CN112937804A - 用于auv接驳的柔性接驳基站以及柔性接驳方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于AUV接驳的柔性接驳基站以及柔性接驳方法，属于水下航行器设备技术领域。包括基站板、设置在基站板边缘的视觉单元和布置在基站板上的至少三个接驳单元；接驳单元设有依次连接的至少三个柱状的弯曲模块，形成用于接驳AUV的机械臂，弯曲模块由柔性材料制作，且内设有若干用于充液以使弯曲模块变形的液腔；当视觉单元检测到AUV时，向各弯曲模块的液腔内充液，使接驳单元各自向外形成接驳口；AUV进入接驳口后，各弯曲模块改变充液液腔的充液量，使接驳单元向内对AUV进行锁紧。整个接驳基站结构简单，易于操作。

Description

用于AUV接驳的柔性接驳基站以及柔性接驳方法

技术领域

本发明涉及水下航行器设备技术领域，具体地说，涉及一种用于AUV接驳的柔性接驳基站以及柔性接驳方法。

背景技术

随着科技的发展，人们对水下机器人的使用需求日益增加，其涉及领域包括水下观测与监测、水下救援、考古、石油管道作业以及军事排雷等多个方面。我们国家共有9万多座大坝，其中深度超过15米的大坝就有2万多座，深度超过30米的有3000多座。这些大坝多建于江河渠道，用于抬高水位来形成水库与江堰。由于许多大坝已经建设多年，坝体随着水体的冲刷容易出现冲蚀、裂缝以及结构变形等老化问题，具有极大的安全隐患，需要进行定期检测与修复。此外，水库中的蓄水常用于养殖以及生活用水供给，需要长期对水质进行数据采集、监测与分析。根据这些需求，人们开始采用水下机器人巡检的方式来完成相关工作。

水下机器人主要分为两大类：一类是有缆水下机器人，习惯称为遥控潜器(RemoteOperated Vehicle，简称ROV)；另一类是无缆水下机器人，习惯称为自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle，简称AUV)。

AUV是一种海洋移动观测平台，它无缆且不需要人为操作，能够自主航行进入海底观测网络无法布放的区域进行观测，具有活动范围大、机动性好、安全、智能化等优点，成为完成各种水下任务的重要工具。然而，AUV通常由蓄电池供电，因此携带的能源十分有限，无法长期持续性地进行水下观测。为了提高AUV的水下观测时长，国内外科研单位开始研究AUV接驳技术，即通过海底接驳基站对AUV进行自主导引、回收与锁紧，并对接驳基站内的AUV进行充电与数据回收。

目前，AUV接驳基站多为具有锥状导引入口的坐底式结构，其优点在于能降低AUV末端对接精度要求，但是基站入口的刚性结构会在接驳碰撞过程中对AUV艏部造成损伤。除此之外，坐底式接驳基站的体积与重量大，仅能在海底固定节点布放使用，限制了接驳技术的应用场景。

刚性接驳机构的固有缺陷制约了AUV动态回收技术在海洋环境中长期可靠的应用，成为子、母水下航行器进行交会对接的主要技术瓶颈，因此，探索质量轻盈、形态与刚度可调，以及能够柔顺接触与锁紧AUV的接驳机构至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于AUV接驳的柔性接驳基站以及柔性接驳方法，可以实现柔性接触与锁紧，重量轻，形态可以调节，便于在水下移动节点搭载使用。

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供的用于AUV接驳的柔性接驳基站包括基站板、设置在所述基站板边缘的视觉单元和布置在所述基站板上的至少三个接驳单元；

所述接驳单元设有依次连接的至少三个柱状的弯曲模块，形成用于接驳AUV的机械臂，所述弯曲模块由柔性材料制作，且内设有若干用于充液以使弯曲模块变形的液腔；

当视觉单元检测到AUV时，向各弯曲模块的液腔内充液，使接驳单元各自向外形成接驳口；AUV进入接驳口后，各弯曲模块改变充液液腔的充液量，使接驳单元向内对AUV进行锁紧。

上述技术方案中，通过向弯曲模块的液腔内充液形成液体压力，使弯曲模块完成弯曲变形，由接驳导引口变形成为锁紧框，实现对AUV的柔性接驳。整个接驳基站结构简单，易于操作。

