專利名稱：一種仿生海底生物捕撈機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于全景立體視覺技術(shù)、氣動(dòng)伺服控制技術(shù)和水下機(jī)器人技術(shù)在海底生物資源探索和捕撈方面的應(yīng)用，尤其適用于海參等海底棲生物的捕撈。
背景技術(shù)：
深海生物捕撈，即對(duì)深海生物進(jìn)行捕撈，把生物從深海捕獲出水進(jìn)行科學(xué)研究或者其他商業(yè)用途。目前通常采用一種拖網(wǎng)捕獲技術(shù)，它是一種利用船舶航行的拖拽式捕撈方式。底拖網(wǎng)是一種用于對(duì)深海底棲生物等小型生物進(jìn)行捕獲技術(shù)。這種底拖網(wǎng)技術(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了災(zāi)難性傷害，珊瑚、海綿、魚類和其它動(dòng)物都將因此受到捕殺。同時(shí)眾多海洋生物的棲息地一海山等水下生態(tài)系統(tǒng)也遭到了嚴(yán)重的破壞。這種捕撈方式對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成了無法彌補(bǔ)的損失。由于拖網(wǎng)技術(shù)很難對(duì)生物進(jìn)行有針對(duì)性的捕獲，往往造成不分青紅皂白的“濫殺無辜”，成功率低且浪費(fèi)資源。近年來水下機(jī)器人越來越多地運(yùn)用于人類對(duì)深海資源的探索。其中，對(duì)深海生物資源的探索也是極為重要的一環(huán)。深潛器最直觀的優(yōu)點(diǎn)在于科學(xué)家可以遠(yuǎn)程進(jìn)行操控并且針對(duì)性高，也不會(huì)對(duì)深海環(huán)境造成破壞。但是目前水下機(jī)器人十分昂貴，應(yīng)用于商業(yè)用途的海底生物捕撈仍然存在著很多問題。水下機(jī)器人又稱無人遙控潛水器，其工作方式是由水面母船上的工作人員通過連接潛水器的臍帶提供動(dòng)力，操縱或控制潛水器，采用水下電視、聲吶等專用設(shè)備進(jìn)行觀察，并由機(jī)械手進(jìn)行水下作業(yè)。在深海生物捕獲中，水下機(jī)器人使用機(jī)械手把捕獲的生物放入收集艙中帶上水面。其中水下電視系統(tǒng)是最具有發(fā)展?jié)摿Φ囊环N觀察設(shè)備。如美國的伍茲霍爾(Woods Hole)海洋研究所開發(fā)了一臺(tái)名為“全球最棒的漂流者”的深潛水下機(jī)器人，它配備有高清晰度攝像頭，能在深達(dá)3000米的水下工作，科學(xué)家可遠(yuǎn)距離操作，將水中抓獲的生物存放在機(jī)器人的收集艙中。但是，目前使用在水下機(jī)器人中的水下電視系統(tǒng)所獲取的圖像仍然是平面視覺信息，無法獲得被捕獲對(duì)象的深度信息；而且視覺范圍十分有限。這種水下機(jī)器人的制造成本極其昂貴。針對(duì)一些小型深海生物捕撈，研究人員研制了一種像雙瓣貝殼的“大洋抓斗”，在撞擊到海底時(shí)能快速閉合，將樣品全部“抓”到斗內(nèi)。此外，研究人員還設(shè)計(jì)了箱式取樣器、重力取樣器和活塞取樣器等，將它們垂直下放到海底，利用特殊裝置迅速將樣品完好地取上來，這樣就能對(duì)沉積物逐層加以研究。這種捕撈方式作業(yè)效率低，制造成本高。自然界很多動(dòng)物獲取食物的方式給我們?cè)O(shè)計(jì)帶來一些啟示，即仿生海底生物捕撈機(jī)器手設(shè)計(jì)，如大象的鼻子能輕而易舉地把樹上的果子摘下，能將地面上的草連根拔起，能吸取水池中的水，象的鼻腔后面食道上方，有一塊特殊的軟骨，起“閥門”一樣的作用。象吸水時(shí)，喉嚨部位的肌肉收縮，“閥門”關(guān)閉，水可以順利進(jìn)入食道，大象的鼻子像人手一樣靈活。研究表明，大象鼻子是近4萬塊富有彈性的小肌肉組成，它能極靈活地伸縮自如，作出靈巧地動(dòng)作。在仿生海底生物捕撈機(jī)器手設(shè)計(jì)時(shí)，將捕撈機(jī)器手上的管道設(shè)計(jì)成如大象的鼻子，將捕撈過程模擬為象的鼻腔吸入捕撈對(duì)象的過程。有些海底生物在捕獲食物時(shí)采用嘴部的吸力來吞取被捕獲的對(duì)象，具有與大象的鼻子類似的功能。對(duì)于海底生物捕撈過程，首先控制猶如大象鼻子的捕撈管道對(duì)準(zhǔn)被捕撈的海底生物，然后利用捕撈管道內(nèi)的負(fù)壓發(fā)生裝置產(chǎn)生真空脈沖來吸入被捕撈的海底生物，最后吸入的被捕撈的海底生物通過管道自動(dòng)地滑落到水下機(jī)器人的收集艙，從而完成整個(gè)海底生物的捕撈過程；這種海底生物的捕撈動(dòng)作是在瞬間完成，能有效提高捕撈速度；由于采用了真空脈沖式的吸入海底生物，能有效減少捕撈過程中的能耗，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的高效捕獲。一種理想的仿生海底生物捕撈機(jī)器手設(shè)計(jì)采用人工肌肉實(shí)現(xiàn)的末端執(zhí)行器具有柔順性、靈巧性，其中人工肌肉技術(shù)來模擬大象的鼻子是一種最佳的選擇設(shè)計(jì)方案。