一種仿生海底生物捕撈機器人制造技術

一種仿生海底生物捕撈機器人，包括捕撈機器人的本體，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，用于檢測捕撈機器人行走方向的數字羅盤，用于獲取捕撈機器人周邊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調海底行走、對捕撈對象的識別和空間定位、自主導航、控制捕撈動作以及與水面母船進行信息交互的智能體，與水面母船進行通信和能源設備提供設備連接的臍帶。本發明專利技術提供一種具有自然柔順性好、機構簡單、控制復雜度低、制造和維護成本低、捕撈過程高效率的仿生海底生物捕撈機器人。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于全景立體視覺技術、氣動伺服控制技術和水下機器人技術在海底生物資源探索和捕撈方面的應用，尤其適用于海參等海底棲生物的捕撈。
技術介紹
深海生物捕撈，即對深海生物進行捕撈，把生物從深海捕獲出水進行科學研究或者其他商業用途。目前通常采用一種拖網捕獲技術，它是一種利用船舶航行的拖拽式捕撈方式。底拖網是一種用于對深海底棲生物等小型生物進行捕獲技術。這種底拖網技術對生態系統造成了災難性傷害，珊瑚、海綿、魚類和其它動物都將因此受到捕殺。同時眾多海洋生物的棲息地一海山等水下生態系統也遭到了嚴重的破壞。這種捕撈方式對海洋生態系統造成了無法彌補的損失。由于拖網技術很難對生物進行有針對性的捕獲，往往造成不分青紅皂白的“濫殺無辜”，成功率低且浪費資源。近年來水下機器人越來越多地運用于人類對深海資源的探索。其中，對深海生物資源的探索也是極為重要的一環。深潛器最直觀的優點在于科學家可以遠程進行操控并且針對性高，也不會對深海環境造成破壞。但是目前水下機器人十分昂貴，應用于商業用途的海底生物捕撈仍然存在著很多問題。水下機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力，操縱或控制潛水器，采用水下電視、聲吶等專用設備進行觀察，并由機械手進行水下作業。在深海生物捕獲中，水下機器人使用機械手把捕獲的生物放入收集艙中帶上水面。其中水下電視系統是最具有發展潛力的一種觀察設備。如美國的伍茲霍爾(Woods Hole)海洋研究所開發了一臺名為“全球最棒的漂流者”的深潛水下機器人，它配備有高清晰度攝像頭，能在深達3000米的水下工作，科學家可遠距離操作，將水中抓獲的生物存放在機器人的收集艙中。但是，目前使用在水下機器人中的水下電視系統所獲取的圖像仍然是平面視覺信息，無法獲得被捕獲對象的深度信息；而且視覺范圍十分有限。這種水下機器人的制造成本極其昂貴。針對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”，在撞擊到海底時能快速閉合，將樣品全部“抓”到斗內。此外，研究人員還設計了箱式取樣器、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，這樣就能對沉積物逐層加以研究。這種捕撈方式作業效率低，制造成本高。自然界很多動物獲取食物的方式給我們設計帶來一些啟示，即仿生海底生物捕撈機器手設計，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，喉嚨部位的肌肉收縮，“閥門”關閉，水可以順利進入食道，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，作出靈巧地動作。在仿生海底生物捕撈機器手設計時，將捕撈機器手上的管道設計成如大象的鼻子，將捕撈過程模擬為象的鼻腔吸入捕撈對象的過程。有些海底生物在捕獲食物時采用嘴部的吸力來吞取被捕獲的對象，具有與大象的鼻子類似的功能。對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準被捕撈的海底生物，然后利用捕撈管道內的負壓發生裝置產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地滑落到水下機器人的收集艙，從而完成整個海底生物的捕撈過程；這種海底生物的捕撈動作是在瞬間完成，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，實現有針對性的高效捕獲。