可选地，在一个实施例中，所述的接驳单元包括依次连接的第一弯曲模块、第二弯曲模块和第三弯曲模块；

所述第一弯曲模块和第三弯曲模块内设有三个沿弯曲模块的中心轴对称的液腔，所述第二弯曲模块内设有两个对称的液腔。

可选地，在一个实施例中，所有接驳单元及其对应的弯曲模块内的液腔均呈中心对称布置。

可选地，在一个实施例中，所述的弯曲模块内设有供充液管道通过的通道。

可选地，在一个实施例中，所述的弯曲模块之间通过连接模块固连，所述连接模块包括第一连接块、第二连接块、第三连接块和第四连接块；所述第一连接块与所述第四连接块构成第一连接环，所述第二连接块与所述第三连接块构成第二连接环；两连接环固定，连接环上设有用于固定所述弯曲模块的固定机构。

可选地，在一个实施例中，所述的弯曲模块表面设有若干便于变形的凸沿；所述固定机构为设置在所述连接环上的卡槽；位于弯曲模块端部的凹槽与所述凸沿配合固定。

可选地，在一个实施例中，所述的第一连接块与第四连接块之间的连接缝和所述第二连接块与第三连接块之间的连接缝错位布置，两连接环通过螺栓连接。

可选地，在一个实施例中，所述的视觉单元包括摄像头和用于安装摄像头且内外设置的两U型板连接，外U型板与内U型板之间可调连接，所述摄像头固定在所述内U型板上。

可选地，在一个实施例中，所述的弯曲模块采用橡胶制作。

第二方面，本发明提供的柔性接驳方法，包括以下步骤：

1)视觉模块检测到AUV时，在各接驳单元的第一弯曲模块和第三弯曲模块位于外侧的液腔内充入液体，机械臂对称地朝远离对称中心的方向弯曲，形成锥状导引入口；

2)若检测到AUV轴线偏离锥状导引入口轴线的径向距离，改变相应位置的液腔的液体压力，将机械臂朝AUV轴线方向偏移；

3)当AUV进入接驳基站的工作范围时，在各接驳单元的第二弯曲模块位于外侧的液腔内充入液体，朝向AUV轴线方向大角度弯曲，使得第三弯曲模块近似地在一个平面，第三弯曲模块在平面内通过给不同液腔的弯曲充入不同的液体压力使彼此首尾连接形成一个框；

4)随着AUV的入坞，在各接驳单元的第一弯曲模块位于外侧的液腔充入液体同时朝向AUV轴线缓慢弯曲，使得第三弯曲模块形成的框随着AUV的入坞越来越小，直到柔性锁紧AUV，完成接驳。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

本发明中的柔性接驳站具备重量轻、形态与刚度可调，以及能够柔性接触与锁紧AUV的优点，便于在水下移动节点搭载使用。

附图说明

图1为本发明实施例中柔性接驳基站的结构示意图；

图2为本发明实施例中弯曲模块的液腔分布图，其中(a)为第一弯曲模块的液腔分布图，(b)为第二弯曲模块的液腔分布图，(c)为第三弯曲模块的液腔分布图；

图3为本发明实施例中连接模块的结构示意图；

图4为本发明实施例中柔性接驳基站的接驳过程中姿态变化图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

参见图1和图2，本实施例中用于AUV接驳的柔性接驳基站包括：基站板5、视觉单元和安装在基站板5上的三个软体机器人

(即接驳单元)，每个软体机器人由三个弯曲模块串联而成，第一弯曲模块4设置在基站板5上，第二弯曲模块3通过连接模块2与第三弯曲模块1和第一弯曲模块4相连接。

视觉单元包括摄像头8以及用于安装摄像头8的外U型板7和内U型板6，外U型板7与内U型板6之间可调连接，摄像头8固定在内U型板6上，外U型板7通过螺钉固定在基站板5上。

各弯曲模块均采用硅橡胶制作，第一弯曲模块4和第三弯曲模块1均设有三个液腔，第一弯曲模块4的三个液腔分别为A、B和C，第三弯曲模块的三个液腔分别为M、N和K，当给A或M液腔充入液体压力后，第一弯曲模块4和第三弯曲模块1向基站5轴线的方向弯曲。第二弯曲模块3有两个液腔E和F，当给E液腔充入足够的液体压力的时候，第二弯曲模块3可以向基站5轴线方向弯曲90°，可以使所有第三弯曲模块1在一个平面内。

本实施例中，所有弯曲模块内设有供充液管道通过的通道9。第二弯曲模块3和第三弯曲模块1中的管路通过第一弯曲模块4的通道9与各自液腔连接。

参见图3，本实施例中，连接模块2由相同的连接块连接而成，包括第一连接块2-1、第二连接块2-2、第三连接块2-4和第四连接块2-3；第一连接块2-1与第四连接块2-3构成第一连接环，第二连接块2-2与第三连接块2-4构成第二连接环；两连接环固定，连接环上设有用于固定所述弯曲模块的固定机构。弯曲模块表面设有若干便于变形的凸沿；固定机构为设置在连接环上的卡槽；位于弯曲模块端部的凹槽与凸沿配合固定。

