基本信息
- 項目名稱：
- 多功能水下作業(yè)機器人
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本多功能水下作業(yè)機器人是一種廣泛用于各種水文信息采集、水工結構檢修、水文地質勘測，河道勘察，水產養(yǎng)殖等方面工作的通用工具，由履帶驅動裝置、沉浮裝置、視頻傳輸裝置、傳感器、推進螺旋槳、方向控制裝置、扭轉平衡螺旋槳、信號線、中央控制系統(tǒng)、數(shù)據輸出設備及水體監(jiān)測附屬裝置組成。 該機器人可以快速、高效的采集包括水深、水溫、水流速、河流含沙量等水文信息并對水文地質環(huán)境和水工建筑物實時監(jiān)測。
- 詳細介紹：
- 概 述 本發(fā)明涉及一種水下作業(yè)機器人，特別是一種能高效、快捷完成水中不同方位的各種水文數(shù)據采集、水工建筑水下結構安全隱患探測、水下地質勘測，河道勘察等工作的多功能水下作業(yè)機器人。它由履帶驅動裝置、沉浮裝置、視頻采集裝置、溫度傳感器、壓力傳感器、推進螺旋槳、方向控制裝置、扭轉平橫螺旋槳、信號線、中央控制系統(tǒng)、數(shù)據輸出設備及水體監(jiān)測附屬裝置組成，本發(fā)明是一種自動化的水文信息采集和水環(huán)境監(jiān)測及水利設施檢修機器人，該機器人可以在水上、水中、水下全方位快速、高效的完成水文數(shù)據采集、沿水工建筑側壁做垂直運動進行水下結構安全隱患探測、水文地質勘測，河道勘察等方面工作，以適應現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的要求。一、課題來源 目前，隨著科學技術的不斷發(fā)展，對水文信息水環(huán)境勘測不斷提出新要求，水文觀測和水環(huán)境勘測項目和內容不斷增加，對觀測手段和方法以及勘測技術的研發(fā)和應用提出了更高的要求;現(xiàn)代電子技術、傳感技術、通信技術和計算機技術的迅速發(fā)展，也促進了水文監(jiān)測技術和水環(huán)境勘測自動化的發(fā)展。 在水文監(jiān)測和水環(huán)境勘測系統(tǒng)中，常常需要對眾多的水位點進行實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數(shù)據需要實時發(fā)送到管理中心的后端服務器進行處理。由于監(jiān)測點分散，分布范圍廣，而且大多設置在環(huán)境較惡劣的地區(qū)，通過人為監(jiān)測很難完成，加之眾多水工建筑物的檢修因其特殊的水下環(huán)境，人為作業(yè)更是難以完成，世界各國已經在各種水文信息采集和水下工程中大量應用水下機器人，如水環(huán)境監(jiān)測、水樣采集、海洋石油的堪探與開采、援潛救生、海底沉船沉物打撈、海底資源堪查、水工結構物的檢查等領域。因此水文信息采集、水環(huán)境勘測以及水工結構的檢查等工作中使用機器人作業(yè)已成為重大發(fā)展趨勢。本科技開發(fā)小組立足于傳統(tǒng)水下作業(yè)機器人在細致分析其缺點和不足的基礎上大膽創(chuàng)新，研發(fā)出了本多功能水下作業(yè)機器人。 二、研究目的 為彌補現(xiàn)有水下作業(yè)機器人的相關不足和缺陷，設計一種高效、快捷進行水文數(shù)據采集、水工建筑水下結構安全隱患探測、水文地質勘測，河道勘察等方面工作的機器人，該機器人可以在水上、水中、水下全方位快速、高效的采集包括水深、水溫、水流速、河流含沙量等水文信息并對水文地質環(huán)境和沿水工建筑側壁做垂直運動進行水工建筑物實時監(jiān)測，以適應現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的要求。三、技術方案 本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案實施：本多功能水下作業(yè)機器人，它由履帶驅動裝置、沉浮裝置、視頻采集裝置、溫度傳感器、壓力傳感器、推進螺旋槳、方向控制裝置、扭轉平衡螺旋槳、信號線、中央控制系統(tǒng)、數(shù)據輸出設備及水體監(jiān)測附屬裝置組成，履帶驅動裝置安裝在整個機器人腹部，浮沉裝置安裝在履帶驅動裝置上部，沉浮裝置的上蓋可以打開以增加或減少用于抵消機器人自重的泡沫，視頻采集裝置通過三維機械臂安裝在機器人上部，溫度傳感器和壓力傳感器安裝在機器人背部，機器人中部安裝有推進螺旋槳，扭轉平衡螺旋槳安裝在機器人前部，信號連接機器人與中央控制系統(tǒng)，數(shù)據輸出設備由顯示器組成。 