CN112591042B - 一种用于水下机器人的带缆硬杆捕捉与连接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于水下机器人的带缆硬杆捕捉与连接装置，属于水下作业机器人装置领域，实现连续两次对水下的上部带有线缆的目标硬杆的捕捉，并实现目标硬杆连接的装置。该装置包括联动回转机构、锁紧对接机构、差速机构以及支架、限位筒、步进电机等辅助机构，其中联动回转机构包括导向臂、压紧臂及凸轮推杆等部分。该装置可通过联动回转机构实现对目标硬杆的大范围导向及捕捉，通过锁紧对接机构实现目标硬杆的连接，并通过差速机构实现单一驱动源下联动回转机构的顺序运动。该装置可对机器人前方112°开角范围内的水下目标硬杆进行有效捕捉，并完成对目标硬杆的锁紧、连接动作。该装置具有结构简单、捕捉范围大、适应环境广、可靠性高等优点。

Description

一种用于水下机器人的带缆硬杆捕捉与连接装置

技术领域

本发明涉及一种用于水下机器人的带缆硬杆捕捉与连接装置，属于水下作业机器人装置领域，特别是涉及一种可应用于水下机器人，通过导向臂实现连续两次较大范围带缆硬杆捕捉，并实现目标带缆硬杆连接的装置。

背景技术

现有专利中，如申请号为201410451297.3，名称为“一种新的海参水产捕捞装置”的专利文件，与申请号为201720159305.6，名称为“一种水下捕捞机器人”的专利文件，均采用吸嘴式结构进行水下物体捕捉，但是由于以上两种装置均设计作为水产捕捞装置，只能实现对附着于海底或漂浮于海水中的小型无源物体捕捉，对于上部带有线缆的硬杆捕捉后，会造成线缆拥堵在吸嘴处，导致吸嘴口径变小，影响下一次的捕捉作业。

如申请号为201911420806.5，名称为“一种智能水下捕捞机械手及其工作方法”的专利文件，采用机械手式结构进行水下物体捕捞，但考虑到该种捕捞方式需要更高的控制精度，需要配置大量高精度传感器、控制器，导致装置成本较高，操作效率较低，不适用大范围、高效率的捕捉目标物的要求。

以上专利不适用于捕捉水下带缆硬杆目标，且均不含对两次捕捞物体进行连接的功能要求，因此在应用对象与功能要求上与本发明不同。本专利发明一种通过设计差速机构实现联动回转机构与锁紧对接机构顺序运动，进而实现大范围导向、捕捉带有线缆的目标硬杆，并且实现将两根目标硬杆连接的装置。该装置可实现大范围、高效率的水下物体捕捉任务。

发明内容

本发明专利的目的是为水下作业机器人提供一种能够实现对水下带缆硬杆高效可靠捕捉，且能实现两次被捕捉硬杆连接的装置。

本发明的目的是这样实现的：限位筒、设置在限位筒内的锁紧对接机构、左右对称设置在限位筒两侧的两组支架、设置在每组支架上的联动回转机构，左侧联动回转机构和右侧联动回转机构均包括电机、通过联轴器与电机输出端连接的压紧臂轴，在左侧架体中设置有左压紧臂轴、凸轮推杆轴、左导向臂轴，左导向臂轴上设置有左导向臂、左导向臂轴齿轮，凸轮推杆轴上设置有凸轮推杆和凸轮推杆轴齿轮，左压紧臂轴上设置有左压紧臂、差速机构、左压紧臂轴上部齿轮、左压紧臂轴下部齿轮，左压紧臂轴上部齿轮与左导向臂轴齿轮啮合，左压紧臂轴下部齿轮与凸轮推杆轴齿轮啮合，在右侧架体中设置有右压紧臂轴和右导向臂轴，右导向臂轴上设置有右导向臂、右导向臂轴齿轮，右压紧臂轴上设置有右压紧臂、差速机构、右压紧臂轴齿轮，右压紧臂轴齿轮与右导向臂轴齿轮啮合，锁紧对接机构包括工程塑料壳体、回转限位部分、棘轮机构、脱出块及螺杆螺母，螺杆将整体机构串联，从下向上分别为下壳体、回转限位部分、棘轮机构、上壳体及脱出块，回转限位部分、脱出块可随轴同步回转；棘轮机构由上壳体加工出的凹槽进行定位，不随轴回转，用于棘爪复位的高强度弹簧置于棘爪与上壳体之间的棘爪槽内，棘轮机构使回转限位部分在有驱动力的情况下进行单向回转，两个导向臂中间设置有驱动展开的电动推杆。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.工作过程如下：

