CN108942886A - 一种水下机器人柔性抓取装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种水下机器人柔性抓取装置，包括圆柱形钢管、设置在圆柱形钢管一端的限位柱和螺孔、与圆柱形钢管另一端连接的导轨外壳、控制单元、传动结构和执行机构；抓手内置弹簧，使得在抓取中，抓手可以自动适应目标物的外形轮廓，可以抓取任意形状、材质的目标；通过主动改变抓手支架间的距离，被动调节弹簧压缩量，实现柔性抓取；结合电流检测及限位开关，便于实现对抓手初始位置的确定；通过控制步进电机的转速和转角来控制抓手运动速度和运动距离，计算蜗杆传动和丝杠的传动比得出电机转角和机械臂行程的对应关系，可以实现对抓手的位置精确控制；结构简单，操作方便，维护性好，且对搭载平台没有特定要求。

Description

一种水下机器人柔性抓取装置及其方法

技术领域

本发明涉及一种水下机器人抓取装置及其方法，尤其涉及一种水下机器人柔性抓取装置及其方法，属于机械工程领域。

背景技术

水下潜器和水下机器人的水下作业经常涉及采样、移动目标和固定等工作。由于水下环境复杂多变、压力较大、光线不足、视野受限、通讯不便等因素，水下许多作业并不适合人工操作，通过机器人进行作业已经成为了十分经济合理的方式。然而对水下目标的收集和抓取作业时较为复杂的一项工作。由于水下无规律的海流、视野不清晰、目标材料的软硬程度等特性和复杂的外形轮廓给水下目标的采集带来了诸多困难。

传统的水下机械手模仿人手的外形，设计制造复杂，对制造和执行机构精度有着很高的要求，在进行抓取作业时，操作不灵活，需要精确的观测以确定目标的精确位置和外形、质地等特性，选择合适的抓取位置和角度后，才能依靠液压设备驱动机械臂进行抓取。当目标物表面过于光滑或形状复杂的时，操作难度较大但不牢固，导致抓取的成功率往往不高，而目标的硬度和刚度不足时，还可能由于控制力的不合适而对目标造成损伤。

因此本次发明设计了一种新型的自适应采集设备。该设备使用简单、方便，只需获取目标物的大致范围，便可进行抓取，其独特的自适应目标外形的抓说使得抓取的成功率高、不易滑脱，且可方便地根据抓取物体的种类选择相应的力度。

发明内容

本发明的目的是为了在水下以可调节的力度抓取外形不规则的物体而提供一种水下机器人柔性抓取装置及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种水下机器人柔性抓取装置，包括圆柱形钢管、设置在圆柱形钢管一端的限位柱和螺孔、与圆柱形钢管另一端连接的导轨外壳、控制单元、传动结构和执行机构；

所述控制单元包括设置在圆柱形钢管内的进步电机、与进步电机依次相连的驱动器、控制器和上位机、设置在导轨外壳上的水下摄像机、对称设置在导轨两端的限位开关，所述限位开关连接控制器，所述进步还与电流监测电路连通；

所述传动结构包括蜗轮蜗杆结构和丝杠结构；所述蜗杆与进步电机的输出轴连接，蜗轮蜗杆相啮合，所述涡轮固定在丝杠的中点，丝杠两端嵌入到导轨外壳中，所述传动结构设置在导体外壳内；