一種理想的仿生海底生物捕撈機器手設計采用人工肌肉實現的末端執行器具有柔順性、靈巧性，其中人工肌肉技術來模擬大象的鼻子是一種最佳的選擇設計方案。人工肌肉除了具有氣壓傳動技術所具有的低成本、清潔、安裝簡便等優點之外，還具有高功率/質量比、自然柔順性、與生物肌肉類似的力學特性等優點。早在1900年，“機構學之父” REULEAUX在關于生物機構學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專利技術了一種廉價可靠的管狀膜片驅動器；真正有關人工肌肉的應用研究從20世紀80年代開始；日本Bridgestone公司基于早期的McKibben型氣動肌肉重新設計推出了 Rubbertuator驅動器，并應用于多關節柔性臂Softarm，吸引了一些研究者的關注，從此人工肌肉進入了實際應用領域，其潛在價值逐漸被人們認識，應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器手的研究非常鮮見。一般來說，仿生海底生物捕撈機器人主要涉及三個
1)本體結構設計；2)水下機器人的自主導航；3)捕撈目標的定位識別與捕撈。本專利技術主要解決本體結構設計、捕撈目標的定位識別和捕撈末端執行器的設計。實現仿生海底生物捕撈機器人的關鍵技術是1)海底生物捕撈管道的設計，捕撈管道能通過控制通入管道內空腔的壓力來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，以實現捕撈管道對準捕撈對象的動作；2)在捕撈管道對準捕撈對象時能自動產生真空脈沖來吸入捕撈對象；3)基于機器視覺的捕撈對象的自動識別技術，在水下機器人行走過程中自動發現捕撈對象；4)基于3D全景立體視覺的捕撈對象的定位技術，在水下機器人發現捕撈對象后計算出捕撈對象與水下機器人的海底生物捕撈管道的中心點的空間位置，為捕撈管道對準捕撈對象提供空間位置信息。
技術實現思路
為了克服已有的海底生物捕撈裝置的自然柔順性差、機構復雜、控制復雜度高、制造和維護成本昂貴、難以實現高效的針對性的捕撈等不足，本專利技術提供一種具有自然柔順性好、機構簡單、控制復雜度低、制造和維護成本低、捕撈過程高效率的仿生海底生物捕撈機器人。本專利技術解決其技術問題所采用的技術方案是一種仿生海底生物捕撈機器人，包括捕撈機器人的本體，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，用于檢測捕撈機器人行走方向的數字羅盤，用于獲取捕撈機器人周邊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調海底行走、對捕撈對象的識別和空間定位、自主導航、控制捕撈動作以及與水面母船進行信息交互的智能體，以下簡稱Agent，與水面母船進行通信和能源設備提供設備連接的臍帶；所述的捕撈機器人本體，所述的捕撈機器人本體內部分隔成為三個空間，一個空間為收集艙，位于本體的底部，用于存放捕撈對象；一個空間為控制設備儀器儀表艙，位于本體的背部，控制設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備儀器儀表艙內與所述的智能體通信接口和備用電源進行連接；所述的雙目立體全景視覺傳感器，自帶有為捕撈機器人提供照明的環形LED光源，固定在所述的捕撈機器人本體的背部上，用于獲取仿生海底生物捕撈機器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，接入到控制設備儀器儀表艙內與所述的智能體的USB接口進行連接；所述的壓力傳感器，固定在所述的捕撈機器人本體的背部上，接入到控制設備儀器儀表艙內與所述的智能體的A/D接口進行連接，用于檢測所述的捕撈機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器人本體所處的深度；所述的數字羅盤，安置在控制設備儀器儀表艙內，與所述的智能體的I/O接本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種仿生海底生物捕撈機器人，其特征在于：包括捕撈機器人的本體，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，用于檢測捕撈機器人行走方向的數字羅盤，用于獲取捕撈機器人周邊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調海底行走