本發(fā)明的目的還可以通過下述技術方案實施：本多功能水下作業(yè)機器人所述的履帶驅動裝置為無縫合金履帶，后方通過兩個直流電機驅動，履帶由若干個定位滾輪定位；沉浮裝置為中空設計，內部設有配重，裝置上蓋可以打開，內部裝有用于抵消機器人自重的泡沫；的視頻采集裝置通過三維機械臂安裝在機器人上部；溫度傳感器和壓力傳感器分別固定在機器人的背部；推進螺旋槳安裝在機器人中部，螺旋槳葉片由直流電機控制正反轉，并通過無極調速器調節(jié)螺旋槳的轉速，扭轉平衡螺旋槳安裝在機器人前端；信號線連接在機器人機身和中央控制系統(tǒng)之間；中央控制系統(tǒng)由計算機，方向控制桿，機械臂控制桿，推進螺旋槳驅動開關，推進螺旋槳無極變速器，扭轉平衡螺旋槳驅動開關，扭轉平衡螺旋槳無極變速器，配重移動控制桿，信號線伸縮裝置，水體監(jiān)測附屬裝置控制器，照明燈電源開關組成；數(shù)據輸出設備由顯示器組成。四、突破與創(chuàng)新 1.突破 本發(fā)明突破了目前國內外水下作業(yè)機器人適用范圍狹窄，工作方式單一，造價高昂等局限，它可以在水上、水中、水下全方位快速、高效的采集包括水深、水溫、水流速、河流含沙量等水文信息并對水文地質環(huán)境和沿水工建筑側壁做垂直運動進行水工建筑物實時監(jiān)，實現(xiàn)了機器人功能的多元化，工作方式多樣化，造價低廉等目標。 2.創(chuàng)新 I.驅動方式上的創(chuàng)新：本多功能水下作業(yè)機器人采用履帶式水下行走方式。此方式使機器人執(zhí)行水工建筑水下結構安全隱患探測、水下地質勘測，水文數(shù)據采集，河道勘察等任務時，能夠更加平穩(wěn)高效的運行，且相比浮游機器人更易進行水下定位，不易受水中暗流干擾。 II.履帶設計上的創(chuàng)新：本多功能全方位水下作業(yè)；機器人的履帶為橡膠無縫鏈接設計，既增強了履帶的堅固程度延長了使用年限同時無縫設計也可以最大程度的減小機器人在水下泥沙中的下陷和泥沙淤塞問題。 III.沉浮方式上的創(chuàng)新：本多功能水下作業(yè)機器人采用全金屬結構加泡沫填充物配合沉浮螺旋槳既增加了該機器人整體的堅固性又因泡沫填充物的強浮力增加了本機器人在水下的靈活性。 IV.水中平衡問題上的創(chuàng)新：本多功能水下作業(yè)機器人的沉浮裝置內部設有自動控制的配重，通過改變配重的位置來改變機器人本身中心的位置，從而實現(xiàn)水中平衡。 V.水工結構檢修方面上的創(chuàng)新：本多功能水下作業(yè)機器人在檢修水工結構是需要沿建筑物側壁做垂直或傾斜面運動，沉浮裝置內部的加塞泡沫所產生的浮力可以抵消機器人本身的自重，安裝在機器人腹部的推進螺旋槳在機器人做垂直或傾斜運動時推進螺旋槳旋轉為機器人行走產生一個垂直于履帶接觸面的側壓力，安裝的機器人前部的扭轉平衡螺旋槳也隨之轉動，用以抵消推進螺旋槳旋轉式產生的扭轉力，從而使機器人在與運行方向垂直的方向上無作用力產生，保證了機器人的直線運行。 VI．勘測儀器方面的創(chuàng)新：本多功能水下作業(yè)機器人可以配置多種先進的水文測量、勘測、檢查等儀器，提高本機器人的適用范圍。 VII.視頻采集方面的創(chuàng)新：本多功能水下作業(yè)機器人的攝像頭采用三維旋機械臂控制，在攝像頭對稱位置配有高照度LED燈，提高水下可見度，以提高水下視頻采集效果。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的： 設計一種高效、快捷進行水文數(shù)據采集、水工建筑水下結構安全隱患探測、水文地質勘測，河道勘察等方面工作的機器人，該機器人可以在水上、水中、水下全方位快速、高效的采集包括水深、水溫、水流速、河流含沙量等水文信息并對水文地質環(huán)境和沿水工建筑側壁做垂直運動進行水工建筑物實時監(jiān)測，以適應現(xiàn)代科技不斷發(fā)展的要求?；舅悸罚?本機器人所述的履帶驅動裝置為無縫鏈接橡膠履帶，后方通過兩個直流電機驅動，履帶由若干個定位滾輪定位；沉浮裝置為中空設計，內部設有配重，裝置上蓋可以打開，內部裝有用于抵消機器人自重的泡沫；視頻傳輸裝置通過三維機械臂安裝在機器人上部；傳感器分別固定在機器人的背部；推進螺旋槳安裝在機器人中部的過水通道內，扭轉平衡螺旋槳安裝在與推薦螺旋槳軸線在同一條直線的機器人前端；信號線連接在機器人機身和中央控制系統(tǒng)之間；數(shù)據輸出設備由顯示器組成。創(chuàng)新點： 1.本機器人能夠拓展配置多種水下作業(yè)工具，提高了其適用范圍。 2.本機器人具備水下豎直爬坡功能。 3.本機器人的外形采用流線型設計減小了機器人在水下運動時的水流阻力。 4.本機器人的視頻采集裝置采用六關節(jié)三維旋轉機械臂支撐，并配有高照度照明系統(tǒng)，大大增加了視頻采集范圍和效果。 5.本機器人采用金屬結構加泡沫填充物配合沉浮螺旋槳既增加了其整體堅固性又因泡沫填充物的強浮力增加了水下靈活性。技術關鍵：三維信息采集，沿水工結構側壁垂直行走，水中自由沉浮等。
