CN114475976B - 一种智能化船用可移动救生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种智能化船用可移动救生装置及其使用方法，包括U型导轨、滑块、固定装置、机械臂系统、机械爪系统及控制系统，其机械爪系统包括柔性机械爪、吸盘形凸起、第一防水摄像探头及红外热传感器，通过环绕抓取、吸附能实现对目标物的快速缠绕，具有高灵活性、高适应性的特点；其中U型导轨安装在船体的外部，在所述U型导轨内和滑块配合组装，以此实现了机械臂单元在船体上的灵活移动，可根据作业需要在船体移动装置组织全方位救援、打捞行动，有效扩大作业范围。本发明通过采用柔性机械爪结构，相比于传统的机械爪能实现对目标物的快速缠绕，适用于不同的目标对象，能有效提高救援效率和救援作业的灵活性。

Description

一种智能化船用可移动救生装置

技术领域

本发明涉及水上救生技术领域，具体涉及一种智能化船用可移动救生装置。

背景技术

我国国土面积幅员辽阔，是一个海陆兼备的国家，其中拥有299.7万平方公里海洋面积。随着经济的发展，近几年出海船只游客落水事件不断地发生，在现有的水上救援装置中，主要通过人工救援来进行对溺水者的打捞抢救，这不但需要耗费大量的人力，且在调用救生艇等过程中耗时较长，易拖延救援时间。

在专利CN109397280A公开了一种船载机械手臂，可在针对游客意外落水的紧急情况时，利用机械爪的抓取单元展开救援工作，但其设置于机械爪上的救援网兜在面临多位溺水人员救援时，需要反复调整网兜开合，操作不便，且固定于船体上的机械手臂在一定程度上限制了船体作业的灵活性，需不断调整船体位置以适应救援作业需求，易造成救援延误。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种利用柔性机械爪配合溺水紧急救援、满足救援灵活性需求，提高工作效率的智能化船用可移动救生装置。

本发明为解决上述技术问题采用的技术方案如下：

一种智能化船用可移动救生装置，包括船体、固定装置、机械臂系统、机械爪系统及控制系统，所述固定装置设置于所述船体上，所述机械臂系统与所述固定装置铰接，所述机械爪系统与所述机械臂系统铰接；所述机械爪系统包括柔性机械爪、吸盘形凸起、第一防水摄像探头及红外热传感器；所述控制系统包括主控制机、驱动装置及控制器，所述主控制机与第一防水摄像探头、红外热传感器、控制器相连接，所述驱动装置连接固定装置、机械臂系统和机械爪系统，所述主控制机通过控制器控制驱动装置，进行救援行动。

优选的，所述柔性机械爪模仿章鱼触手形状，为不规则长条圆锥状，采用柔性材料制成，其内部设有弹性纤维棒和柔性波纹管，所述柔性波纹管的数量至少为8个，沿弹性纤维棒轴向套装，各柔性波纹管的波纹处分布有若干气孔，所述弹性纤维棒与柔性机械爪的两端铰接。当进行目标抓取时，主控制机通过控制器传送指令，控制弹性纤维棒弯向目标的具体部位，期间所述柔性波纹管压缩其内部空气使柔性机械爪向目标弯曲，当接触到目标时，所述弹性纤维棒做出环绕目标动作，实现抓取；同时所述柔性机械爪表面的吸盘形凸起启动吸附，以增加抓取动作的稳定程度。

优选的，所述吸盘形凸起设置于所述柔性机械爪的下侧表面，沿柔性机械爪轴向均匀分布有两列；所述吸盘形凸起由硅胶材料制成，呈碗装结构，在吸盘形凸起根部侧壁上固定嵌设有电磁阀，所述电磁阀的一端延伸至吸盘形凸起内，另一端与主控制机连接；所述柔性机械爪和第三机械臂的连接处设有微型气缸，所述微型气缸通过连接杆与吸盘形凸起连接；所述吸盘形凸起上还设有流水孔。

优选的，所述机械臂系统包括第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂；所述第一机械臂与所述固定装置铰接，所述第二机械臂与第一机械臂铰接，所述第三机械臂与第二机械臂铰接，所述柔性机械爪与第三机械臂相连；所述第一防水摄像探头与红外热传感器设置于柔性机械爪与第三机械臂的连接处，所述第一防水摄像探头通过实时拍摄水域环境，采集救援目标图像信息，以判断找出柔性机械爪抓取救援目标的最佳方位；所述红外热传感器用于精准定位落水者，进一步确保救援作业的适用性。

优选的，所述第一机械臂与底座连接处、所述第二机械臂与第一机械臂连接处、所述第三机械臂与第二机械臂连接处、所述柔性机械爪与第三机械臂连接处均设有步进电机和角度传感器，以驱动机械臂系统的协调运动以及多角度转动。