(1)机器人初入水

当装置通过支架与水下机器人连接被放入水中后，导向臂外侧完全回收于机器人轮廓内侧，电动推杆处于收缩状态，压紧臂处于压紧状态，凸轮推杆处于伸出状态；

(2)机器人捕捉第一根带缆硬杆

当机器人靠近第一根目标硬杆，步进电机开始正转：导向臂完全张开，压紧臂张开，电动推杆伸出，凸轮推杆处于缩回位置，此刻机器人继续前进，目标硬杆在在导向臂的作用下进入压紧臂回转范围内，此时步进电机开始反转，导向臂开始收回，压紧臂开始向内回转，同时凸轮推杆向外推出，当压紧臂将目标硬杆压至锁紧对接机构回转限位部分槽内时，凸轮推杆恰好运动至硬杆位置，此时导向臂回收至1/2位置，步进电机继续反转；由于压紧臂无法继续向内回转，差速机构内锥齿轮开始工作，将上下半轴的同步回转运动转化为锥齿轮间配合的回转运动，达到步进电机正常工作下，压紧臂维持现有位置不动的状态，直到导向臂完全回收，此时目标硬杆也在凸轮推杆的作用下，随回转限位部分在锁紧对接机构内转动了近90°，通过在目标硬杆下方加工一块半径较大于回转限位部分凹槽半径的硬物，达到锁紧目标硬杆的目的；

(3)机器人捕捉第二根带缆硬杆及完成任务

机器人继续前行至靠近第二根目标硬杆，重复第2步的过程，当捕捉完成后，锁紧对接机构内捕捉了两根硬杆，此时脱出块随限位回转部分转动180°来到限位筒开槽位置，脱出块从开槽位置脱出，完成锁紧对接机构与限位筒分离工作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明中通过设计展开、回收导向臂(16)来捕捉目标硬杆的方式，实现了在加大捕捉范围，提高工作成功率的同时，又减小了非工作时装置的占地面积，降低了装置因碰撞等损坏的几率。本发明中采用联动回转机构及差速机构(3)，在只使用一个驱动源的情况下，即可实现不同部件的顺序运动，使装置结构紧凑，节省占用空间。通过在装置中设计锁紧对接机构，可在两次捕捉目标硬杆的同时，实现目标硬杆的连接，可代替潜水员多次下潜工作，提高了工作安全性与效率。本发明中两侧联动回转机构分别采用步进电机方式驱动，实现在保证较精确旋转角度的同时，省去了由单一电机驱动两侧联动回转机构所需的复杂的传动方式，使装置结构简洁。