人工肌肉除了具有氣壓傳動(dòng)技術(shù)所具有的低成本、清潔、安裝簡便等優(yōu)點(diǎn)之外，還具有高功率/質(zhì)量比、自然柔順性、與生物肌肉類似的力學(xué)特性等優(yōu)點(diǎn)。早在1900年，“機(jī)構(gòu)學(xué)之父” REULEAUX在關(guān)于生物機(jī)構(gòu)學(xué)的研究中就提到了采用橡膠管模擬生物肌肉的原理。1913年，WILKINS發(fā)明了一種廉價(jià)可靠的管狀膜片驅(qū)動(dòng)器；真正有關(guān)人工肌肉的應(yīng)用研究從20世紀(jì)80年代開始；日本Bridgestone公司基于早期的McKibben型氣動(dòng)肌肉重新設(shè)計(jì)推出了 Rubbertuator驅(qū)動(dòng)器，并應(yīng)用于多關(guān)節(jié)柔性臂Softarm，吸引了一些研究者的關(guān)注，從此人工肌肉進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，其潛在價(jià)值逐漸被人們認(rèn)識(shí)，應(yīng)用研究工作也蓬勃興起。目前人工肌肉的主要研究還僅僅局限于柔性臂、柔性手和柔性腿等方面，類似于大象鼻子的具有捕撈功能的仿生海底生物捕撈機(jī)器手的研究非常鮮見。一般來說，仿生海底生物捕撈機(jī)器人主要涉及三個(gè)技術(shù)領(lǐng)域1)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；2)水下機(jī)器人的自主導(dǎo)航；3)捕撈目標(biāo)的定位識(shí)別與捕撈。本發(fā)明主要解決本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、捕撈目標(biāo)的定位識(shí)別和捕撈末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)仿生海底生物捕撈機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是1)海底生物捕撈管道的設(shè)計(jì)，捕撈管道能通過控制通入管道內(nèi)空腔的壓力來實(shí)現(xiàn)沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個(gè)方向的彎曲，以實(shí)現(xiàn)捕撈管道對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象的動(dòng)作；2)在捕撈管道對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象時(shí)能自動(dòng)產(chǎn)生真空脈沖來吸入捕撈對(duì)象；3)基于機(jī)器視覺的捕撈對(duì)象的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，在水下機(jī)器人行走過程中自動(dòng)發(fā)現(xiàn)捕撈對(duì)象；4)基于3D全景立體視覺的捕撈對(duì)象的定位技術(shù)，在水下機(jī)器人發(fā)現(xiàn)捕撈對(duì)象后計(jì)算出捕撈對(duì)象與水下機(jī)器人的海底生物捕撈管道的中心點(diǎn)的空間位置，為捕撈管道對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象提供空間位置信息。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服已有的海底生物捕撈裝置的自然柔順性差、機(jī)構(gòu)復(fù)雜、控制復(fù)雜度高、制造和維護(hù)成本昂貴、難以實(shí)現(xiàn)高效的針對(duì)性的捕撈等不足，本發(fā)明提供一種具有自然柔順性好、機(jī)構(gòu)簡單、控制復(fù)雜度低、制造和維護(hù)成本低、捕撈過程高效率的仿生海底生物捕撈機(jī)器人。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種仿生海底生物捕撈機(jī)器人，包括捕撈機(jī)器人的本體，基于人工肌肉的具有海底行走和捕撈海底生物兩種功能的四肢，用于感知水深的壓力傳感器，用于檢測(cè)捕撈機(jī)器人行走方向的數(shù)字羅盤，用于獲取捕撈機(jī)器人周邊360°的全景立體視覺視頻圖像的雙目立體全景視覺傳感器和用于控制四肢協(xié)調(diào)海底行走、對(duì)捕撈對(duì)象的識(shí)別和空間定位、自主導(dǎo)航、控制捕撈動(dòng)作以及與水面母船進(jìn)行信息交互的智能體，以下簡稱Agent，與水面母船進(jìn)行通信和能源設(shè)備提供設(shè)備連接的臍帶；所述的捕撈機(jī)器人本體，所述的捕撈機(jī)器人本體內(nèi)部分隔成為三個(gè)空間，一個(gè)空間為收集艙，位于本體的底部，用于存放捕撈對(duì)象；一個(gè)空間為控制設(shè)備儀器儀表艙，位于本體的背部，控制設(shè)備儀器儀表艙中安裝著所述的智能體、其他控制儀器儀表以及備用電源，所述的臍帶接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體通信接口