CN110194256B - 一种双臂形的水下机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双臂形的水下机器人，包括水下机器人本体，所述水下机器人本体包括圆柱状的机器人舱体，所述机器人舱体的前端和后段分别密封安装有半球形的前舱盖和后舱盖；所述机器人舱体的前端两侧对称设置有机械臂固定座；还包括左机械臂和右机械臂，所述左机械臂和右机械臂的尾端分别固定在两机械臂固定座上；本发明的结构简单，将自身重量设置成低于排开水的重量，使设备不运行或损坏使会由于自身密度小的问题自动上浮，进而增加该设备的上浮可靠性，防止设备水下损坏后不能及时上浮造成损失的现象。
Description
技术领域
本发明属于水下机器人领域。
背景技术
现有的潜水机器人的上浮和下沉往往采用采用水泵吸水的方式增加重量下沉，采用排水的方式减轻重量实现上浮，该排水的方式结构复杂，而且需要蓄水库，进而使体积庞大；而且现有的水下机械爪需要做到很好的防水性能，与此同时现有的水下机械爪很难同时实现快速抓取并且能稳定夹持的效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种设备故障停止运行时会自动上浮的一种双臂形的水下机器人。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种双臂形的水下机器人，包括水下机器人本体，所述水下机器人本体包括圆柱状的机器人舱体，所述机器人舱体的前端和后段分别密封安装有半球形的前舱盖和后舱盖；所述机器人舱体的前端两侧对称设置有机械臂固定座；还包括左机械臂和右机械臂，所述左机械臂和右机械臂的尾端分别固定在两机械臂固定座上；两所述机械臂固定座的上侧还分别固定设置有探灯安装座，所述探灯安装座上固定安装有能向前照射的探灯；所述机器人舱体的底端还安装有呈八字形张开的着陆支架；
所述机器人舱体的顶部安装有手提把手，还包括保险缆绳，所述保险缆绳的末端固定连接所述机器人舱体的顶部；所述机器人舱体的两侧固定设置有升降推进器座，两所述升降推进器座上分别安装有两竖向的升降推进器，两所述升降推进器能将所述水下机器人本体向下推进；所述机器人舱体的尾端两侧分别对称设置有两前进推进器座，两所述前进推进器座上分别安装有两前进推进器，所述前进推进器能将所述水下机器人本体向前推进。
进一步的，所述水下机器人本体的排水体积为V，所述水下机器人本体的总质量为M，水的密度为ρ；满足M＜ρV。
进一步的，一种双臂形的水下机器人的水下推进方法：
升降方法：设备完全浸入水中后，在升降推进器不运行时，由于水下机器人本体会由于浮力作用下做上浮的运动，进而实现了水下机器人本体的上升运动，与此同时还可以通过升降推进器来削弱水下机器人本体的上升速度；若需要控制水下机器人本体做下潜运动，同时启动两升降推进器，进而两升降推进器将水下机器人本体向下推进，进而实现水下机器人本体的下降过程；
推进和转弯方法：同时等功率运行两前进推进器，进而两前进推进器将水下机器人本体向前推进；若控制两前进推进器用不同功率进行推进，进而实现水下机器人本体的转弯，实现转向后重新控制两前进推进器做等功率推进，进而实现了恢复向前推进的状态。
进一步的，所述左机械臂/右机械臂包括尾座，所述尾座通过若干防水螺栓锁紧在所述机械臂固定座上；所述尾座末端上转动安装有第一摆臂，所述尾座上的舵机能带动所述第一摆臂水平摆动；所述第一摆臂的末端转动安装有第二摆臂，所述第一摆臂上的舵机能带动所述第二摆臂纵向摆动；所述第二摆臂的末端安装有执行爪单元。
