CN113427499B - 用于auv水下回收抓取的仿花瓣机械爪以及回收系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪以及回收系统，属于AUV回收设备技术领域，机械爪包括尾仓单元、主瓣单元、主瓣驱动单元、副瓣单元、副瓣驱动单元和鳍条单元，尾仓单元的前部安装主瓣单元；相邻两主瓣单元之间安装副瓣单元，副瓣单元由多个平行四连杆机构构成，两副瓣单元在相邻两主瓣单元之间形成可收展的瓣面；主瓣驱动单元包括主瓣驱动部，主瓣驱动部与主瓣单元通过主瓣驱动杆连接；副瓣驱动单元安装在主瓣单元上，副瓣驱动单元具有副瓣驱动部，副瓣驱动部与副瓣单元通过副瓣驱动杆连接；主瓣单元固定鳍条单元。本机械爪可提高AUV回收的成功率和回收效率，节省存放和移动空间，且抓取动作更加稳定。

Description

用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪以及回收系统

技术领域

本发明属于AUV回收技术领域，尤其涉及一种用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪以及回收系统方法。

背景技术

自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)在水下工作一段时间后，受到续航能力、续航里程等限制，需要对其回收，进行能源补充、读取信息、软硬件检查和任务下载等工作。由于水上回收需要依赖于水面船只的支持，受海况影响较大，而且隐蔽性和安全性也不好；尤其是对于深海、远海作业的AUV，水面回收更是耗费大量人力、物力和财力。因此，为提升AUV的水下作业时间、工作效率并降低风险，开展快速、安全可靠的水下回收技术研究具有重要的工程与国防意义。

当前AUV水下回收方式多为被动对接式，其形状多为导向喇叭状，具有较高的回收成功率，但效率较低。为提升AUV水下回收效率，研究者们提出了基于机械臂的主动式回收技术，通过机械臂末端安装的机械手实现对AUV的抓取。但机械手抓取成功率较低，因此，研究一款具有高成功率可替代机械手的抓取装置则具有重要的现实意义。

自然界中的花瓣可自由张合，且许多种花的花瓣在完全展开后为导向喇叭状，如牵牛花、百合花、茉莉花等，为AUV水下回收抓取装置的设计提供了新思路。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决现有AUV回收装置成功率低、主动性差、效率低等问题的用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪以及回收系统。

本发明是这样实现的，一种用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：包括尾仓单元、主瓣单元、主瓣驱动单元、副瓣单元、副瓣驱动单和鳍条单元。

所述尾仓单元具有前部开口的AUV回收仓；所述尾仓单元的前部圆周方向均匀安装至少三个所述主瓣单元，所述主瓣单元与所述尾仓单元通过销轴铰接，所述主瓣单元在所述尾仓单元的前方构成可开合的花瓣形构造；相邻两所述主瓣单元之间安装所述副瓣单元，所述副瓣单元由多个平行四连杆机构构成，两副瓣单元在相邻两所述主瓣单元之间形成可收展的瓣面；所述主瓣驱动单元安装在所述尾仓单元上，所述主瓣驱动单元包括可沿所述尾仓单元轴向活移的主瓣驱动部，所述主瓣驱动部与所述主瓣单元通过主瓣驱动杆连接；所述副瓣驱动单元安装在所述主瓣单元上，所述副瓣驱动单元具有沿主瓣单元长度方向延伸的副瓣驱动部，所述副瓣驱动部与所述副瓣单元通过副瓣驱动杆连接；所述主瓣单元固定鳍条单元。

在上述技术方案中，优选的，所述尾仓单元包括自前至后依次连接的AUV回收仓、缓冲网和驱动仓，所述主瓣驱动单元安装在所述驱动仓中。

在上述技术方案中，优选的，所述尾仓单元的AUV回收仓前端外壁圆周均布四个立式轴承座，所述主瓣单元的端部固定光轴支撑座，立式轴承座和光轴支撑座通过轴杆和套装在轴杆上的轴承连接。