附图说明

图1、图2为本发明专利不同视角的结构简图。

图3、图4为本发明专利中左侧铝合金架体与联动回转机构不同视角的装配简图。

图5、图6为本发明专利中右侧铝合金架体与联动回转机构不同视角的装配简图。

图7a、b均为本发明专利中锁紧对接机构(不带壳体)的结构简图。

图8为本发明专利中锁紧对接机构(带壳体)的结构简图。

图9为本发明专利中差速机构的结构简图。

图10a、b均为本发明专利中联动回转机构完全收回状态。

图11a、b均为本发明专利中联动回转机构完全展开状态。

图12a、b均为本发明专利中捕捉第一根目标硬杆中间过程状态。

图13a、b均为本发明专利中完成捕捉第一根目标硬杆状态。

图14为本发明专利中锁紧对接机构锁紧第一根目标硬杆状态。

图15a、b均为本发明专利中锁紧对接机构锁紧第二根目标硬杆状态。

图16a、b均为本发明专利中完成捕捉第二根目标硬杆状态。

图中：步进电机1、凸轮推杆2、差速机构3、铝合金架体4、工程塑料板5、转轴端盖6、压紧臂7、工程塑料壳体8、棘轮机构9、回转限位部分10、脱出块11，限位筒12、止推滑动轴承13、轴套14、尼龙齿轮15、导向臂16、电动推杆17、凸轮推杆悬臂18、左导向臂轴端盖19、凸轮推杆轴端盖20、左压紧臂轴端盖21、右导向臂轴端盖22、右压紧轴端盖23、联轴器24、左导向臂轴25、凸轮推杆轴26、左压紧臂轴27、右导向臂轴28、右压紧臂轴29、左导向臂30、左导向臂轴齿轮31、凸轮推杆轴齿轮32、左压紧臂33、左压紧臂轴上部齿轮34、左压紧臂轴下部齿轮35、右导向臂36、右导向臂轴齿轮37、右压紧臂38、右压紧臂轴齿轮39、棘爪40、复位弹簧41、第一根目标硬杆42、第二根目标硬杆43。

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。

下面从装置总体技术方案、支架部分技术方案、联动回转机构技术方案、锁紧对接机构技术方案、差速机构技术方案及专利目的实现过程分别阐述实现本专利目的的技术方案。

1、装置总体技术方案

本发明专利主要由联动回转机构、锁紧对接机构、差速机构(3)、支架、限位筒(12)及步进电机(1)组成。在机器人入水前，支架和限位筒(12)与水下作业机器人连接，两组支架左右对称布置在机器人正前方，限位筒(12)布置在两侧支架之间；联动回转机构、差速机构(3)通过回转轴布置在支架上；锁紧对接机构置于限位筒(12)内部。当水下作业机器人所连接的该装置处于非工作状态时，装置导向臂(16)可收缩至机器人身体两侧；当该装置正常作业时，可实现对机器人前方112°开角范围内的目标硬杆进行捕捉并将两根目标硬杆连接。

2、支架部分技术方案

上述支架主要由铝合金架体(4)与工程塑料板(5)组成。左侧铝合金架体加工3个通孔，右侧铝合金架体加工2个通孔，并将两侧架体中心部分掏空；工程塑料板(5)置于两侧铝合金架体上下两端。

该部分作用及技术效果：该部分为本发明专利的主要支撑体，用于连接作业机器人与各工作机构，为其确定相对位置关系和提供支撑。通过连接工程塑料板，实现对目标硬杆的辅助导向。

3、联动回转机构技术方案

联动回转机构主要由导向臂(16)、压紧臂(7)、凸轮推杆(2)、电动推杆(17)、尼龙齿轮(15)、止推滑动轴承(13)、轴套(14)以及转轴端盖(6)组成。左侧导向臂、压紧臂及凸轮推杆(2)分别通过三个转轴布置在铝合金架体上，三轴通过尼龙齿轮进行动力传递，并由轴套等进行轴向定位；右侧导向臂、压紧臂通过两个转轴布置在铝合金架体上，两轴通过尼龙齿轮进行动力传递，并由轴套等进行轴向定位；作为动力源的步进电机(1)与压紧臂(7)所在的转轴相连，悬挂于上述支架的下方；电动推杆(17)布置于导向臂二级转轴处。

该机构作用及技术效果：该机构为本发明专利的主要执行机构，用于实现对目标硬杆的捕捉动作。通过控制电机(1)的正反转，实现导向臂(16)、压紧臂(7)的开合及凸轮推杆(2)的前进后退动作；通过在导向臂(16)转轴处布置电动推杆(17)，实现导向臂(16)在保证可靠性的条件下，尽可能扩大捕捉范围，同时实现导向臂(16)在收缩状态下能完全收至机器人体内，减少空间占用，降低出水后机构损坏风险。

4、锁紧对接机构技术方案

锁紧对接机构主要由工程塑料壳体(8)、回转限位部分(10)、棘轮机构(9)、脱出块(11)及螺杆螺母等组成。棘轮机构(9)置于回转限位部分(10)上方，回转限位部分(10)为一个四面带有凹槽的十字形块状物；棘轮机构(9)与工程塑料壳体(8)相对固连，位于壳体(8)上部的脱出块(11)可随回转限位部分(10)同步回转。