科學性、先進性
- 科學性：本發(fā)明突破了目前國內外水下作業(yè)機器人適用范圍狹窄，工作方式單一，造價高昂等局限，它可以高效、快捷進行水文數(shù)據采集、水工建筑水下結構安全隱患探測、水文地質勘測，河道勘察等方面工作，實現(xiàn)水上、水中、水下全方位快速、高效的采集包括水深、水溫、水流速、河流含沙量等水文信息并對水文地質環(huán)境和沿水工建筑側壁做垂直運動進行水工建筑物實時監(jiān)，實現(xiàn)了機器人功能的多元化，工作方式多樣化，造價低廉等目標。先進性：1.本機器人能夠拓展配置多種水下作業(yè)工具，提高了其適用范圍。 2.本機器人具備其他水下作業(yè)機器人不具備的水下豎直爬坡功能。 3.本機器人的外形采用流線型設計減小了機器人在水下運動時的水流阻力。 4.本機器人的視頻采集裝置采用六關節(jié)三維旋轉機械臂支撐，并配有高照度照明系統(tǒng)，大大增加了視頻采集范圍和效果。 5.本機器人采用金屬結構加泡沫填充物配合沉浮螺旋槳既增加了其整體堅固性又因泡沫填充物的強浮力增加了機器人在水下的靈活性。
獲獎情況及鑒定結果
- 該作品獲2010年秋季校級大學生科研立項資助； 該作品在2010年校級首屆水利創(chuàng)新大賽中榮獲一等獎； 該作品獲得“挑戰(zhàn)杯”2011學校大學大學生課外科技作品競賽科技發(fā)明類特等獎；該作品獲得“挑戰(zhàn)杯”2011省大學生課外學術科技作品競賽特等獎。
作品所處階段
- 正在進行專利申請。
技術轉讓方式
- 專利權轉讓
作品可展示的形式
- 1.機器人模型 2.機器人圖紙 3.機器人說明書 4.機器人模型演示錄像 5.機器人模型照片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 使用說明：詳見附加材料技術特點和優(yōu)勢： 1.運行靈活，控制方便，早點低廉 2.裝備按需拓展，擴大使用范圍 3.具備豎直爬坡功能 4.流線型設計，減小行進阻力 5.廣角度，高清晰視頻采集推廣前景： 該水下作業(yè)機器人以機器勞動代替人工勞動，能夠大大提高水提高水工建筑水下結構安全隱患探測、水下地質勘測，水文數(shù)據采集，河道勘察等工作效率和質量；該機器人集多種功能于一身，一機多用，廣泛應用于各種水利、水文方面的工作；采用先進的水文測量儀器，提高數(shù)據采集精度；采用高分辨率的水下攝像頭并高照度照明系統(tǒng)使復雜的水底環(huán)境清晰直觀的呈現(xiàn)在屏幕上，廣泛適用于水工結構檢修、水文勘測、水產養(yǎng)殖，水下探險打撈等水下作業(yè)該機器人具備以上優(yōu)點相信一定能夠得到廣泛推廣應用！
同類課題研究水平概述
- 1934年,美國研制出下潛934米的載人潛水器。1953年又研制出無人有纜遙控潛水器。其后的發(fā)展大致經歷了三個階段 。第一階段：從1953年至1974年為第一階段，主要進行潛水器的研制和早期的開發(fā)工作。先后研制出20多艘潛水器。其中美國的CURV系統(tǒng)在西班牙海成功地回收一枚氫彈，引起世界各國的重視。 第二階段：1975至1985年是遙控潛水器大發(fā)展時期。海洋石油和天然氣開發(fā)的需要，推動了潛水器理論和應用的研究，潛水器的數(shù)量和種類都有顯著地增長。載人潛水器和無人遙控潛水器（包括有纜遙控潛水器、水底爬行潛水器、拖航潛水器、無纜潛水器）在海洋調查、海洋石油開發(fā)、救撈等方面發(fā)揮了較大的作用。 第三階段：1985年，潛水器又進入一個新的發(fā)展時期。80年代以來,中國也開展了水下機器人的研究和開發(fā),研制出“海人”1號(HR-1)水下機器人,成功地進行水下實驗。盡管水下機器人到目前有了極大的發(fā)展但是應用于水文數(shù)據采集、水工建筑水下結構安全隱患探測、水下地質勘測，河道勘察等方面工作的機器人發(fā)展仍然比較遲緩，能夠綜合這些功能的多功能水下機器人更是少見，因此本小組致力于研制服務于水利事業(yè)的多功能水下作業(yè)機器人，并獲得了較大突破。