进一步的，所述执行爪单元包括圆柱状的手腕结构，所述手腕结构的根部一体化固定在所述第二摆臂的末端；所述手腕结构上呈圆周阵列分布有三组手指机构，三组所述手指机构能做抓取和松开动作。
进一步的，所述手腕结构的内部的轴线位置同轴心设置有柱形的活塞通道，所述活塞通道内设置有水隔离活塞，所述水隔离活塞包括非磁性材质的硬质圆盘体，所述硬质圆盘体的轮廓边缘一体化设置有防水橡胶圈，所述防水橡胶圈的外圈与所述活塞通道的内壁密封滑动连接；所述水隔离活塞远离所述执行爪单元的一侧设置有电磁铁，所述电磁铁的电磁铁芯与所述活塞通道同轴心设置，所述电磁铁远离水隔离活塞的一侧固定安装有直线推杆电机，所述直线推杆电机的直线推杆末端固定连接所述电磁铁，所述直线推杆电机能通过所述直线推杆带动所述电磁铁整体沿所述活塞通道的轴线来回位移；所述水隔离活塞远离所述电磁铁芯的一侧同轴心设置有执行爪动力轴，所述执行爪动力轴靠近所述水隔离活塞的一端同轴心固定安装有永磁棒，所述永磁棒的N极端与所述电磁铁芯的一端同轴心对应；所述水隔离活塞位于所述永磁棒与所述电磁铁芯之间；所述执行爪动力轴远离所述水隔离活塞的一端同轴心活动穿过手腕结构末端处的动力轴穿过孔；所述执行爪动力轴远离所述水隔离活塞的一端同轴心固定连接有联动盘，所述联动盘的轮廓边缘呈圆周阵列设置有三个第一铰接件；所述手腕结构的末端轮廓上呈圆周阵列分布有三个第二铰接件，三组所述手指机构分别包括三个手爪，三所述手爪的根部分别铰接在三所述第二铰接件上；三所述手爪的末端分别设置有向内弯曲的爪尖；三所述手爪的中部均设置有第三铰接件，还包括三根联动杆，三所述联动杆两端分别铰接对应的第一铰接件和第三铰接件。
有益效果：本发明的结构简单，将自身重量设置成低于排开水的重量，使设备不运行或损坏使会由于自身密度小的问题自动上浮，进而增加该设备的上浮可靠性，防止设备水下损坏后不能及时上浮造成损失的现象；与此同时，本方案的执行爪单元通过水隔离活塞对水起到隔离的作用，进而使电磁铁和直线推杆电机所在环境始终处于干燥环境；与此同时采用电磁弹射的方式实现机械爪的迅速抓取，采用电磁铁追逐的方式实现快速抓取之后的稳定夹持效果。
附图说明
附图1为本发明整体的结构示意图；
附图2为本装置的整体俯视图；
附图3为该装置的剖开示意图；
附图4为左机械臂/右机械臂示意图；
附图5为机械臂执行爪处的示意图；
附图6为手腕结构的内部剖开立体示意图；
附图7为手腕结构的正剖示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如附图1至7所示的一种双臂形的水下机器人，包括水下机器人本体，所述水下机器人本体包括圆柱状的机器人舱体40，所述机器人舱体40的前端和后段分别密封安装有半球形的前舱盖41和后舱盖43；所述机器人舱体40的前端两侧对称设置有机械臂固定座44；还包括左机械臂30和右机械臂45，所述左机械臂30和右机械臂45的尾端分别固定在两机械臂固定座44上；两所述机械臂固定座44的上侧还分别固定设置有探灯安装座39，所述探灯安装座39上固定安装有能向前照射的探灯46；所述机器人舱体40的底端还安装有呈八字形张开的着陆支架50；
所述机器人舱体40的顶部安装有手提把手42，还包括保险缆绳38，所述保险缆绳38的末端固定连接所述机器人舱体40的顶部；所述机器人舱体40的两侧固定设置有升降推进器座48，两所述升降推进器座48上分别安装有两竖向的升降推进器49，两所述升降推进器49能将所述水下机器人本体向下推进；所述机器人舱体40的尾端两侧分别对称设置有两前进推进器座32，两所述前进推进器座32上分别安装有两前进推进器31，所述前进推进器31能将所述水下机器人本体向前推进。