所述执行机构包括设置在丝杠两端的机械臂、所述机械臂与抓手丛支架连接，所述抓手丛支架内嵌抓手；所述机械臂内设丝杠螺母，所述丝杠螺母与丝杠相配合。

本发明还包括这样一些特征：

1.所述抓手由抓手外壳和内置弹簧组成，所述抓手外壳为空心圆柱体且表面设置有镂空矩形槽，抓手外壳的顶端设置有防滑部；

2.所述抓手有两种不同的直径且呈阵列排布；

3.所述抓手丛支架由支架单元组成，所述支架单元为十字形框架；

一种水下机器人柔性抓取方法，包括如下步骤：

(1)水下机器人柔性抓取装置潜入水下，靠近目标物体，通过水下摄像机将目标物体移

入两个抓手丛的中间区域；

(2)确定目标进入采集范围后上位机下发操纵指令，进行设备初始化；

(3)控制器将上位机指令解析，向驱动器发送信号；

(4)驱动器发出电脉冲信号，驱动步进电机反转，通过蜗轮蜗杆结构和丝杠结构带动机

械臂在导轨上向外运动；

(5)机械臂触发导轨端部的限位开关，限位开关触发信号发送至控制器，电流监测检测

到运动受阻导致的电流增大，反馈给控制器，控制器上传至上位机；

(6)上位机结合电流检测、限位开关判定机械臂已运动至轨道两端时，完成初始化，下

发采集指令；

(7)控制器根据指令向驱动器传输控制信号，驱动器根据控制信号向步进电机发射电脉

冲，通过脉冲数量、频率控制步进电机的转角、速度；

(8)机械臂向内移动，两个抓手丛逐渐靠近目标物体，在接触目标物体后抓手被挤压，

抓手上的防滑部将与目标物体表面精准贴合，将目标物包裹起来，电流检测电路监测到

电流增大，结合视频信号判断已经夹紧目标，采集工作完成；

(9)采集成功后，松开抓手，驱动机械臂向外运动，触发限位开关，检测到电流增大，

结合摄像头捕捉的画面，即可判断抓手已完全松开

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、抓手内置弹簧，使得在抓取中，抓手可以自动适应目标物的外形轮廓，可以抓取任意形状、材质的目标；

2、通过主动改变抓手支架间的距离，被动调节弹簧压缩量，实现柔性抓取；

3、结合电流检测及限位开关，便于实现对抓手初始位置的确定；

4、通过控制步进电机的转速和转角来控制抓手运动速度和运动距离，计算蜗杆传动和丝杠的传动比得出电机转角和机械臂行程的对应关系，可以实现对抓手的位置精确控制；

5、结构简单，操作方便，维护性好，且对搭载平台没有特定要求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是采集设备驱动机构示意图；

图3是抓手丛结构示意图；

图4是采集设备与载体平台连接处结构示意图；

图5是抓手单元结构分解示意图；

图6是支架上抓手分布示意图；

图7是采集设备操控信号图；

图8是反馈信号处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的是提供一种自适应目标外形的柔性抓取装置，并提供实现方式，用以在水下以可调节的力度抓取外形不规则的物体。

根据以上目的，本发明采用如下技术方案：该装置由外壳、控制单元、步进电机、传动结构和执行机构组成。

其中所述外壳结构包括限位柱5、螺孔6、圆柱形钢管4、导轨外壳1，限位柱5和螺孔6固连在圆柱形钢管5上，使设备有效对接载体并固连，导轨外壳1与圆柱形钢管5另一端相连。

其中所述控制单元中包括上位机、控制器、驱动器、电流检测电路、水下摄像机3、限位开关7组成，其中上位机、控制器、驱动器电流检测电路内置于载体的耐压舱内。其中上位机连接控制器，控制器连接驱动器，驱动器连接步进电机12，电流反馈连接控制器，水下摄像机3安装于导轨2上方，信号输入上位机。两个限位开关各安装于滑道两侧的尽头，连接控制器。

其中所述步进电机12沿轴向安装于圆柱钢管5内，与驱动器和电流监测电路连通。

其中传动结构包括蜗轮蜗杆传动结构和丝杠结构。其中蜗杆直接连接步进电机输出轴，并与蜗轮啮合，其中蜗轮14固连在丝杠11中点，丝杠11两端嵌入安装于导轨外壳1中。

其中所述执行机构包括安装在滑道内的机械臂8、抓手支架9及嵌入抓手支架的抓手丛10，其中机械臂8中内置丝杠螺母，一端被固定在滑道上，另一端固连着抓手支架9，丝杠螺母套在丝杠11上；其中所述抓手支架外轮廓为平板状，支架的每个小单元均为十字形框架结构，组合成网状结构；其中所述抓手丛由两种不同直径的抓手组成，呈阵列状嵌入抓手支架中。抓手单元由外壳和内置弹簧17组成，抓手外壳16为空心圆柱体，顶端为防滑部15覆盖有粗糙的橡胶材料防滑，抓手外壳16表面等距镂空出四个矩形槽，供抓手在支架上滑动。内置弹簧17压缩后置入外壳内部，紧压十字支架，抓手单元排列形成通水孔19。