和備用電源進(jìn)行連接；所述的雙目立體全景視覺傳感器，自帶有為捕撈機(jī)器人提供照明的環(huán)形LED光源，固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的背部上，用于獲取仿生海底生物捕撈機(jī)器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體的USB接口進(jìn)行連接；所述的壓力傳感器，固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的背部上，接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體的A/D接口進(jìn)行連接，用于檢測(cè)所述的捕撈機(jī)器人本體所受到的海水壓力，從而從壓力值推算出所述的捕撈機(jī)器人本體所處的深度；所述的數(shù)字羅盤，安置在控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)，與所述的智能體的I/O接口進(jìn)行連接，用于檢測(cè)所述的捕撈機(jī)器人的行走方向，根據(jù)所述的捕撈機(jī)器人行走控制與行走方向得到所述的捕撈機(jī)器人在海底行走的軌跡；一個(gè)空間為浮力艙，位于收集艙和控制設(shè)備儀器儀表艙之間，主要用于控制所述的捕撈機(jī)器人行走時(shí)的穩(wěn)定性以及升降；所述的浮力艙上開有兩個(gè)口，一個(gè)口用電磁閥控制其開和閉，當(dāng)開的狀態(tài)時(shí)浮力艙與外界相通，當(dāng)閉的狀態(tài)時(shí)浮力艙與外界隔絕；另一個(gè)口與水泵輸入口連接，水泵工作時(shí)將浮力艙的海水抽出，在浮力艙中形成一定的真空，使得捕撈機(jī)器人上??；因此當(dāng)要控制捕撈機(jī)器人的下降時(shí)，控制電磁閥開讓海水進(jìn)入所述的浮力艙；當(dāng)要控制捕撈機(jī)器人的上升時(shí)，控制電磁閥關(guān)閉然后使水泵工作讓所述的浮力艙中的海水抽出，使得捕撈機(jī)器人具有向上的浮力；所述的四肢的一端固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的收集艙兩側(cè)前后，非常類似于海龜?shù)乃闹?，由人工肌肉制成；所述的四肢的外形呈管三自由度肌肉狀，管?nèi)分隔成三個(gè)互成120°的扇形柱狀空腔，通過分別控制三個(gè)空腔的水壓力來實(shí)現(xiàn)沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個(gè)方向的彎曲，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的控制；在所述的捕撈機(jī)器人行走時(shí)，所述的四肢支撐著所述的捕撈機(jī)器人本體，如附圖4所示；在所述的捕撈機(jī)器人進(jìn)行捕撈時(shí)，所述的四肢的前端對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象吸入捕撈；在所述的四肢中設(shè)置有捕撈管道，以下簡稱基于人工肌肉的捕撈管道，當(dāng)所述的四肢的前端對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象時(shí)所述的捕撈管道中產(chǎn)生脈沖式負(fù)壓，將捕撈對(duì)象吸入到所述的捕撈管道中，然后隨著所述的捕撈管道進(jìn)入到所述的捕撈艙內(nèi)，如附圖5所示；因此，所述的四肢有兩個(gè)功能，一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)捕撈機(jī)器人在海底的行走，另一個(gè)功能是實(shí)現(xiàn)捕撈對(duì)象吸入捕撈；為了從功能方面進(jìn)行區(qū)分，本發(fā)明將用于行走功能的定義為基于人工肌肉的四肢，將用于捕撈功能的定義為基于人工肌肉的捕撈管道；所述的收集艙在安裝所述的四肢的部位配置有四個(gè)口，四個(gè)口的開關(guān)均由四個(gè)收集艙電磁閥控制，收集艙電磁閥處于開的狀態(tài)時(shí)所述的捕撈管道與所述的收集艙是相通的；在所述的捕撈機(jī)器人行走時(shí)或者升降時(shí)，收集艙電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣能保證捕撈對(duì)象不會(huì)倒流到海中，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)捕撈對(duì)象的保壓；只有當(dāng)所述的四肢的前端對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象時(shí)，收集艙電磁閥處于開啟狀態(tài)；所述的收集艙固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的底部，所述的捕撈機(jī)器人本體的底部與本體是可分離的；當(dāng)所述的捕撈機(jī)器人完成捕撈作業(yè)后浮到海面上并收回到母船時(shí)，作業(yè)人員將所述的捕撈機(jī)器人本體