在上述技术方案中，优选的，所述副瓣单元包括三根与主瓣单元铰接的横杆和两根铰接于横杆之间的竖杆；两相邻的所述主瓣单元对称设置两副瓣单元，两副瓣单元的横杆端部连接；所述竖杆为向外侧弯曲的弧形杆，令两副瓣单元在相邻两主瓣单元之间形成向外扩的喇叭口形状瓣面。

在上述技术方案中，优选的，同一瓣面的两所述副瓣单元的横杆端部通过副瓣连接装置连接，所述副瓣连接装置包含连接销和连接槽，连接槽安装于横杆的端部且与所述连接销连接，所述连接销和连接槽的上侧和外侧边设有导向斜面。

在上述技术方案中，优选的，所述横杆的端部与所述主瓣单元的侧部通过销轴铰接。

在上述技术方案中，优选的，所述鳍条单元包含柔性鳍条、鳍条安装架和鳍条支撑板，四个鳍条单元一一安装在四个主瓣单元内侧，其中两个鳍条单元对称安装在主瓣单元前端部，另外两个鳍条单元对称安装在另外主瓣单元的中间部位；所述鳍条支撑板与主瓣单元固连，所述鳍条安装架与鳍条支撑板固连，所述柔性鳍条以包裹的方式安装在鳍条连接架上，所述柔性鳍条内侧由倾斜且角度递增的肋条支撑。

在上述技术方案中，优选的，所述尾仓单元的驱动仓中固定主瓣驱动安装架，所述主瓣驱动单元为固定在所述主瓣驱动安装架上的主瓣驱动液压缸，所述主瓣驱动部为主瓣驱动液压缸的缸杆，所述主瓣驱动液压缸的缸杆端部安装液压托盘，所述液压托盘包括与主瓣驱动液压缸的缸杆固定的径向架杆以及与所述径向架杆连接的位于所述驱动仓外侧的环形架杆，所述驱动仓的外部设有与所述径向架杆对应且令径向架杆通过的轴向开槽。

在上述技术方案中，优选的，副瓣驱动单元包括安装在主瓣单元上的副瓣驱动液压缸以及滑块平台，所述副瓣驱动部为副瓣驱动液压缸的缸杆，所述滑块平台通过沿主瓣单元长度方向滑道的轨道配装在所述主瓣单元上，所述滑块平台与所述副瓣驱动液压缸的缸杆连接，所述滑块平台与所述副瓣驱动杆连接的端部铰接。

本发明的另一目的，提出一种AUV水下回收系统，其特征在于：包括机械臂、传感器和控制器，所述机械臂安装上述机械爪，所述传感器用于检测AUV水下动作信息，所述控制器用于接收传感器的信息并根据信息对所述机械臂和机械爪发出动作指令信息。

本发明的有益效果在于：

1.本发明仿花瓣开合动作，主瓣单元展开，副瓣单元展开并相互连接，副瓣单元中的竖杆带有向花瓣外侧弯曲的弧度，装置完全打开后形成喇叭状的包络空间，易于AUV导向进入，提高AUV回收的成功率。

2.本发明可安装于水下机械臂上，通过机械臂动作，驱动本发明装置根据AUV的运动状态和位姿在空间中移动和转动，实现水下主动对接，提高AUV水下回收的成功率、主动性和回收效率。

3.本发明通过主瓣单元、副瓣单元的张合动作，对AUV进行收回和布放。在准备抓取AUV时机械爪展开，非工作状态和抓取成功后机械爪为收回状态，收回状态下机械爪存放和移动都更节省空间。

4.本发明中采用鳍条与AUV直接接触进行抓取，鳍条采用柔性材料，结构具有鳍条效应，在抓取时，鳍条受压自适应变形，包裹住AUV，使抓取更牢固，同时不损伤AUV表面。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是本发明的尾仓单元结构示意图；