本发明是这样实现的：

(1)水下载具搭载本装置潜入水下，靠近目标物体，将目标物体收入摄像机3视野内后，通过移动载体，将目标移入抓取结构的两个抓手丛10的中间区域。

(2)确定目标进入采集范围后上位机下发操纵指令，进行设备初始化。

(3)控制器将上位机指令解析，向驱动器发送信号。

(4)驱动器发出电脉冲信号，驱动步进电机12反转，通过蜗杆传动13和丝杠结构11带动机械臂8向外运动。

(5)机械臂8触发轨道尽头的限位开关7，限位开关7触发信号发送至控制器。电流监测检测到运动受阻导致的电流增大，反馈给控制器，控制器上传至上位机。

(6)上位机结合电流检测、限位开关7判定机械臂8已运动至轨道两端时，完成初始化。下发采集指令。

(7)控制器根据指令向驱动器传输控制信号，驱动器根据控制信号向步进电机发射电脉冲，通过脉冲数量、频率控制步进电机12的转角、速度。

(8)机械臂8内移动，两个抓丛10逐渐靠近目标物体，在接触目标物体后，抓手10被挤压后头部将与目标物体表面精准贴合，将目标物包裹起来，电流检测电路监测到电流增大，结合视频信号判断已经夹紧目标，采集工作完成。

(9)采集成功后，松开抓手时，驱动机械臂8向外运动，触发限位开关7，检测到电流增大，结合摄像头3捕捉的画面，即可判断抓手已完全松开。

为使设备与载体可靠固连，将限位柱体5插入载体平台预设的凹槽，然后用螺钉穿过螺孔6进行紧固。如图4所示。

为了实现对目标的柔性抓取，两种不同直径的抓手呈阵列排布在支架上，如图3、图6，设备进行抓取作业时，嵌入支架的抓手10丛靠近目标，接触目标后，抓手内的弹簧开始被压缩，尚未接触目标的抓手则保持原状继续运动，当足够多的抓手与目标接触并压紧，由于抓手被动改变位置的特性，抓手头部与目标紧密贴合，目标便被限制在了抓手丛中。

为了进行初始化和确定机械臂8的位置，设置两个限位开关固定在滑道两侧，当机械臂8触到限位开关7时，开关立刻给控制器发送电信号，上位机即可获知，限位开关被触发。电流监测用来监测电机电流变化情况，通过分析电机工作时电流数据，设置定值I₁,I₁大于电机正常工作电流，当检测到电流持续增大超过I₁时，可判断机械臂8运动受阻。限位开关信号标记为信号1，电流检测信号标记为信号2，当限位开关被触发，信号1为通过，当电流监测到大于I₁值，信号2为通过。信号均通过则判定机械臂8已移动至滑轨两端，信号1通过、信号2不通过则判定机械臂8位于滑轨中央，且抓手已捕获目标，如图8。

为了精确控制机械臂8移动距离和速度，进步电机12与机械臂8的传动比作为参数输入控制器，为了通过控制步进电机12的角度而精确控制机械臂8的行程和位置，上位机下达电机12转动指令后，控制器计算机械臂8以目标速度要到达目标位置，电动机的转角和速度，并传输给驱动器，驱动器通过控制发出的点脉冲的数量控制电机转角，通过改变电脉冲的频率控制电机转速，如图7。

为了实现稳定传动，蜗杆传动机构中，蜗杆与电机固连，蜗轮与丝杠固连，丝杠穿过机械臂8安装在外壳中。当电机正转时，蜗杆转动并带动丝杆转动，通过螺母将动力传到机械臂8，机械臂8在滑道中向内移动。反之向外移动，如图2。