的底部從本體上卸下，用空的收集艙更換盛滿了捕撈對(duì)象的收集艙，重新將所述的捕撈機(jī)器人本體的底部連接到本體上，然后將所述的捕撈機(jī)器人放入海中繼續(xù)進(jìn)行捕撈；由于盛滿了捕撈對(duì)象的收集艙的電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，所以收集艙仍然處于保壓狀態(tài)，收集艙的捕撈對(duì)象保持著海底生存時(shí)的壓力，有利于提聞所捕獲生物的存活率；所述的臍帶主要由單模光纖線和電芯線構(gòu)成，采用單模光纖線主要是為了滿足傳輸3000米左右的信息需要；電芯線和單模光纜線均為單內(nèi)涂層；這些線的外面模壓或填充柔軟而耐用的模壓樹脂或纖維，所述的臍帶的外表面履蓋耐磨材料層；把鍍錫銅線用作電芯線；把聚乙烯或聚丙烯用作電芯線的內(nèi)涂層的材料；把凱夫拉纖維或碳樹脂用作模壓樹月旨，把聚乙烯或聚丙烯用作耐磨外涂層的材料；把特氛隆用作單模光纖線的內(nèi)涂層的材料；單模光纖線為水面母船與智能體之間提供信息交互的通道，電芯線為所述的捕撈機(jī)器人提供電源；控制四肢的三個(gè)自由度動(dòng)作裝置的包括用于通入所述的四肢中捕撈管道內(nèi)空腔的壓力發(fā)生器，用于對(duì)通入各捕撈管道內(nèi)空腔的壓力進(jìn)行控制的壓力比例控制閥，用于對(duì)通入各捕撈管道內(nèi)空腔的壓力進(jìn)行檢測(cè)的壓力傳感器，用于對(duì)各壓力比例控制閥進(jìn)行協(xié)調(diào)控制的壓力比例控制器，用于吸入捕撈對(duì)象的脈沖式負(fù)壓發(fā)生模塊，用于控制執(zhí)行捕撈動(dòng)作的捕撈控制模塊，用于控制行走動(dòng)作的行走控制模塊；所述的行走控制模塊，從屬于Agent，用以控制所述的基于人工肌肉的四肢完成三個(gè)自由度的協(xié)調(diào)動(dòng)作，使得所述的捕撈機(jī)器人實(shí)現(xiàn)向前、向后、向左和向右的移動(dòng)；所述的捕撈控制模塊，從屬于Agent，用以控制所述的基于人工肌肉的捕撈管道的三個(gè)自由度的動(dòng)作，使得捕撈口對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象；當(dāng)捕撈口對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象時(shí)控制所述的脈沖式負(fù)壓發(fā)生模塊動(dòng)作產(chǎn)生脈沖式負(fù)壓將捕撈對(duì)象吸入到捕撈管道中；所述的Agent還包括全景立體圖像獲取單元、自主導(dǎo)航模塊和智能視頻分析模塊、與母船信息交互模塊，任務(wù)規(guī)劃行為模塊；所述的全景立體圖像獲取單元，用于獲取初始化信息和全景立體視頻圖像；所述的自主導(dǎo)航模塊，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，解析仿生海底生物捕撈機(jī)器人周圍的地域環(huán)境，完成路徑規(guī)劃和避障任務(wù)；所述的智能視頻分析模塊，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，從全景立體視覺視頻圖像中解析出捕撈對(duì)象、捕撈對(duì)象大小以及所處的空間位置，為針對(duì)性的捕撈提供捕撈口的空間位置信息；所述的與母船信息交互模塊，用于將所述的捕撈機(jī)器人周圍的全景立體視頻圖像傳輸給母船、接受從母船發(fā)出的控制指令；包括以下交互行為1)請(qǐng)求干預(yù)的交互行為，當(dāng)捕撈機(jī)器人發(fā)生緊急事件、捕撈機(jī)器人的收集艙已滿等情況時(shí)，請(qǐng)求捕撈管理人員干預(yù)；2)接受捕撈調(diào)度指令的交互行為，當(dāng)捕撈管理人員下達(dá)捕撈任務(wù)后，將捕撈任務(wù)轉(zhuǎn)達(dá)給所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊，在所述的任務(wù)規(guī)劃行為模塊做出遍歷路徑規(guī)劃后，將遍歷路徑規(guī)劃反饋給母船上的管理人員；3)協(xié)商的交互行為，根據(jù)所述的Agent根據(jù)自身感知的情況，通過對(duì)自身知識(shí)的推理，能向母船上的管理人員提供適當(dāng)?shù)膸椭徒ㄗh；4)提供捕撈現(xiàn)場(chǎng)信息的交互行為，負(fù)責(zé)響應(yīng)來自捕撈管理人員的上傳信息指令，將所述的Agent所感知到的全景視頻信息、捕撈機(jī)器人的行走方向和深度信息和分析得到的狀態(tài)信息上傳給捕撈管理人員；進(jìn)一步，所述的基于人工肌肉的捕撈管道，所述捕撈管道的外形呈管三自由度肌肉狀，管內(nèi)分隔成三個(gè)互成120°的扇形柱狀空腔，如附