优选的，所述船体的外部布设U型导轨，在所述U型导轨内配合组装滑块，所述滑块包括六边形面板、滚轮、第一螺孔，所述六边形面板上设有所述第一螺孔，可通过该第一螺孔与固定装置的底端铰接；所述滚轮通过支柱支撑设置于六边形面板下方。

优选的，所述U型导轨根据不同船体进行定制，其通过支柱焊接在船体的船艏、船左舷、船右舷的外端；所述U型导轨采用中碳钢材料制成，以减轻船体及装置重量，同时确保整个装置作业的安全性；所述U型导轨内圈设有T字型卡槽，所述滑块装配在U型导轨内侧的T字型槽上，所述T字型槽表面光滑，以增加滑块移动速度。

优选的，所述固定装置包括底座和步进电机，所述底座四周设有第二螺孔，通过第二螺孔使底座与滑块铰接；所述步进电机设置于底座底部，当固定装置与滑块铰接后通过步进电机启动，驱动滑块在U型导轨上的移动。

优选的，所述船体为双体船，在船两侧设有护栏，甲板上设有上层建筑，所述上层建筑顶端设有若干第二防水摄像探头，所述第二防水摄像探头与主控制机相连。

优选的，所述控制器选用S7-300PLC模型，用于对设备的直接控制、自动检测。

一种智能化船用可移动救生装置使用方法，其特征在于，包括：

步骤1：定位所述船体、固定装置及滑块至救援目标处；

步骤2：所述控制系统控制所述机械臂系统运动，使所述机械爪系统到达工作位置；

步骤3：所述控制系统控制所述柔性机械爪和吸盘形凸起实现有效抓取。

本发明的技术方案能产生以下的技术效果：

本发明通过采用柔性机械爪，相比于传统的机械爪能实现对目标物的快速缠绕，可适用于不同的目标对象，同时结合柔性机械爪表面的仿生吸盘，能改善在使用过程中传统机械抓指适应力差、结构复杂的缺点，且该柔性机械爪能避免抓取过程中对救援对象可能造成的物理伤害。

本发明在船体外围设置U型导轨，配套滑块组合实现了机械臂单元的灵活移动，可根据作业需要在船体四周移动组织全方位救援、打捞行动。同时，该机械爪可有效抓取大型垃圾，在垃圾清理过程中，可绕船体移动的机械臂有利于增大垃圾清理范围，降低清理船在工作过程中的能源消耗。

本发明智能化船用救生装置的便携式可移动结构特点，使得该装置可适用于不同功能、型号的船体，通过便携式安装使各单一功能船能有效综合救援功能。

本发明通过由控制系统所展开的一系列智能识别系统，可实现智能识别、智能救援打捞一体化的全自动活动，能有效解决传统救援船在恶劣环境下难以展开救援工作的问题；且适用于白昼、黑夜环境下的救援工作。

附图说明

图1是本发明的智能化船用可移动救生装置的结构示意图。

图2是本发明的智能化船用可移动救生装置的结构俯视示意图。

图3是本发明的船体结构示意图。

图4是本发明的滑块结构示意图。

图5是本发明的固定装置结构示意图。

图6是本发明的机械臂整体工作结构示意图。

图7是本发明的机械臂系统结构示意图。

图8是本发明的机械爪系统结构示意图。

图9是本发明的柔性波纹管组合结构示意图。

图10是本发明的单个柔性波纹管结构示意图。

图11是本发明的控制系统流程示意图。

附图标记：船体100、上层建筑101、护栏102、双船体103、第二防水摄像探头104、U型导轨200、滑块300、滚轮301、第一螺孔302、六边形面板303、支柱304、固定装置400、第二螺孔401、步进电机402、底座403、机械臂系统500、第一机械臂501、第二机械臂502、第三机械臂503、第一防水摄像探头504、红外热传感器505、机械爪系统600、柔性机械爪601、吸盘形凸起602、流水孔603、弹性纤维棒604、柔性波纹管605、气孔606、微型气缸607、电磁阀608、控制系统700、主控制机701 。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。需说明的是，附图均采用简化的形式和非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图1、图2为本发明提供的智能化船用可移动救生装置的结构示意图及结构俯视示意图，如图1所示，所述智能化船用可移动救生装置包括船体100、安装在船体100外部的U型导轨200、配合组装在所述U型导轨200内的滑块300、固定装置400、机械臂系统500、机械爪系统600及控制系统700，所述固定装置400与所述滑块300铰接，所述机械臂系统500与所述固定装置400铰接，所述机械爪系统600与所述机械臂系统500铰接，所述控制系统700通过控制器控制所述机械爪系统600在船体100周围的位置，控制固定装置400、机械臂系统500及机械爪系统600各部件的工作。