为了得出电机12转角与机械臂8行程的对应关系，根据蜗轮14蜗杆13、丝杠11等结构的传动比，进行推算。如图2所示，蜗轮14齿数为Z₁、蜗杆13齿数为Z₂,则蜗轮蜗杆的传动比i₁＝Z₁/Z₂,丝杠11螺距为P,则步进电机12角度与机械臂8行程之间的传动比为i₂＝i₁*P,即i₂＝(Z₁/Z₂)*P。

水下载具搭载本发明潜入水下，靠近目标物体，由载具和采集设备上的水下摄像机3对目标物进行识别、观察，确定无误后，通过调整载具位置使得目标物进入捕捉范围。调整完毕后，开始驱动步进电机，进行初始化，机械臂8向外侧运动直至打开限位开关7，由于运动受阻，会导致步进电机电流增大，当限位开关7被触发，且监测到电流的异常增大，结合摄像头捕捉的画面，则认定机械臂8已运动至轨道一端。由上位机通过计算机械臂8行程，向控制器下发抓取指令，控制器向驱动器发送步进电机12通电指令，并传输转角、转速等信息，驱动器带动步进电机12按照预设转速转到某一角度，通过蜗杆传动和丝杠结构带动机械臂8运动，使抓手10丛向目标物靠近并贴合，整个过程中通过水下摄像机3的监控，通过观察抓手10状态，来调整抓手10的位置。在抓手10丛包裹或基本稳定抓取后，操纵载具离开作业区域完成对目标的采集。采集成功后，松开抓手时，驱动机械臂8向外运动，触发限位开关7，检测到电流增大，结合摄像头捕捉的画面，即可判断抓手10已完全松开。

本发明抓手丛支架为平板形，由呈方阵排列的十字形支架单元组成。抓手可嵌入十字形支架在垂直于支架平面滑动，如图3。框架型设计，产生了通水孔19，还可以使水快速通过，有效减小水下工作时的阻力，提高工作效率；本发明每个抓手内置弹簧17均有相同的虎克系数，压缩置于抓手内部。内置弹簧17的回复力使抓手保持对目标的压力并使抓手头部紧贴目标物，自动适应目标物的外形，并紧紧包裹住目标物，防止移动和滚转；抓手壳体头部覆盖防滑材料，形成了防滑部，沿着目标轮廓包紧目标后，不但垂直抓手方向被压紧，还可完全限制目标在垂直抓手轴向平面内的移动；抓手壳体为圆柱形外壳，直径有一大一小两种规格，分布如图6，直径较小的抓手对目标物的表面贴合效果更好，可以伸入目标物于地面或水底之间空隙，提供托举力。

本发明控制单元特征在于：指令通过上位机下达，通过控制器和驱动器，输出脉冲信号控制电机转动；设置电流监测电路和限位开关7，与控制器相连，在初始化时通过电流监测和限位开关信号对机械臂8初始位置进行标记，同时得到步进电机12的初始角度。同样，抓紧目标后也可通过电流监测和摄像机影像感知到对目标抓取的状态；通过计算蜗杆传动和丝杠的传动比，得到电机转角与机械臂8行程的对应关系。作为参数输入控制器，即可通过脉冲信号的数量和频率精确控制机械臂8行程、速度和位置；通过调节步进电机转角，控制机械臂8位置，来调节抓手10的抓取力度，两侧的抓手支架距离越近则抓取力度越大。

本发明传动结构特征在于：机械臂8的一端被压紧在滑道内，与滑道的接触面通过滚珠降低摩擦，并于内置一个套在丝杠11上的螺母，将丝杠11的转动转换为螺母的平动，进而驱动机械臂8；步进电机12带动蜗杆转动，蜗杆13带动固连着涡轮14的丝杠11转动，最终带动机臂沿着丝杠11轴向平动。步进电机12正转时，机械臂8内移，反转时机械7臂外移；由于蜗轮14蜗杆13机构具有单向传动特性，因此抓手可以实现对目标的稳定抓取，传动结构的规格已知，则可通过计算得到电机到机械臂8的传动比。