圖1所示；通過分別控制三個(gè)空腔的壓力來實(shí)現(xiàn)沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個(gè)方向的彎曲，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的控制；在所述的基于人工肌肉的捕撈管道的內(nèi)外管壁的橡膠基體中，夾有芳香族聚酰胺增強(qiáng)纖維，纖維走向與肌肉的軸向有一夾角α，考慮到所述的基于人工肌肉的捕撈管道的柔軟性，將夾角α設(shè)計(jì)為70° 10° ;這樣由于纖維單方向增強(qiáng)效果的影響，沿垂直于纖維方向的變形比沿纖維方向變形容易得多；將所述的基于人工肌肉的捕撈管道分成若干個(gè)部件，包括管道終端、管道終端密封體、管道本體、管道連接密封體、管道連接法蘭和通液管；其組裝過程是首先，將所述的管道終端密封體插入所述的管道本體的一端，接著將所述的管道終端蓋住所述的管道終端密封體并用自攻螺釘將所述的管道終端密封體和所述的管道本體的一端固定在一起；將所述的管道連接密封體插入所述的管道本體的另一端，接著將所述的管道連接法蘭的三個(gè)孔對(duì)準(zhǔn)所述的管道連接密封體的三個(gè)孔并蓋住，然后將所述的管道連接密封體和所述的管道本體的另一端固定連接在一起，最后將三根通液管分別插入所述的管道連接法蘭的三個(gè)孔中；組裝后的所述的基于人工肌肉的捕撈管道中的捕撈通道是上下連通的；捕撈通道與捕撈艙連通；所述的基于人工肌肉的捕撈管道中的三個(gè)空腔只與三根通液管分別對(duì)應(yīng)連通，空腔與外界保持密封狀態(tài)；通過所述的管道連接法蘭與所述的捕撈機(jī)器人的本體連接；所述的基于人工肌肉的捕撈管道終端的入口成喇叭型，如附圖6所示；所述的基于人工肌肉的捕撈管道的捕撈通道根據(jù)不同的捕撈對(duì)象大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮能有效支撐捕撈通道中的最小口徑略大于捕撈對(duì)象的最大直徑，最小口徑
計(jì)計(jì) 算方法用公式(I)表示，
權(quán)利要求
1.一種仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于包括捕撈機(jī)器人的本體，基于人工肌肉的具有海底行走和捕撈海底生物兩種功能的四肢，用于感知水深的壓力傳感器，用于檢測(cè)捕撈機(jī)器人行走方向的數(shù)字羅盤，用于獲取捕撈機(jī)器人周邊360°的全景立體視覺視頻圖像的雙目立體全景視覺傳感器和用于控制四肢協(xié)調(diào)海底行走、對(duì)捕撈對(duì)象的識(shí)別和空間定位、自主導(dǎo)航、控制捕撈動(dòng)作以及與水面母船進(jìn)行信息交互的智能體，與水面母船進(jìn)行通信和能源設(shè)備提供設(shè)備連接的臍帶；所述的捕撈機(jī)器人的本體內(nèi)部分隔成為三個(gè)空間，一個(gè)空間為收集艙，位于本體的底部，用于存放捕撈對(duì)象；一個(gè)空間為控制設(shè)備儀器儀表艙，位于本體的背部，控制設(shè)備儀器儀表艙中安裝著所述的智能體、其他控制儀器儀表以及備用電源，所述的臍帶接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體通信接口和備用電源進(jìn)行連接；一個(gè)空間為浮力艙，位于收集艙和控制設(shè)備儀器儀表艙之間，主要用于控制所述的捕撈機(jī)器人行走時(shí)的穩(wěn)定性以及升降；所述的雙目立體全景視覺傳感器，自帶有為捕撈機(jī)器人提供照明的環(huán)形LED光源，固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的背部上，用于獲取仿生海底生物捕撈機(jī)器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體的USB接口進(jìn)行連接；所述的壓力傳感器固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的背部上，接入到控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)與所述的智能體的A/D接口進(jìn)行連接，用于檢測(cè)所述的捕撈機(jī)器人本體所受到的海水壓力，從而從壓力值推算出所述的捕撈機(jī)器人本體所處的深度；所述的數(shù)字羅盤安置在控制設(shè)備儀器儀表艙內(nèi)，與所述的智能體的I/O接口進(jìn)行連接，用于檢測(cè)所述的捕撈機(jī)器人的行走方向，根據(jù)所述的捕撈機(jī)器人行走控制與行走方向得到所述的捕撈機(jī)器人在海底行走的軌跡；所述的智能體包括全景立體圖像獲取單元、與母船信息交互模塊、升降控制模塊、自主導(dǎo)航模塊、行走控制模塊、智能視頻分析模塊和捕撈控制模塊；其中，所述的全景立體圖像獲取單元，用于獲取初始化信息和全景立體視頻圖像；所述的與母船信息交互模塊，用于將所述的捕撈機(jī)器人周圍的全景立體視頻圖像傳輸給母船、接受從母船發(fā)出的控制指令；所述的升降控制模塊，用于控制所述的捕撈機(jī)器人的浮力艙中的真空量，以實(shí)現(xiàn)所述的捕撈機(jī)器人的升降；所述的自主導(dǎo)航模塊，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，解析仿生海底生物捕撈機(jī)器人周圍的地域環(huán)境，完成路徑規(guī)劃和避障任務(wù)；所述的行走控制模塊，用于控制所述的捕撈機(jī)器人的四肢的協(xié)調(diào)