所述水下机器人本体的排水体积为V，所述水下机器人本体的总质量为M，水的密度为ρ；满足M＜ρV。
所述左机械臂30/右机械臂45包括尾座7，所述尾座7通过若干防水螺栓锁紧在所述机械臂固定座44上；所述尾座7末端上转动安装有第一摆臂5，所述尾座7上的舵机能带动所述第一摆臂5水平摆动；所述第一摆臂5的末端转动安装有第二摆臂3，所述第一摆臂5上的舵机能带动所述第二摆臂3纵向摆动；所述第二摆臂3的末端安装有执行爪单元1。
所述执行爪单元1包括圆柱状的手腕结构2，所述手腕结构2的根部一体化固定在所述第二摆臂3的末端；所述手腕结构2上呈圆周阵列分布有三组手指机构，三组所述手指机构能做抓取和松开动作。
所述手腕结构2的内部的轴线位置同轴心设置有柱形的活塞通道22，所述活塞通道22内设置有水隔离活塞24，所述水隔离活塞24包括非磁性材质的硬质圆盘体18，所述硬质圆盘体18的轮廓边缘一体化设置有防水橡胶圈20，所述防水橡胶圈20的外圈与所述活塞通道22的内壁密封滑动连接；所述水隔离活塞24远离所述执行爪单元1的一侧设置有电磁铁25，所述电磁铁25的电磁铁芯21与所述活塞通道22同轴心设置，所述电磁铁25远离水隔离活塞24的一侧固定安装有直线推杆电机29，所述直线推杆电机29的直线推杆28末端固定连接所述电磁铁25，所述直线推杆电机29能通过所述直线推杆28带动所述电磁铁25整体沿所述活塞通道22的轴线来回位移；所述水隔离活塞24远离所述电磁铁芯21的一侧同轴心设置有执行爪动力轴27，所述执行爪动力轴27靠近所述水隔离活塞24的一端同轴心固定安装有永磁棒16，所述永磁棒16的N极端16.1与所述电磁铁芯21的一端同轴心对应；所述水隔离活塞24位于所述永磁棒16与所述电磁铁芯21之间；所述执行爪动力轴27远离所述水隔离活塞24的一端同轴心活动穿过手腕结构2末端处的动力轴穿过孔17；所述执行爪动力轴27远离所述水隔离活塞24的一端同轴心固定连接有联动盘14，所述联动盘14的轮廓边缘呈圆周阵列设置有三个第一铰接件10；所述手腕结构2的末端轮廓上呈圆周阵列分布有三个第二铰接件8，三组所述手指机构分别包括三个手爪11，三所述手爪11的根部分别铰接在三所述第二铰接件8上；三所述手爪11的末端分别设置有向内弯曲的爪尖12；三所述手爪11的中部均设置有第三铰接件9，还包括三根联动杆13，三所述联动杆13两端分别铰接对应的第一铰接件10和第三铰接件9。
本方案的方法、过程以及技术进步整理如下：
升降方法：设备完全浸入水中后，在升降推进器49不运行时，由于水下机器人本体会由于浮力作用下做上浮的运动，进而实现了水下机器人本体的上升运动，与此同时还可以通过升降推进器49来削弱水下机器人本体的上升速度；若需要控制水下机器人本体做下潜运动，同时启动两升降推进器49，进而两升降推进器49将水下机器人本体向下推进，进而实现水下机器人本体的下降过程；
推进和转弯方法：同时等功率运行两前进推进器31，进而两前进推进器31将水下机器人本体向前推进；若控制两前进推进器31用不同功率进行推进，进而实现水下机器人本体的转弯，实现转向后重新控制两前进推进器31做等功率推进，进而实现了恢复向前推进的状态；
左机械臂30/右机械臂45的快速抓取动作方法：
初始状态下执行爪单元1处于张开状态，电磁铁25处于没有通电的状态，机械臂的执行爪单元1完全浸没在水下，此时水隔离活塞24对水起到隔离的作用，进而使电磁铁25和直线推杆电机29所在环境始终处于干燥环境；