参见图4，利用上述柔性接驳基站实现用于AUV接驳的柔性接驳方法，包括以下步骤：

步骤1：在视觉检测到AUV的时候，第一弯曲模块A腔和第三弯曲模块M腔充入液体压力，软体机器人对称地朝远离基站板轴线的方向弯曲，形成锥状导引入口；

步骤2：根据摄像头检测到AUV轴线偏离基站板轴线的径向距离，改变相应位置的液腔的液体压力，将软体机器人朝AUV轴线方向偏移；

步骤3：当AUV进入软体机器人工作范围时候，第二弯曲模块3的E腔充入足够大的液体压力，朝向AUV轴线方向大角度弯曲，使得三个第三弯曲模块1能够近似地在一个平面，三个第三弯曲模块1在平面内通过给不同液腔的弯曲充入不同的液体压力可以彼此首尾连接形成一个框；

步骤4：随着AUV的入坞，第一弯曲模块4的A液腔充入液体压力同时朝向AUV轴线缓慢弯曲，使得三个第三弯曲模块1形成的框可以随着AUV的入坞越来越小，直到柔性锁紧AUV，完成接驳。

Claims (10)

1.一种用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，包括基站板、设置在所述基站板边缘的视觉单元和布置在所述基站板上的至少三个接驳单元；

所述接驳单元设有依次连接的至少三个柱状的弯曲模块，形成用于接驳AUV的机械臂，所述弯曲模块由柔性材料制作，且内设有若干用于充液以使弯曲模块变形的液腔；

当视觉单元检测到AUV时，向各弯曲模块的液腔内充液，使接驳单元各自向外形成接驳口；AUV进入接驳口后，各弯曲模块改变充液液腔的充液量，使接驳单元向内对AUV进行锁紧。

2.根据权利要求1所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，所述的接驳单元包括依次连接的第一弯曲模块、第二弯曲模块和第三弯曲模块；

所述第一弯曲模块和第三弯曲模块内设有三个沿弯曲模块的中心轴对称的液腔，所述第二弯曲模块内设有两个对称的液腔。

3.根据权利要求2所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，所有接驳单元及其对应的弯曲模块内的液腔均呈中心对称布置。

4.根据权利要求1所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，所述的弯曲模块内设有供充液管道通过的通道。

5.根据权利要求1所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，所述的弯曲模块之间通过连接模块固连，所述连接模块包括第一连接块、第二连接块、第三连接块和第四连接块；所述第一连接块与所述第四连接块构成第一连接环，所述第二连接块与所述第三连接块构成第二连接环；两连接环固定，连接环上设有用于固定所述弯曲模块的固定机构。

6.根据权利要求5所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，所述的弯曲模块表面设有若干便于变形的凸沿；所述固定机构为设置在所述连接环上的卡槽；位于弯曲模块端部的凹槽与所述凸沿配合固定。

7.根据权利要求5所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，所述的第一连接块与第四连接块之间的连接缝和所述第二连接块与第三连接块之间的连接缝错位布置，两连接环通过螺栓连接。

8.根据权利要求1所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，所述的视觉单元包括摄像头和用于安装摄像头且内外设置的两U型板连接，外U型板与内U型板之间可调连接，所述摄像头固定在所述内U型板上。

9.根据权利要求1所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站，其特征在于，所述的弯曲模块采用橡胶制作。

10.一种柔性接驳方法，其特征在于，基于权利要求2～9任一权利要求所述的用于AUV接驳的柔性接驳基站实现，包括以下步骤：

1)视觉模块检测到AUV时，在各接驳单元的第一弯曲模块和第三弯曲模块位于外侧的液腔内充入液体，机械臂对称地朝远离对称中心的方向弯曲，形成锥状导引入口；

2)若检测到AUV轴线偏离锥状导引入口轴线的径向距离，改变相应位置的液腔的液体压力，将机械臂朝AUV轴线方向偏移；

3)当AUV进入接驳基站的工作范围时，在各接驳单元的第二弯曲模块位于外侧的液腔内充入液体，朝向AUV轴线方向大角度弯曲，使得第三弯曲模块近似地在一个平面，第三弯曲模块在平面内通过给不同液腔的弯曲充入不同的液体压力使彼此首尾连接形成一个框；

4)随着AUV的入坞，在各接驳单元的第一弯曲模块位于外侧的液腔充入液体同时朝向AUV轴线缓慢弯曲，使得第三弯曲模块形成的框随着AUV的入坞越来越小，直到柔性锁紧AUV，完成接驳。

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