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)所述的捕撈機(jī)器人在海底的行走；所述的智能視頻分析模塊，用于從所述的雙目立體全景視覺傳感器獲取的全景立體視覺視頻圖像，從全景立體視覺視頻圖像中解析出捕撈對(duì)象、捕撈對(duì)象大小以及所處的空間位置，為針對(duì)性的捕撈提供捕撈口的空間位置信息；所述的捕撈控制模塊，用以控制所述的基于人工肌肉的捕撈管道的三個(gè)自由度的動(dòng)作，使得捕撈口對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象；當(dāng)捕撈口對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象時(shí)控制脈沖式負(fù)壓發(fā)生模塊動(dòng)作產(chǎn)生脈沖式負(fù)壓將捕撈對(duì)象吸入到捕撈管道中。
2.如權(quán)利要求1所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的四肢的一端固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的收集艙兩側(cè)前后，類似于海龜?shù)乃闹?，由人工肌肉制成；所述的四肢的外形呈管三自由度肌肉狀，管?nèi)分隔成三個(gè)互成120°的扇形柱狀空腔，通過分別控制三個(gè)空腔的水壓力來實(shí)現(xiàn)沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個(gè)方向的彎曲，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的控制；在所述的捕撈機(jī)器人行走時(shí)，所述的四肢支撐著所述的捕撈機(jī)器人本體；在所述的捕撈機(jī)器人進(jìn)行捕撈時(shí)，所述的四肢的前端對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象吸入捕撈；在所述的四肢中設(shè)置有捕撈管道，以下簡稱基于人工肌肉的捕撈管道，當(dāng)所述的四肢的前端對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象時(shí)所述的捕撈管道中產(chǎn)生脈沖式負(fù)壓，將捕撈對(duì)象吸入到所述的捕撈管道中，然后隨著所述的捕撈管道進(jìn)入到所述的捕撈艙內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的收集艙在安裝所述的四肢的部位配置有四個(gè)口，四個(gè)口的閥門開與關(guān)均由四個(gè)收集艙電磁閥控制，收集艙電磁閥處于開的狀態(tài)時(shí)所述的捕撈管道與所述的收集艙是相通的；在所述的捕撈機(jī)器人行走時(shí)或者升降時(shí)，收集艙電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣能保證捕撈對(duì)象不會(huì)倒流到海中，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)捕撈對(duì)象的保壓；只有當(dāng)所述的四肢的前端對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象時(shí)，收集艙電磁閥處于開啟狀態(tài)；所述的收集艙固定在所述的捕撈機(jī)器人本體的底部，所述的捕撈機(jī)器人本體的底部與本體是可分離的；當(dāng)所述的捕撈機(jī)器人完成捕撈作業(yè)后浮到海面上并收回到母船時(shí)，作業(yè)人員將所述的捕撈機(jī)器人本體的底部從本體上卸下，用內(nèi)空的收集艙更換盛滿了捕撈對(duì)象的收集艙，重新將所述的捕撈機(jī)器人本體的底部連接到本體上，然后將所述的捕撈機(jī)器人放入海中繼續(xù)進(jìn)行捕撈。
4.如權(quán)利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的浮力艙上開有兩個(gè)口，一個(gè)口用浮力艙電磁閥控制其開和閉，當(dāng)浮力艙電磁閥處于開的狀態(tài)時(shí)浮力艙與外界相通，當(dāng)浮力艙電磁閥處于閉的狀態(tài)時(shí)所述的浮力艙與外界隔絕；另一個(gè)口與水泵輸入口連接，水泵工作時(shí)將所述的浮力艙的海水抽出，在浮力艙中形成一定的真空，使得捕撈機(jī)器人上??；因此當(dāng)要控制捕撈機(jī)器人的下降時(shí)，控制浮力艙電磁閥打開讓海水進(jìn)入所述的浮力艙；當(dāng)要控制捕撈機(jī)器人的上升時(shí)，控制浮力艙電磁閥關(guān)閉然后使水泵工作讓所述的浮力艙中的海水抽出，使得捕撈機(jī)器人具有向上的浮力。