该机构作用及技术效果：该机构为本发明专利的核心机构，用于实现对目标硬杆的锁紧、连接功能。棘轮机构(9)通过由竖向布置的压缩弹簧实现复位功能的棘爪对回转限位部分(10)进行单向回转限制，实现对被捕捉目标硬杆的限位；通过工程塑料壳体(8)与回转限位部分(10)凹槽的配合，实现对目标硬杆的锁紧；通过脱出块(11)的回转动作，实现任务完成后锁紧对接机构与限位筒(12)的分离。

5、差速机构技术方案

差速机构(3)由两组尼龙锥齿轮及齿轮轴组成。齿轮轴水平放置于外壳中，两端固定小锥齿轮；两个大锥齿轮分别通过压紧臂所在转轴与小齿轮上下两侧啮合。

该机构作用及技术效果：该机构为本发明专利的辅助机构，通过调节差速机构(3)上下预加的压紧力，可改变锥齿轮配合间的摩擦力，实现小阻力状态下上下半轴同步转动，大阻力状态下上下半轴差速运动。

6、实现过程

机器人进入水中开始工作时联动回转机构在步进电机(1)驱动下开始运动，导向臂(16)伸展开来。在机器人进行硬杆捕捉的时候，目标硬杆可通过导向臂(16)的引导进入压紧臂(7)回转范围，在电机(1)反转驱动下联动回转机构开始反向运动，在压紧臂(7)的回转运动作用下目标硬杆被压入锁紧对接机构；同时凸轮推杆(2)推动目标硬杆触发锁紧对接机构内回转限位部分(10)的单向回转动作，将目标硬杆锁紧。在完成两次目标硬杆捕捉过程后，凸轮推杆(2)推动第二根硬杆触发锁紧对接机构的单向回转动作，将第二根硬杆锁紧，从而实现两根目标硬杆在该机构上的连接。

本发明的一种用于水下机器人的带缆硬杆捕捉连接装置的整体结构如图1、图2所示，其主要包括联动回转机构、锁紧对接机构、差速机构(3)及支架、限位筒(12)、步进电机(1)等。

1、支架部分具体结构设计

支架包括铝合金架体(4)和工程塑料板(5)两部分。两侧铝合金架体的结构如图4、图6所示。架体中部均掏空处理，其中左侧铝合金架体上加工有3个通孔，分别用于定位左导向臂轴(25)、凸轮推杆轴(26)及左压紧臂轴(27)，如图3所示；右侧铝合金架体上有2个通孔，分别用于定位右导向臂轴(28)及右压紧臂轴(29)，如图5所示，且左右两侧相应轴的布置镜像对称。为保证轴孔的对中性，都应采用完整铝合金块一次性钻通孔的方式打孔。如图2，工程塑料板(5)通过螺钉连接分别布置在左右铝合金架体的上下两侧，用于目标硬杆的辅助导向。

2、联动回转机构具体结构设计

联动回转机构包括导向臂、压紧臂、凸轮推杆(2)、电动推杆(17)、尼龙齿轮(15)、止推滑动轴承(13)、轴套(14)以及转轴端盖等，其布置如图3、图5所示。

1)联动回转机构左侧结构

如图3所示左侧结构图中，左导向臂轴(25)布置有左导向臂(30)、左导向臂轴齿轮(31)、止推滑动轴承(13)及轴套(14)，其中左导向臂(30)及齿轮(31)靠键与轴连接；凸轮推杆轴(26)布置有凸轮推杆(2)、凸轮推杆轴齿轮(32)、止推滑动轴承及轴套，其中推杆一端与凸轮相连，另一端靠凸轮推杆悬臂(18)支撑，使推杆可以随凸轮的回转运动沿固定方向做直线运动；左压紧臂轴(27)布置有左压紧臂(33)、差速机构(3)、左压紧臂轴上部齿轮(34)、左压紧臂轴下部齿轮(35)、联轴器(24)、滑动止推轴承及轴套，其中左压紧臂轴端盖(21)内布置有弹簧调节机构，可用于调节左压紧臂轴(27)上半轴作用于差速机构(3)的预加压紧力，从而调整锥齿轮配合间的摩擦力，左压紧臂轴上部齿轮(34)与左导向臂轴齿轮(31)相啮合，左压紧臂轴下部齿轮(35)与凸轮推杆轴齿轮(32)相啮合，联轴器(24)下方连接步进电机(1)，可使得电机(1)通电后，三轴同时动作。