图3a和图3b是本发明中主瓣单元、副瓣单元和副瓣驱动单元的结构示意图；

图4是本发明中副瓣连接机构的结构示意图；

图5a和图5b是本发明中主瓣单元与尾仓单元的连接结构示意图；

图6是本发明中副瓣单元与主瓣单元的连接结构示意图；

图7是本发明中鳍条单元的结构示意图；

图8a和图8b是本发明回收AUV过程示意图。

图中、1、尾仓单元；1-1、AUV回收仓；1-2、缓冲网；1-3、驱动仓；2、主瓣单元；3、主瓣驱动单元；4、副瓣单元；4-1、上横杆；4-2、中间横杆；4-3、下横杆；4-4、上竖杆；4-5、下竖杆；5、副瓣驱动单元；5-1、副瓣驱动液压缸；5-2、滑块平台；6、鳍条单元；6-1、柔性鳍条；6-2、鳍条安装架；6-3、鳍条支撑板；7、立式轴承座；8、光轴支撑座；9、轴杆；10、主瓣驱动杆；11、主瓣驱动安装架；12、液压托盘；13、副瓣安装座；14、光轴支撑座；15、异形轴承座；16、销轴；17、轴套；18、圆螺母；19、副瓣连接装置；19-1、连接销；19-2、连接槽；20、副瓣驱动杆。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决现有AUV回收装置成功率低、主动性差、效率低等问题，本发明特提供一种用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪以及回收系统，本机械爪可提高AUV回收的成功率和回收效率，节省存放和移动空间，且抓取动作更加稳定。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：

实施例一

请参阅图1，一种用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，包括尾仓单元1、主瓣单元2、主瓣驱动单元3、副瓣单元4、副瓣驱动单元5和鳍条单元6。

请参阅图2，尾仓单元1具有前部开口的AUV回收仓1-1，AUV回收仓1-1用于收纳回收AUV。尾仓单元1的前部圆周方向均匀安装至少三个所述主瓣单元2，主瓣单元2与尾仓单元1通过销轴铰接，主瓣单元2在尾仓单元1的前方构成可开合的花瓣形构造。

本实施例中，尾仓单元1包括自前至后依次连接的AUV回收仓1-1、缓冲网1-2和驱动仓1-3，主瓣驱动单元3安装在驱动仓1-3中。具体的，尾仓单元1的整体外形为圆柱状，AUV回收仓1-1、缓冲网1-2和驱动仓1-3通过法兰连接，AUV回收仓1-1设置于最前端，缓冲网1-2设置于中间位置，驱动仓1-3设置于后端。AUV回收仓1-1的前部开口是AUV的进出口，AUV回收仓前部为带有弧度的喇叭状，易于导向AUV进入。尾仓单元1的中段为两端具有法兰盘的独立筒节，此筒节两端部分别通过法兰连接AUV回收仓1-1和驱动仓1-3，此筒节的筒壁圆周方向打孔洞，绳索穿过孔洞编成缓冲网1-2。

请参阅图3a和3b，主瓣单元2是宽度与尾仓单元1的轴向垂直的矩形框平面框架构造。

请参阅图5a和5b，尾仓单元1的AUV回收仓1-1前端外壁圆周均布四个立式轴承座7，主瓣单元2的端部固定光轴支撑座8，立式轴承座7和光轴支撑8座通过轴杆9和套装在轴杆9上的轴承连接，具体的，即在AUV回收仓1-1的外壁靠近前端位置加工有四个小平台，用于固定立式轴承座7。轴杆9与立式轴承座7中的轴承内圈过盈配合，同时轴杆9与光轴支撑座8过盈配合，轴套套在轴杆9上，放置在立式轴承座7和光轴支撑座8中间，分别抵住立式轴承座7和光轴支撑座8，起轴向定位作用，圆螺母安装在轴杆的另一端起轴向定位作用。