、對捕撈對象的識別和空間定位、自主導航、控制捕撈動作以及與水面母船進行信息交互的智能體，與水面母船進行通信和能源設備提供設備連接的臍帶；所述的捕撈機器人的本體內部分隔成為三個空間，一個空間為收集艙，位于本體的底部，用于存放捕撈對象；一個空間為控制設備儀器儀表艙，位于本體的背部，控制設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備儀器儀表艙內與所述的智能體通信接口和備用電源進行連接；一個空間為浮力艙，位于收集艙和控制設備儀器儀表艙之間，主要用于控制所述的捕撈機器人行走時的穩定性以及升降；所述的雙目立體全景視覺傳感器，自帶有為捕撈機器人提供照明的環形LED光源，固定在所述的捕撈機器人本體的背部上，用于獲取仿生海底生物捕撈機器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，接入到控制設備儀器儀表艙內與所述的智能體的USB接口進行連接；所述的壓力傳感器固定在所述的捕撈機器人本體的背部上，接入到控制設備儀器儀表艙內與所述的智能體的A/D接口進行連接，用于檢測所述的捕撈機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器人本體所處的深度；所述的數字羅盤安置在控制設備儀器儀表艙內，與所述的智能體的I/O接口進行連接，用于檢測所述的捕撈機器人的行走方向，根據所述的捕撈機器人行走控制與行走方向得到所述的捕撈機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器人周圍的全景立體視頻圖像傳輸給母船、接受從母船發出的控制指令；所述的升降控制模塊，用于控制所述的捕撈機器人的浮力艙中的真空量，以實現 所述的捕撈機器人的升降；所述的自主導航模塊，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器人周圍的地域環境，完成路徑規劃和避障任務；所述的行走控制模塊，用于控制所述的捕撈機器人的四肢的協調動作，以實現所述的捕撈機器人在海底的行走；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象、捕撈對象大小以及所處的空間位置，為針對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自由度的動作，使得捕撈口對準捕撈對象；當捕撈口對準捕撈對象時控制脈沖式負壓發生模塊動作產生脈沖式負壓將捕撈對象吸入到捕撈管道中。...

【技術特征摘要】
1.一種仿生海底生物捕撈機器人，其特征在于包括捕撈機器人的本體，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，用于檢測捕撈機器人行走方向的數字羅盤，用于獲取捕撈機器人周邊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調海底行走、對捕撈對象的識別和空間定位、自主導航、控制捕撈動作以及與水面母船進行信息交互的智能體，與水面母船進行通信和能源設備提供設備連接的臍帶；所述的捕撈機器人的本體內部分隔成為三個空間，一個空間為收集艙，位于本體的底部，用于存放捕撈對象；一個空間為控制設備儀器儀表艙，位于本體的背部，控制設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備儀器儀表艙內與所述的智能體通信接口和備用電源進行連接；一個空間為浮力艙，位于收集艙和控制設備儀器儀表艙之間，主要用于控制所述的捕撈機器人行走時的穩定性以及升降；所述的雙目立體全景視覺傳感器，自帶有為捕撈機器人提供照明的環形LED光源，固定在所述的捕撈機器人本體的背部上，用于獲取仿生海底生物捕撈機器人周邊的全景立體視覺視頻圖像，接入到控制設備儀器儀表艙內與所述的智能體的USB接口進行連接；所述的壓力傳感器固定在所述的捕撈機器人本體的背部上，接入到控制設備儀器儀表艙內與所述的智能體的A/D接口進行連接，用于檢測所述的捕撈機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器人本體所處的深度；所述的數字羅盤安置在控制設備儀器儀表艙內，與所述的智能體的I/O接口進行連接，用于檢測所述的捕撈機器人的行走方向，根據所述的捕撈機器人行走控制與行走方向得到所述的捕撈機