2)联动回转机构右侧结构

如图5所示右侧结构图中，右导向臂轴(28)布置有右导向臂(36)、右导向臂轴齿轮(37)、止推滑动轴承(13)及轴套(14)，其中右导向臂(36)及齿轮(37)靠键与轴连接；右压紧臂轴(29)布置有右压紧臂(38)、差速机构(3)、右压紧臂轴齿轮(39)、联轴器(24)、滑动止推轴承及轴套，其中右压紧臂轴端盖(23)内布置有弹簧调节机构，右压紧臂轴齿轮(39)与右导向臂轴齿轮(37)相啮合，联轴器(24)下方与步进电机(1)相连，电机通电后两轴可同时动作。

3、锁紧对接机构具体结构设计

锁紧对接机构包括工程塑料壳体(8)、回转限位部分(10)、棘轮机构(9)、脱出块(11)及螺杆螺母等，整体结构如图7、图8所示。螺杆将整体机构串联，从下向上分别为下壳体、回转限位部分(10)、棘轮机构(9)、上壳体及脱出块(11)。其中回转限位部分(10)、脱出块(11)可随轴同步回转；棘轮机构(9)由上壳体加工出的凹槽进行定位，不随轴回转，同时用于棘爪复位的高强度弹簧(41)置于棘爪(40)与上壳体之间的棘爪槽内，棘轮机构(9)可使得回转限位部分(10)在有驱动力的情况下进行单向回转。

4、这种实施方式的工作原理为：

1)机器人初入水

当装置通过支架与水下机器人连接被放入水中后，机器人处于图10所示状态，当前导向臂(16)外侧完全回收于机器人轮廓内侧，电动推杆(17)处于收缩状态，压紧臂(7)处于压紧状态，凸轮推杆(2)处于伸出状态。

2)机器人捕捉第一根带缆硬杆

当机器人靠近第一根目标硬杆(42)，步进电机(1)开始正转，联动回转机构开始动作至图11所示状态：导向臂(16)完全张开，压紧臂(7)张开，电动推杆(17)伸出，凸轮推杆(2)处于缩回位置。此刻机器人继续前进，目标硬杆在在导向臂(16)的作用下进入压紧臂(7)回转范围内，此时步进电机(1)开始反转，导向臂(16)开始收回，压紧臂(7)开始向内回转，同时凸轮推杆(2)向外推出；如图12所示，经过三维模型仿真，当压紧臂(7)将目标硬杆(42)压至锁紧对接机构回转限位部分(10)槽内时，凸轮推杆(2)恰好运动至硬杆(42)位置，此时导向臂(16)回收至1/2位置，步进电机(1)继续反转；由于压紧臂(7)无法继续向内回转，差速机构(3)内锥齿轮开始工作，将上下半轴的同步回转运动转化为锥齿轮间配合的回转运动，达到步进电机(1)正常工作下，压紧臂(7)维持现有位置不动的状态，直到导向臂(16)完全回收至图13所示状态，此时目标硬杆(42)也在凸轮推杆(2)的作用下，随回转限位部分(10)在锁紧对接机构内转动了近90°(如图14所示)，通过在目标硬杆(42)下方加工一块半径较大于回转限位部分(10)凹槽半径的硬物，即可达到锁紧目标硬杆的目的。

3)机器人捕捉第二根带缆硬杆及完成任务

机器人维持图13所示状态继续前行至靠近第二根目标硬杆(43)，重复第2步的过程。当捕捉完成后，锁紧对接机构内捕捉了两根硬杆，如图15所示，此时脱出块(11)随限位回转部分(10)转动180°来到限位筒(12)开槽位置，如图16所示，脱出块(11)可从开槽位置脱出，完成锁紧对接机构与限位筒(12)分离工作。