请参阅图2，主瓣驱动单元3安装在尾仓单元1上。主瓣驱动单元3包括可沿尾仓单元轴向活移的主瓣驱动部，主瓣驱动部与主瓣单元2通过主瓣驱动杆10连接。本实施例中，尾仓单元1的驱动仓1-3中固定主瓣驱动安装架11，主瓣驱动安装架11与驱动仓1-3内壁通过螺栓连接。主瓣驱动单元3为固定在主瓣驱动安装架11上的主瓣驱动液压缸，主瓣驱动液压缸的缸体固定在主瓣驱动安装架11上。主瓣驱动部为主瓣驱动液压缸的缸杆，主瓣驱动液压缸的缸杆端部安装液压托盘12。液压托盘12包括与主瓣驱动液压缸的缸杆固定的径向架杆以及与径向架杆连接的位于驱动仓1-3外侧的环形架杆。驱动仓1-3的外部设有与径向架杆对应且令径向架杆通过的轴向开槽。在主瓣驱动液压缸的驱动作用下环形架杆沿轴向开槽活移。

主瓣驱动杆10为弧形杆，其一端通过销轴与液压托盘12的环形架杆铰接，其另一端与主瓣驱动单元3铰接，液压托盘12的活移可通过主瓣驱动杆10带动主瓣单元2绕其与尾仓单元1的铰接点翻转，以此实现主瓣单元2以花瓣的形式开合。

请参阅图3a和3b相邻两主瓣单元2之间安装副瓣单元4，副瓣单元4由多个平行四连杆机构构成，相邻两主瓣单元2之间以中线分隔成两副瓣单元4，两副瓣单元4在相邻两主瓣单元2之间形成可收展的瓣面。具体的，副瓣单元4包括三根与主瓣单元2铰接的横杆和两根铰接于横杆之间的竖杆，铰接轴与平行四连杆所处平面垂直，且三根横杆平行。具体的，副瓣单元4由上横杆4-1、中间横杆4-2、下横杆4-3、上竖杆4-4、下竖杆4-5组成，上横杆4-1、中间横杆4-2和下横杆4-3从上到下分布式等距与主瓣单元2铰接，上竖杆4-4两端分别与上横杆4-1和中间横杆4-2连接形成平行四连杆机构，下竖杆4-5两端分别与中间横杆4-2和下横杆4-3铰接形成平行四连杆机构。

请参阅图6，两相邻的主瓣单元2对称设置两副瓣单元4，两副瓣单元4的横杆端部连接，即对称的两横杆端部连接，横杆的另一端部与主瓣单元2的侧部通过销轴铰接，具体的，主瓣单元2通过螺栓固定副瓣安装座13，光轴支撑座14与副瓣安装座13通过螺栓连接，横杆与异形轴承座15连接，销轴16与异形轴承座15中的轴承内圈过盈配合，同时销轴16与光轴支撑座14过盈配合，轴套17套在销轴16上，放置在异形轴承座15和光轴支撑座14中间，圆螺母18安装在轴的另一端起轴向定位作用。

竖杆为向外侧弯曲的弧形杆，令两副瓣单元4在相邻两主瓣单元2之间形成向外扩的喇叭口形状瓣面。

请参阅图4，同一瓣面的两副瓣单元4的横杆端部通过副瓣连接装置19连接，副瓣连接装置19包含连接销19-1和连接槽19-2，连接槽19-2安装于横杆的端部且与连接销19-1连接，连接销19-1和连接槽19-2的上侧和外侧边设有导向斜面，增强副瓣单元连接的容错性。

