧分别开合，且所述夹爪体（31）的夹持空间内具有柔性的支撑部；

所述夹爪体（31）包括两个夹爪臂（311）及支撑部（312），每个支撑部（312）设置为具有面向相对支撑部（312）的弧形凸起结构，支撑部（312）上排布有直纹；

所述水下机器人还包括快拆式模块化拓展结构，用于多功能模块设备与所述机器人本体（1）之间的通用性快拆式可拆卸连接，所述快拆式模块化拓展结构包括连接母板（4）、连接公板（5）、限位组件（6），所述连接公板（5）与所述连接母板（4）通过互相配合的滑块与滑槽可拆卸地连接，所述滑槽的一侧设置有位移端口（442），所述滑块沿所述位移端口（442）的长度方向滑动连接于所述滑槽内，所述限位组件（6）设置于所述滑槽的位移端口（442）的旁侧，且所述限位组件（6）的锁止端沿垂直于所述位移端口的长度方向伸缩运动，锁止状态时，所述限位组件（6）的锁止端卡位于所述连接公板（5）的锁止槽内；所述限位组件（6）包括机械盒（61）、旋钮（62）、锁止挡板（63），所述锁止挡板（63）横向贯通于所述机械盒（61）内外部，所述旋钮（62）的驱动端沿竖直方向贯通于所述机械盒（61）内部，且与所述锁止挡板（63）的中部通过互相配合的齿轮齿条相连接，锁止时，旋转所述旋钮（62），所述旋钮（62）的驱动端驱动所述锁止挡板（63）沿横向的贯通方向位移，当所述锁止挡板（63）的一端伸出至所述锁止槽（55）内时，实现锁止功能；

所述机器人本体（1）还包括多功能转换模块（14），所述多功能转换模块（14）连接于所述外壳体（11）的尾部，且与所述耐压舱（12）电连接，所述多功能转换模块（14）包括若干个连接插孔，所述连接插孔内设有连接插头，所述连接插头一端与所述耐压舱（12）连接，另一端用于连接外部电气结构，非使用状态时，所述连接插头与对接防水插头连接，用于实现防水密封；

所述水下机器人舱内还设有六轴传感器和九轴传感器，将六轴传感器测得的角度值作为预测量、九轴传感器测得的角度值为观测量输入，并基于卡尔曼滤波思想通过姿态修正算法得到水下机器人最佳预估角度值，所述姿态修正算法包括如下步骤：s1,进行先验估计计算；s2,预测协方差矩阵P；s3,建立测量方程；s4,计算卡尔曼增益K；s5,计算当前最优化估计值；s6, 后验估计计算，计算后一方面输出角度，另一方面作为下一次迭代的起始值进行步骤s1。

2.根据权利要求 1 所述的一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于：两个的所述夹爪臂（311）相配合形成具有夹持空间的刚性夹爪，两个的所述支撑部（312）分别连接于不同的所述夹爪臂（311）的内侧，且在所述夹持空间内相配合形成具有弹性的柔性夹爪，在力的作用下，所述支撑部（312）发生趋向于所述夹爪臂（311）位移的形变。

3.根据权利要求 2 所述的一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于：所述支撑部（312）相对于所述夹爪臂（311）的一侧设置有形变空腔（313），所述形变空腔（313）用于为所述支撑部（312）提供形变余量。

4.根据权利要求 2 所述的一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于：所述夹爪驱动组件（33）包括驱动壳体（331）、驱动电机（332），所述驱动电机（332）的设置数量为两个，两个的所述驱动电机（332）均容置于所述驱动壳体（331）内，且驱动端呈背向设置；所述夹爪体（31）的一端呈闭合状，两个的所述夹爪臂（311）的闭合端通过互相配合的齿轮相啮合于所述夹爪驱动组件（33）的驱动端。

5.根据权利要求 4所述的一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于： 所述驱动壳体（331）包括电机容置舱（3312）、定位转轴（3313），所述电机容置舱（3312）为上下贯通的通孔，沿所述电机容置舱（3312）的贯通方向，所述驱动壳体（331）的两端分别设置有定位转轴（3313），两个的所述驱动电机（332）均容置于所述电机容置舱（3312）内，且位于同一端的所述驱动电机（332）的驱动端及所述定位转轴（3313）位于同一水平面内。

6.根据权利要求 1 所述的一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于： 所述柔性夹爪（3）还包括机械臂（32）、夹爪定位壳（34），所述机械臂（32）与所述夹爪定位壳（34）连接，所述夹爪定位壳（34）内容置有所述夹爪驱动组件（33），所述夹爪驱动组件（33）通过所述夹爪定位壳（34）与所述夹爪体（31）连接。

7.根据权利要求 6所述的一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于： 所述夹爪定位壳（34）包括第一定位壳体（341）、第二定位壳体（342），所述第一定位壳体 （341）、所述第二定位壳体（342）呈上下分体式可拆卸连接，且所述夹爪驱动组件（33）的两个驱动端分别与所述第一定位壳体（341）、第二定位壳体（342）连接。

8.根据权利要求 1 所述的一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于：所述柔性夹爪（3）通过快拆式模块化拓展结构与所述机器人本体（1）可拆卸式机械连接，并通过多功能转换模块（14）与所述机器人本体（1）可拆卸式电气连接。

9.根据权利要求 1 所述的一种用于珊瑚保育的水下机器人，其特征在于： 所述推进器阵列（2）连接于所述机器人本体（1）的外部，所述推进器阵列（2）在至少三个推进方向上向所述机器人本体（1）提供推力；所述机器人本体（1）的外部连接三组所述推进器阵列（2），每组的所述推进器阵列（2）包括两个推进器，沿所述机器人本体（1）的中轴线，每组的两个推进器呈对称设置于所述机器人本体（1）的两侧。