5.如權(quán)利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的基于人工肌肉的捕撈管道的外形呈管三自由度肌肉狀，管內(nèi)分隔成三個(gè)互成120°的扇形柱狀空腔；通過分別控制三個(gè)空腔的壓力來實(shí)現(xiàn)沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個(gè)方向的彎曲，實(shí)現(xiàn)三個(gè)自由度的控制；在所述的基于人工肌肉的捕撈管道的內(nèi)外管壁的橡膠基體中，夾有芳香族聚酰胺增強(qiáng)纖維，纖維走向與肌肉的軸向有一夾角α，考慮到所述的基于人工肌肉的捕撈管道的柔軟性，將夾角α設(shè)計(jì)為70° 10° ；將所述的基于人工肌肉的捕撈管道分成管道終端、管道終端密封體、管道本體、管道連接密封體、管道連接法蘭和通液管；其組裝過程是首先，將所述的管道終端密封體插入所述的管道本體的一端，接著將所述的管道終端蓋住所述的管道終端密封體并用自攻螺釘將所述的管道終端密封體和所述的管道本體的一端固定在一起；將所述的管道連接密封體插入所述的管道本體的另一端，接著將所述的管道連接法蘭的三個(gè)孔對(duì)準(zhǔn)所述的管道連接密封體的三個(gè)孔并蓋住，然后將所述的管道連接密封體和所述的管道本體的另一端固定連接在一起，最后將三根通液管分別插入所述的管道連接法蘭的三個(gè)孔中；組裝后的所述的基于人工肌肉的捕撈管道中的捕撈通道是上下連通的；捕撈通道與捕撈艙連通；所述的基于人工肌肉的捕撈管道中的三個(gè)空腔只與三根通液管分別對(duì)應(yīng)連通，空腔與外界保持密封狀態(tài)；通過所述的管道連接法蘭與所述的捕撈機(jī)器人的本體連接；所述的基于人工肌肉的捕撈管道終端的入口成喇叭型；所述的基于人工肌肉的捕撈管道的捕撈通道根據(jù)不同的捕撈對(duì)象大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，并考慮能有效支撐捕撈通道中的最小口徑略大于捕撈對(duì)象的最大直徑，最小口徑Φ_η設(shè)計(jì)計(jì)算方法用公式(I)表示，·40mm> Φ rmin- Φ omax ≥ 20mm (I)式中，
6.如權(quán)利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的四肢和所述的基于人工肌肉的捕撈管道，沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個(gè)方向的彎曲控制采用液壓比例壓力控制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)；高壓水源通過三個(gè)比例壓力閥分別與所述的基于人工肌肉的捕撈管道的三個(gè)空腔連接，用三個(gè)壓力傳感器檢測(cè)所述的基于人工肌肉的捕撈管道的三個(gè)空腔內(nèi)的液體壓力，壓力傳感器通過A/D轉(zhuǎn)換器與計(jì)算和控制設(shè)備相連，計(jì)算和控制設(shè)備通過D/A和功率放大器與比例壓力閥相連；當(dāng)計(jì)算得到某一空腔的控制壓力后，計(jì)算和控制設(shè)備通過D/A輸出一個(gè)電壓量控制比例壓力閥的開口大小，以調(diào)節(jié)空腔內(nèi)的液體壓力，同時(shí)壓力傳感器檢測(cè)該空腔內(nèi)的液體壓力，如果空腔內(nèi)的液體壓力恒定在期望控制壓力范圍內(nèi)時(shí)控制比例壓力閥關(guān)閉以保持空腔內(nèi)的液體壓力在期望值內(nèi)；因此，所述的基于人工肌肉的捕撈管道的控制將分解為三個(gè)空腔內(nèi)液體壓力的比例控制。
7.如權(quán)利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的脈沖式負(fù)壓發(fā)生模塊，用于發(fā)出一種脈沖式真空液流實(shí)現(xiàn)對(duì)捕撈對(duì)象的負(fù)壓吸取捕撈，然后通過所述的基于人工肌肉的捕撈管道吸入捕撈對(duì)象，并順著捕撈管道將捕撈對(duì)象收集到捕撈對(duì)象收集艙中，其作用類似于機(jī)器手的手指，與機(jī)器手配合完成整個(gè)捕撈動(dòng)作；所述的脈沖式負(fù)壓發(fā)生模塊包括二位三通閥、高壓水源和噴嘴，所述的高壓水源通過管道經(jīng)所述的二位三通閥與所述的噴嘴進(jìn)行連接，所述的噴嘴方向朝著捕撈對(duì)象收集艙，當(dāng)所述的二位三通閥通電時(shí)所述的高壓水源為所述的噴嘴提供高壓液體，根據(jù)引射原理，這時(shí)在捕撈管道中形成真空負(fù)壓；通過控制所述的二位三通液壓閥的開與關(guān)，在捕撈管道中產(chǎn)生一種脈沖式真空負(fù)壓。
8.如權(quán)利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的捕撈控制模塊，需要將所述的雙目立體全景視覺傳感器及智能視頻分析模塊識(shí)別和定位后的捕撈對(duì)象的空間位置與所述的捕撈控制模塊控制的捕撈口對(duì)準(zhǔn)捕撈對(duì)象空間位置之間建立映射關(guān)系；這里將所述的雙目立體全景視覺傳感器中的下面一個(gè)全景視覺傳感器的視點(diǎn)作為視覺坐標(biāo)系的原點(diǎn)，并建立\、乙和Zv構(gòu)成的三維全景視覺坐標(biāo)系；將所述的基于人工肌肉的捕撈管道與捕撈機(jī)器人的行走部分固定處的中心作為捕撈機(jī)械手的坐標(biāo)原點(diǎn)，并建立Xa、Ya和Za構(gòu)成的三維機(jī)械手