快速抓取捕捉动作的执行方法：将电磁铁25通电，进而使电磁铁芯21迅速获得磁性，并且使执行爪动力轴27的永磁棒16与电磁铁芯21相互强烈排斥，进而使执行爪动力轴27迅速向外被电磁力弹出，执行爪动力轴27被弹出后迅速对电磁铁25断电，使电磁铁芯21失去磁性，在电磁铁25被通电的同时启动直线推杆电机29，进而使直线推杆28做伸长运动，进而使电磁铁25整体做追逐执行爪动力轴27的运动，而电磁铁芯21的端部会开始向左顶压水隔离活塞24，进而使水隔离活塞24随电磁铁25一同做追逐执行爪动力轴27的运动；此时联动盘14随执行爪动力轴27的同步弹出，进而联动盘14通过三根联动杆13带动三根手爪11做向内的抓取动作，进而使三根手爪11末端的爪尖12迅速向内抓取并刺破被抓取物，进而实现迅速抓取的目的；待三根手爪11做完抓取动作后联动盘14和执行爪动力轴27会停止运动，而电磁铁25整体和水隔离活塞24随即追上执行爪动力轴27，待电磁铁25整体和水隔离活塞24追上执行爪动力轴27后暂停直线推杆电机29的运行，此时电磁铁芯21的左端同轴心接触水隔离活塞24的右侧，执行爪动力轴27的右端接触水隔离活塞24的左侧；此时实现执行爪单元1的稳定抓取；
执行爪单元1的松开回位执行方法：
重新使电磁铁25通电，并且使执行爪动力轴27的永磁棒16与电磁铁芯21相互吸引，进而使电磁铁25和执行爪动力轴27构成同步状态；与此同时启动直线推杆电机29，进而使直线推杆28做缩短运动，进而使电磁铁25和执行爪动力轴27、联动盘14同步向右运动，直至联动盘14通过三根联动杆13带动三根手爪11做向外的松开动作。
左机械臂30/右机械臂45在夹取水中的物体后机器人整体的重心会发生先前偏移，因而会造成该机器人的姿态不稳现象，因此为了增加机器人舱体40的平衡性，该机器人舱体40的内部设置有潜水姿态平衡机构；所述潜水姿态平衡机构包括配重滑块69、丝杆71、两根滑块导杆70、前支撑板73、后支撑板74和丝杆电机75；丝杆71和两根滑块导杆70沿所述机器人舱体40的轴线方向平行；各滑块导杆70的两端固定安装在前支撑板73和后支撑板74上；两滑块导杆70分别穿过所述配重滑块69上的导孔；所述丝杆71与所述配重滑块69上的丝杆传动孔传动连接；所述丝杆电机75与所述丝杆71驱动连接；所述丝杆71的旋转能带动所述配重滑块69沿所述滑块导杆70的长度方向位移；当左机械臂30/右机械臂45在夹取水中的物体后，该设备的重心会向前偏移，此时控制丝杆71的旋转带动配重滑块69沿所述滑块导杆70的长度方向后位移，进而使该机器人整体的重心保持在原来的位置，当左机械臂30/右机械臂45丢失被夹取物体后，该该设备的重心会向后偏移进而控制丝杆71的旋转带动配重滑块69沿所述滑块导杆70的长度方向前位移，进而使该机器人整体的重心保持在原来的位置；进而实现调节该设备的中心的作用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种双臂形的水下机器人，其特征在于：包括水下机器人本体，所述水下机器人本体包括圆柱状的机器人舱体(40)，所述机器人舱体(40)的前端和后段分别密封安装有半球形的前舱盖(41)和后舱盖(43)；所述机器人舱体(40)的前端两侧对称设置有机械臂固定座(44)；还包括左机械臂(30)和右机械臂(45)，所述左机械臂(30)和右机械臂(45)的尾端分别固定在两机械臂固定座(44)上；两所述机械臂固定座(44)的上侧还分别固定设置有探灯安装座(39)，所述探灯安装座(39)上固定安装有能向前照射的探灯(46)；所述机器人舱体(40)的底端还安装有呈八字形张开的着陆支架(50)；