综上所述：本发明为针对水下平台设计的水下目标采集方法和设备，采用机械抓手内置弹簧17的方法，实现了对不规则外形目标的柔性抓取，并在抓取过程中自动适应目标外形，提高稳定性和成功率。该设备通过管状柱体4通过限位结构5和螺孔6与载体相连，柱体内置步进电机12，步进电机接12收控制器和驱动器的指令，转动一定角度，通过蜗杆传动结构带动导轨外壳1中的丝杠11转动，并转化为机械臂8的在导轨2上平动，为抓手支架9提供驱动力，抓手丛10向内运动过程中接触目标并回缩，包裹目标，并对目标进行压紧、固定。过程中摄像机3可以提供视野并辅助定位。通过采用电流监测和预置限位开关的方法对机械臂8位置进行标定，并通过计算蜗杆传动和丝杠结构的传动比，采用步进电机实现对机械臂8运动的精确控制。本装置具有优良的兼容性，可由各种水下平台搭载。

Claims (6)

1.一种水下机器人柔性抓取装置，其特征是，包括圆柱形钢管、设置在圆柱形钢管一端的限位柱和螺孔、与圆柱形钢管另一端连接的导轨外壳、控制单元、传动结构和执行机构；

所述控制单元包括设置在圆柱形钢管内的进步电机、与进步电机依次相连的驱动器、控制器和上位机、设置在导轨外壳上的水下摄像机、对称设置在导轨两端的限位开关，所述限位开关连接控制器，所述进步还与电流监测电路连通；

所述传动结构包括蜗轮蜗杆结构和丝杠结构；所述蜗杆与进步电机的输出轴连接，蜗轮蜗杆相啮合，所述涡轮固定在丝杠的中点，丝杠两端嵌入到导轨外壳中，所述传动结构设置在导体外壳内；

所述执行机构包括设置在丝杠两端的机械臂、所述机械臂与抓手丛支架连接，所述抓手丛支架内嵌抓手；所述机械臂内设丝杠螺母，所述丝杠螺母与丝杠相配合。

2.根据权利要求1所述的水下机器人柔性抓取装置，其特征是，所述抓手由抓手外壳和内置弹簧组成，所述抓手外壳为空心圆柱体且表面设置有镂空矩形槽，抓手外壳的顶端设置有防滑部。

3.根据权利要求1或2所述的水下机器人柔性抓取装置，其特征是，所述抓手有两种不同的直径且呈阵列排布。

4.根据权利要求1或2所述的水下机器人柔性抓取装置，其特征是，所述抓手丛支架由支架单元组成，所述支架单元为十字形框架。

5.根据权利要求3所述的水下机器人柔性抓取装置，其特征是，所述抓手丛支架由支架单元组成，所述支架单元为十字形框架。

6.一种水下机器人柔性抓取方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)水下机器人柔性抓取装置潜入水下，靠近目标物体，通过水下摄像机将目标物体移入两个抓手丛的中间区域；

(2)确定目标进入采集范围后上位机下发操纵指令，进行设备初始化；

(3)控制器将上位机指令解析，向驱动器发送信号；

(4)驱动器发出电脉冲信号，驱动步进电机反转，通过蜗轮蜗杆结构和丝杠结构带动机械臂在导轨上向外运动；

(5)机械臂触发导轨端部的限位开关，限位开关触发信号发送至控制器，电流监测检测到运动受阻导致的电流增大，反馈给控制器，控制器上传至上位机；

(6)上位机结合电流检测、限位开关判定机械臂已运动至轨道两端时，完成初始化，下发采集指令；

(7)控制器根据指令向驱动器传输控制信号，驱动器根据控制信号向步进电机发射电脉冲，通过脉冲数量、频率控制步进电机的转角、速度；

(8)机械臂向内移动，两个抓手丛逐渐靠近目标物体，在接触目标物体后抓手被挤压，抓手上的防滑部将与目标物体表面精准贴合，将目标物包裹起来，电流检测电路监测到电流增大，结合视频信号判断已经夹紧目标，采集工作完成；

(9)采集成功后，松开抓手，驱动机械臂向外运动，触发限位开关，检测到电流增大，结合摄像头捕捉的画面，即可判断抓手已完全松开。