運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系；由于雙目立體全景視覺傳感器和基于人工肌肉的捕撈管道均固定在捕撈機(jī)器人的行走部分的上面，因此，用公式(2)建立三維全景視覺坐標(biāo)系和三維捕撈機(jī)械手運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的幾何關(guān)系；式中，Xa、Ya和Za分別表示三維捕撈機(jī)械手運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，\、Yv和Zv分別表示三維全景視覺坐標(biāo)系，X、y和Z分別表示兩個(gè)坐標(biāo)系原點(diǎn)之間在三維坐標(biāo)上的投影距離。
9.如權(quán)利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的捕撈控制模塊，采用分別控制所述的基于人工肌肉的捕撈管道中的三個(gè)空腔的壓力(P1, P2，P3)來實(shí)現(xiàn)沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個(gè)方向的彎曲；對(duì)于每一組控制壓力值(Pl，P2, P3)在所述的基于人工肌肉的捕撈管道的捕撈端都會(huì)有相應(yīng)的空間位置坐標(biāo)值(xa，ya，za);因此，通過實(shí)驗(yàn)方法來建立所述的基于人工肌肉的捕撈管道中的三個(gè)空腔的壓力值(Pl，p2，P3)與所述的基于人工肌肉的捕撈管道的捕撈端的空間位置坐標(biāo)值(xa，ya，za)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將這個(gè)過程稱為標(biāo)定過程；通過標(biāo)定建立這樣的映射關(guān)系后，對(duì)于某一個(gè)希望的所述的基于人工肌肉的捕撈管道的捕撈端的空間位置坐標(biāo)值(xa，ya, za)就能方便地計(jì)算得到所需要的一組所述的基于人工肌肉的捕撈管道的三個(gè)空腔的控制壓力值(Pl，p2，P3);由于用實(shí)驗(yàn)方法建立的映射關(guān)系是離散的，而空間位置坐標(biāo)值(xa，ya，za)和空腔的控制壓力值(Pl，p2，P3)是連續(xù)的變量，因此在計(jì)算所需要的一組控制壓力值(Pl，p2，P3)時(shí)需要采用插值的方式，這里將所述的基于人工肌肉的捕撈管道的捕撈端的空間位置劃分為若干個(gè)空間網(wǎng)格，如果某一個(gè)希望的所述的基于人工肌肉的捕撈管道的前端的空間位置坐標(biāo)值并不處在某個(gè)空間網(wǎng)格的中心，那么就需要對(duì)該空間位置坐標(biāo)值所處的空間網(wǎng)格以及三個(gè)相鄰的空間網(wǎng)格進(jìn)行插值運(yùn)算，得到三個(gè)空腔的準(zhǔn)確控制壓力值；或者采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)空間位置坐標(biāo)值(xa, ya, Za)和空腔的控制壓力值(PpPhP3)的映射關(guān)系。
10.如權(quán)利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人，其特征在于所述的臍帶主要由單模光纖線和電芯線構(gòu)成，所述的臍帶的一端連著母船，另一端連著所述的仿生海底生物捕撈機(jī)器人；電芯線和單模光纜線均為單內(nèi)涂層；這些線的外面模壓或填充柔軟而耐用的模壓樹脂或纖維，所述的臍帶的外表面履蓋耐磨材料層；把鍍錫銅線用作電芯線；把聚乙烯或聚丙烯用作電芯線的內(nèi)涂層的材料；把凱夫拉纖維或碳樹脂用作模壓樹脂，把聚乙烯或聚丙烯用作耐磨外涂層的材料；把特氛隆用作單模光纖線的內(nèi)涂層的材料；單模光纖線為水面母船與智能體之間提供信息交互的通道，電芯線為所述的捕撈機(jī)器人提供電源。
全文摘要
一種仿生海底生物捕撈機(jī)器人，包括捕撈機(jī)器人的本體，基于人工肌肉的具有海底行走和捕撈海底生物兩種功能的四肢，用于感知水深的壓力傳感器，用于檢測(cè)捕撈機(jī)器人行走方向的數(shù)字羅盤，用于獲取捕撈機(jī)器人周邊360°的全景立體視覺視頻圖像的雙目立體全景視覺傳感器和用于控制四肢協(xié)調(diào)海底行走、對(duì)捕撈對(duì)象的識(shí)別和空間定位、自主導(dǎo)航、控制捕撈動(dòng)作以及與水面母船進(jìn)行信息交互的智能體，與水面母船進(jìn)行通信和能源設(shè)備提供設(shè)備連接的臍帶。本發(fā)明提供一種具有自然柔順性好、機(jī)構(gòu)簡單、控制復(fù)雜度低、制造和維護(hù)成本低、捕撈過程高效率的仿生海底生物捕撈機(jī)器人。
文檔編號(hào)B63C11/00GK103029818SQ20121055336
公開日2013年4月10日 申請(qǐng)日期2012年12月18日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月18日
發(fā)明者湯一平, 俞立, 孫明軒, 倪洪杰, 余世明 申請(qǐng)人:浙江工業(yè)大學(xué)