所述机器人舱体(40)的顶部安装有手提把手(42)，还包括保险缆绳(38)，所述保险缆绳(38)的末端固定连接所述机器人舱体(40)的顶部；所述机器人舱体(40)的两侧固定设置有升降推进器座(48)，两所述升降推进器座(48)上分别安装有两竖向的升降推进器(49)，两所述升降推进器(49)能将所述水下机器人本体向下推进；所述机器人舱体(40)的尾端两侧分别对称设置有两前进推进器座(32)，两所述前进推进器座(32)上分别安装有两前进推进器(31)，所述前进推进器(31)能将所述水下机器人本体向前推进；
所述左机械臂(30)/右机械臂(45)包括尾座(7)，所述尾座(7)通过若干防水螺栓锁紧在所述机械臂固定座(44)上；所述尾座(7)末端上转动安装有第一摆臂(5)，所述尾座(7)上的舵机能带动所述第一摆臂(5)水平摆动；所述第一摆臂(5)的末端转动安装有第二摆臂(3)，所述第一摆臂(5)上的舵机能带动所述第二摆臂(3)纵向摆动；所述第二摆臂(3)的末端安装有执行爪单元(1)；
所述执行爪单元(1)包括圆柱状的手腕结构(2)，所述手腕结构(2)的根部一体化固定在所述第二摆臂(3)的末端；所述手腕结构(2)上呈圆周阵列分布有三组手指机构，三组所述手指机构能做抓取和松开动作；
所述手腕结构(2)的内部的轴线位置同轴心设置有柱形的活塞通道(22)，所述活塞通道(22)内设置有水隔离活塞(24)，所述水隔离活塞(24)包括非磁性材质的硬质圆盘体(18)，所述硬质圆盘体(18)的轮廓边缘一体化设置有防水橡胶圈(20)，所述防水橡胶圈(20)的外圈与所述活塞通道(22)的内壁密封滑动连接；所述水隔离活塞(24)远离所述执行爪单元(1)的一侧设置有电磁铁(25)，所述电磁铁(25)的电磁铁芯(21)与所述活塞通道(22)同轴心设置，所述电磁铁(25)远离水隔离活塞(24)的一侧固定安装有直线推杆电机(29)，所述直线推杆电机(29)的直线推杆(28)末端固定连接所述电磁铁(25)，所述直线推杆电机(29)能通过所述直线推杆(28)带动所述电磁铁(25)整体沿所述活塞通道(22)的轴线来回位移；所述水隔离活塞(24)远离所述电磁铁芯(21)的一侧同轴心设置有执行爪动力轴(27)，所述执行爪动力轴(27)靠近所述水隔离活塞(24)的一端同轴心固定安装有永磁棒(16)，所述永磁棒(16)的N极端(16.1)与所述电磁铁芯(21)的一端同轴心对应；所述水隔离活塞(24)位于所述永磁棒(16)与所述电磁铁芯(21)之间；所述执行爪动力轴(27)远离所述水隔离活塞(24)的一端同轴心活动穿过手腕结构(2)末端处的动力轴穿过孔(17)；所述执行爪动力轴(27)远离所述水隔离活塞(24)的一端同轴心固定连接有联动盘(14)，所述联动盘(14)的轮廓边缘呈圆周阵列设置有三个第一铰接件(10)；所述手腕结构(2)的末端轮廓上呈圆周阵列分布有三个第二铰接件(8)，三组所述手指机构分别包括三个手爪(11)，三所述手爪(11)的根部分别铰接在三所述第二铰接件(8)上；三所述手爪(11)的末端分别设置有向内弯曲的爪尖(12)；三所述手爪(11)的中部均设置有第三铰接件(9)，还包括三根联动杆(13)，三所述联动杆(13)两端分别铰接对应的第一铰接件(10)和第三铰接件(9)。
2.根据权利要求1所述的一种双臂形的水下机器人，其特征在于：所述水下机器人本体的排水体积为V，所述水下机器人本体的总质量为M，水的密度为ρ；满足M＜ρV。
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