副瓣驱动单元5安装在主瓣单元2上，副瓣驱动单元5具有沿主瓣单元长度方向延伸的副瓣驱动部。副瓣驱动部与副瓣单元4通过副瓣驱动杆20连接。具体的，副瓣驱动单元5包括安装在主瓣单元2上的副瓣驱动液压缸5-1以及滑块平台5-2，副瓣驱动部为副瓣驱动液压缸5-1的缸杆，滑块平台5-2通过沿主瓣单元2长度方向滑道的轨道配装在所述主瓣单元2上，滑块平台5-2与副瓣驱动液压缸5-1的缸杆连接，滑块平台5-2与副瓣驱动杆20连接的端部铰接，实现副瓣单元4驱动功能。

请参阅图7，主瓣单元2固定鳍条单元6。鳍条单元6包含柔性鳍条6-1、鳍条安装架6-2和鳍条支撑板6-3，四个鳍条单元6一一安装在四个主瓣单元2内侧，其中两个鳍条单元6对称安装在主瓣单元2前端部，另外两个鳍条单元6对称安装在另外主瓣单元2的中间部位。鳍条支撑板6-3与主瓣单元2固连，鳍条安装架6-2与鳍条支撑板6-3固连，柔性鳍条6-1以包裹的方式安装在鳍条连接架6-2上，柔性鳍条6-1内侧由倾斜且角度递增的肋条支撑。改变鳍条安装架6-2的尺寸可以使本装置适用于一定范围内不同直径的AUV回收工作。

利用本机械爪收回AUV过程：

请参阅图8a和8b，本装置准备抓取AUV时。主瓣驱动单元3工作，主瓣驱动液压缸的缸杆回缩，驱动液压托盘12向后活移，通过四个主瓣驱动杆10驱动四个主瓣单元2展开。之后四个副瓣驱动单元5工作，副瓣驱动液压缸5-1的缸杆伸出，驱动滑块平台5-2向上滑动，通过副瓣驱动杆20推动副瓣单元的中间横杆4-2抬起，通过上竖杆4-4和下竖杆4-5使上横杆4-1和下横杆4-3同步抬起，抬起过程中到达预定角度后相邻副瓣单元4通过副瓣连接装置19连接，展开过程结束，形成喇叭状导向空间，等待AUV进入。

如图所示，抓取AUV时，与本装置连接的机械臂驱动本装置空间移动和转动，主动与AUV对接，当AUV成功进入喇叭状导向空间后，开始抓取。首先是副瓣驱动单元5工作，副瓣驱动液压缸5-1的缸杆收回，通过驱动滑块平台5-2下移，副瓣驱动杆20将副瓣单元4拉回合并状态。之后主瓣驱动单元3工作，主瓣驱动液压缸的缸杆推出，带动液压托盘12向上进给，通过四个主瓣驱动杆10推动主瓣单元2内收合拢。由于副瓣单元4和主瓣单元2合闭需要一定时间，所以AUV继续向里移动，当AUV到达AUV回收仓1-1被阻拦网1-2阻拦时，刚好主瓣单元2完全闭合，柔性鳍条6-1与AUV接触，柔性鳍条自适应变形，包裹住AUV，抓取完成。

再通过与本装置连接的机械臂驱动，将捕获的AUV放置到指定位置并释放，完成整个AUV收回工作。

实施例二

一种AUV水下回收系统，包括机械臂、传感器和控制器，所述机械臂安装上述机械爪，所述传感器用于检测AUV水下动作信息，所述控制器用于接收传感器的信息并根据信息对所述机械臂和机械爪发出动作指令信息。本实施例中，传感器包括检测AUV的位置、姿态和速度的传感器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：包括尾仓单元、主瓣单元、主瓣驱动单元、副瓣单元、副瓣驱动单元和鳍条单元；