综上，本发明专利公开了一种用于水下机器人的带缆硬杆捕捉与连接装置，属于水下作业机器人装置领域，特别是涉及一种可应用于水下机器人，实现连续两次对水下的上部带有线缆的目标硬杆的捕捉，并实现目标硬杆连接的装置。该装置包括联动回转机构、锁紧对接机构、差速机构以及支架、限位筒、步进电机等辅助机构，其中联动回转机构包括导向臂、压紧臂及凸轮推杆等部分。该装置可通过联动回转机构实现对目标硬杆的大范围导向及捕捉，通过锁紧对接机构实现目标硬杆的连接，并通过差速机构实现单一驱动源下联动回转机构的顺序运动。该装置可对机器人前方112°开角范围内的水下目标硬杆进行有效捕捉，并完成对目标硬杆的锁紧、连接动作。该装置具有结构简单、捕捉范围大、适应环境广、可靠性高等优点。

Claims (2)

1.一种用于水下机器人的带缆硬杆捕捉与连接装置，其特征在于：限位筒、设置在限位筒内的锁紧对接机构、左右对称设置在限位筒两侧的两组支架、设置在每组支架上的联动回转机构，左侧联动回转机构和右侧联动回转机构均包括电机、通过联轴器与电机输出端连接的压紧臂轴，在左侧架体中设置有左压紧臂轴、凸轮推杆轴、左导向臂轴，左导向臂轴上设置有左导向臂、左导向臂轴齿轮，凸轮推杆轴上设置有凸轮推杆和凸轮推杆轴齿轮，左压紧臂轴上设置有左压紧臂、差速机构、左压紧臂轴上部齿轮、左压紧臂轴下部齿轮，左压紧臂轴上部齿轮与左导向臂轴齿轮啮合，左压紧臂轴下部齿轮与凸轮推杆轴齿轮啮合，在右侧架体中设置有右压紧臂轴和右导向臂轴，右导向臂轴上设置有右导向臂、右导向臂轴齿轮，右压紧臂轴上设置有右压紧臂、差速机构、右压紧臂轴齿轮，右压紧臂轴齿轮与右导向臂轴齿轮啮合，锁紧对接机构包括工程塑料壳体、回转限位部分、棘轮机构、脱出块及螺杆螺母，螺杆将整体机构串联，从下向上分别为下壳体、回转限位部分、棘轮机构、上壳体及脱出块，回转限位部分、脱出块可随轴同步回转；棘轮机构由上壳体加工出的凹槽进行定位，不随轴回转，用于棘爪复位的高强度弹簧置于棘爪与上壳体之间的棘爪槽内，棘轮机构使回转限位部分在有驱动力的情况下进行单向回转，两个导向臂中间设置有驱动展开的电动推杆。

2.根据权利要求1所述的一种用于水下机器人的带缆硬杆捕捉与连接装置，其特征在于：工作过程如下：

(1)机器人初入水

当装置通过支架与水下机器人连接被放入水中后，导向臂外侧完全回收于机器人轮廓内侧，电动推杆处于收缩状态，压紧臂处于压紧状态，凸轮推杆处于伸出状态；

(2)机器人捕捉第一根带缆硬杆

当机器人靠近第一根目标硬杆，步进电机开始正转：导向臂完全张开，压紧臂张开，电动推杆伸出，凸轮推杆处于缩回位置，此刻机器人继续前进，目标硬杆在导向臂的作用下进入压紧臂回转范围内，此时步进电机开始反转，导向臂开始收回，压紧臂开始向内回转，同时凸轮推杆向外推出，当压紧臂将目标硬杆压至锁紧对接机构回转限位部分槽内时，凸轮推杆恰好运动至硬杆位置，此时导向臂回收至1/2位置，步进电机继续反转；由于压紧臂无法继续向内回转，差速机构内锥齿轮开始工作，将上下半轴的同步回转运动转化为锥齿轮间配合的回转运动，达到步进电机正常工作下，压紧臂维持现有位置不动的状态，直到导向臂完全回收，此时目标硬杆也在凸轮推杆的作用下，随回转限位部分在锁紧对接机构内转动了近90°，通过在目标硬杆下方加工一块半径较大于回转限位部分凹槽半径的硬物，达到锁紧目标硬杆的目的；

(3)机器人捕捉第二根带缆硬杆及完成任务

机器人继续前行至靠近第二根目标硬杆，重复第2步的过程，当捕捉完成后，锁紧对接机构内捕捉了两根硬杆，此时脱出块随限位回转部分转动180°来到限位筒开槽位置，脱出块从开槽位置脱出，完成锁紧对接机构与限位筒分离工作。

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