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器人周圍的全景立體視頻圖像傳輸給母船、接受從母船發出的控制指令；所述的升降控制模塊，用于控制所述的捕撈機器人的浮力艙中的真空量，以實現所述的捕撈機器人的升降；所述的自主導航模塊，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器人周圍的地域環境，完成路徑規劃和避障任務；所述的行走控制模塊，用于控制所述的捕撈機器人的四肢的協調動作，以實現所述的捕撈機器人在海底的行走；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象、捕撈對象大小以及所處的空間位置，為針對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自由度的動作，使得捕撈口對準捕撈對象；當捕撈口對準捕撈對象時控制脈沖式負壓發生模塊動作產生脈沖式負壓將捕撈對象吸入到捕撈管道中。2.如權利要求1所述的仿生海底生物捕撈機器人，其特征在于所述的四肢的一端固定在所述的捕撈機器人本體的收集艙兩側前后，類似于海龜的四肢，由人工肌肉制成；所述的四肢的外形呈管三自由度肌肉狀，管內分隔成三個互成120°的扇形柱狀空腔，通過分別控制三個空腔的水壓力來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，實現三個自由度的控制；在所述的捕撈機器人行走時，所述的四肢支撐著所述的捕撈機器人本體；在所述的捕撈機器人進行捕撈時，所述的四肢的前端對準捕撈對象實現對準捕撈對象吸入捕撈；在所述的四肢中設置有捕撈管道，以下簡稱基于人工肌肉的捕撈管道，當所述的四肢的前端對準捕撈對象時所述的捕撈管道中產生脈沖式負壓，將捕撈對象吸入到所述的捕撈管道中，然后隨著所述的捕撈管道進入到所述的捕撈艙內。3.如權利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機器人，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口，四個口的閥門開與關均由四個收集艙電磁閥控制，收集艙電磁閥處于開的狀態時所述的捕撈管道與所述的收集艙是相通的；在所述的捕撈機器人行走時或者升降時，收集艙電磁閥處于關閉狀態，這樣能保證捕撈對象不會倒流到海中，同時也實現了對捕撈對象的保壓；只有當所述的四肢的前端對準捕撈對象時，收集艙電磁閥處于開啟狀態；所述的收集艙固定在所述的捕撈機器人本體的底部，所述的捕撈機器人本體的底部與本體是可分離的；當所述的捕撈機器人完成捕撈作業后浮到海面上并收回到母船時，作業人員將所述的捕撈機器人本體的底部從本體上卸下，用內空的收集艙更換盛滿了捕撈對象的收集艙，重新將所述的捕撈機器人本體的底部連接到本體上，然后將所述的捕撈機器人放入海中繼續進行捕撈。4.如權利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機器人，其特征在于所述的浮力艙上開有兩個口，一個口用浮力艙電磁閥控制其開和閉，當浮力艙電磁閥處于開的狀態時浮力艙與外界相通，當浮力艙電磁閥處于閉的狀態時所述的浮力艙與外界隔絕；另一個口與水泵輸入口連接，水泵工作時將所述的浮力艙的海水抽出，在浮力艙中形成一定的真空，使得捕撈機器人上浮；因此當要控制捕撈機器人的下降時，控制浮力艙電磁閥打開讓海水進入所述的浮力艙；當要控制捕撈機器人的上升時，控制浮力艙電磁閥關閉然后使水泵工作讓所述的浮力艙中的海水抽出，使得捕撈機器人具有向上的浮力。5.如權利要求1或2所述的仿生海底生物捕撈機器人，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，管內分隔成三個互成120°的扇形柱狀空腔；通過分別控制三個空腔的壓力來實現沿中心軸Z方向的伸縮及任意一個方向的彎曲，實現三個自由度的控制；在所述的基于人工肌肉的捕撈管道的內外管壁的橡膠基體中，夾有芳香族聚酰胺增強纖維，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設計為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...

【專利技術屬性】
技術研發人員：湯一平，俞立，孫明軒，倪洪杰，余世明，
申請(專利權)人：浙江工業大學，
類型：發明
國別省市：