所述尾仓单元具有前部开口的AUV回收仓；所述尾仓单元的前部圆周方向均匀安装至少三个所述主瓣单元，所述主瓣单元与所述尾仓单元通过销轴铰接，所述主瓣单元在所述尾仓单元的前方构成可开合的花瓣形构造；相邻两所述主瓣单元之间安装所述副瓣单元，所述副瓣单元由多个平行四连杆机构构成，两副瓣单元在相邻两所述主瓣单元之间形成可收展的瓣面；所述主瓣驱动单元安装在所述尾仓单元上，所述主瓣驱动单元包括可沿所述尾仓单元轴向活移的主瓣驱动部，所述主瓣驱动部与所述主瓣单元通过主瓣驱动杆连接；所述副瓣驱动单元安装在所述主瓣单元上，所述副瓣驱动单元具有沿主瓣单元长度方向延伸的副瓣驱动部，所述副瓣驱动部与所述副瓣单元通过副瓣驱动杆连接；所述主瓣单元固定鳍条单元；

所述鳍条单元包含柔性鳍条、鳍条安装架和鳍条支撑板，四个鳍条单元一一安装在四个主瓣单元内侧，其中两个鳍条单元对称安装在主瓣单元前端部，另外两个鳍条单元对称安装在另外主瓣单元的中间部位；所述鳍条支撑板与主瓣单元固连，所述鳍条安装架与鳍条支撑板固连，所述柔性鳍条以包裹的方式安装在鳍条连接架上，所述柔性鳍条内侧由倾斜且角度递增的肋条支撑。

2.根据权利要求1所述的用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：所述尾仓单元包括自前至后依次连接的AUV回收仓、缓冲网和驱动仓，所述主瓣驱动单元安装在所述驱动仓中。

3.根据权利要求1所述的用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：所述尾仓单元的AUV回收仓前端外壁圆周均布四个立式轴承座，所述主瓣单元的端部固定光轴支撑座，立式轴承座和光轴支撑座通过轴杆和套装在轴杆上的轴承连接。

4.根据权利要求1所述的用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：所述副瓣单元包括三根与主瓣单元铰接的横杆和两根铰接于横杆之间的竖杆；两相邻的所述主瓣单元对称设置两副瓣单元，两副瓣单元的横杆端部连接；所述竖杆为向外侧弯曲的弧形杆，令两副瓣单元在相邻两主瓣单元之间形成向外扩的喇叭口形状瓣面。

5.根据权利要求4所述的用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：同一瓣面的两所述副瓣单元的横杆端部通过副瓣连接装置连接，所述副瓣连接装置包含连接销和连接槽，连接槽安装于横杆的端部且与所述连接销连接，所述连接销和连接槽的上侧和外侧边设有导向斜面。

6.根据权利要求4所述的用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：所述横杆的端部与所述主瓣单元的侧部通过销轴铰接。

7.根据权利要求2所述的用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：所述尾仓单元的驱动仓中固定主瓣驱动安装架，所述主瓣驱动单元为固定在所述主瓣驱动安装架上的主瓣驱动液压缸，所述主瓣驱动部为主瓣驱动液压缸的缸杆，所述主瓣驱动液压缸的缸杆端部安装液压托盘，所述液压托盘包括与主瓣驱动液压缸的缸杆固定的径向架杆以及与所述径向架杆连接的位于所述驱动仓外侧的环形架杆，所述驱动仓的外部设有与所述径向架杆对应且令径向架杆通过的轴向开槽。

8.根据权利要求1所述的用于AUV水下回收抓取的仿花瓣机械爪，其特征在于：副瓣驱动单元包括安装在主瓣单元上的副瓣驱动液压缸以及滑块平台，所述副瓣驱动部为副瓣驱动液压缸的缸杆，所述滑块平台通过沿主瓣单元长度方向滑道的轨道配装在所述主瓣单元上，所述滑块平台与所述副瓣驱动液压缸的缸杆连接，所述滑块平台与所述副瓣驱动杆连接的端部铰接。

9.一种AUV水下回收系统，其特征在于：包括机械臂、传感器和控制器，所述机械臂安装权利要求1-8任一所述机械爪，所述传感器用于检测AUV水下动作信息，所述控制器用于接收传感器的信息并根据信息对所述机械臂和机械爪发出动作指令信息。

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