具体的，如图3所示，所述船体100为双体船103，在船两侧设有护栏102，环绕船体外侧一周，甲板上设有上层建筑101，其内设有救援医药紧急用品。所述上层建筑101顶端设有若干第二防水摄像探头104，所述第二防水摄像探头104与主控制机701相连，通过采集的图像信息和水域信息，使主控制机701控制船体100行进至救援目标附近。

进一步的，所述U型导轨200根据不同船体100定制，通过支柱焊接在船体100的船艏、船左舷、船右舷的外端，以扩大救援范围；所述U型导轨200采用中碳钢，其内圈设有T字型卡槽，所述滑块300装配在U型导轨200内侧的T字型卡槽上，所述T字型卡槽表面光滑，以增大滑块300的运动速度。

如图4所示，所述滑块300包括六边形面板303，在所述六边形面板303上设有第一螺孔302，在六边形面板303下方设有滚轮301，滚轮301是通过支柱304进行固定；如图5所示，所述固定装置400包括底座403和步进电机402，所述底座403四周设有第二螺孔401，通过第二螺孔401使底座403与滑块300铰接，其中步进电机402设置于底座403底部，通过步进电机402启动，驱动滑块300的移动。

如图6、图7所示，所述机械臂系统500包括第一机械臂501、第二机械臂502、第三机械臂503； 所述第一机械臂501与所述固定装置400铰接，所述第二机械臂502与第一机械臂501铰接，所述第三机械臂503与第二机械臂502铰接，所述柔性机械爪601与第三机械臂503相连。

具体的，所述第一防水摄像探头504和红外热传感器505设置于柔性机械爪601与第三机械臂503的连接处，以实时拍摄水域环境，采集救援目标图像信息，判断出机械爪系统600抓取救援目标的最佳方位。

如图8-10所示，所述机械爪系统600包括柔性机械爪601、吸盘形凸起602、流水孔603、弹性纤维棒604、柔性波纹管605、微型气缸607、电磁阀608、第一防水摄像探头504及红外热传感器505，所述柔性机械爪601为采用树脂制成的模仿章鱼触手的不规则长条圆锥状，其内部设有所述弹性纤维棒604和柔性波纹管605，所述柔性波纹管605的数量至少为8个，沿弹性纤维棒604轴向套装，各柔性波纹管605的波纹处分布有若干气孔606，所述弹性纤维棒604与柔性机械爪601的两端铰接。当第一防水摄像探头504拍摄到目标，以及红外热传感器505接收到目标信号时，信号传送给主控制机701，主控制机701进行判断并输出结果，通过控制器传送指令，控制弹性纤维棒604开始弯向目标的具体部位，接着柔性波纹管压缩内部空气，使波纹管开始弯曲，从而驱动柔性机械爪601整体开始向目标弯曲，当接触到目标时，弹性纤维棒604做出环绕目标动作，使柔性机械爪601开始环绕目标。

进一步的，所述柔性机械爪601下侧表面轴向均匀分布有两组吸盘形凸起，所述吸盘形凸起602由硅胶材料制成，呈碗装结构；所述柔性机械爪601与第三机械臂503的连接处设有微型气缸607，所述微型气缸607的输出端通过连接杆与吸盘形凸起602连接，在吸盘形凸起602根部侧壁上固定嵌设有电磁阀608，所述电磁阀608的一端延伸至吸盘形凸起602内，另一端与主控制机701连接，当柔性机械爪601抓取救援目标时，通过电磁阀608开启加压使得吸盘形凸起602与目标之间的空气被挤压出去，从而在压力差的作用下，吸盘形凸起602将吸附在目标物上，避免目标物滑脱，当需要放下目标物时，则微型气缸606反向运行，电磁阀608开启泄压，从而实现对目标物吸附作用的启停动作。同时，所述吸盘形凸起602上设有流水孔603，当救援结束时便于排出，用于排出吸入的水分。

如图11所示，所述控制系统700包括主控制机701和驱动装置，所述主控制机701与第二防水摄像探头104、第一防水摄像探头504、红外热传感器505、控制器相连接；所述驱动装置连接着固定装置400、机械臂系统500、机械爪系统600，主控制机701通过控制器控制驱动装置，进行救援行动。

具体的，如图11所示，当遇到紧急问题时，所述第二防水摄像探头搜救救援目标信息，通过扫描水域环境自动规划出最佳行驶路径，然后将信号传输至主控制机701，主控制机701发送信号驱动船体100行至救援目标附近，然后主控制机701通过控制器先传递指令给所述固定装置400中的步进电机402，电机收到信号时开始工作，驱动滑块300移动到相对距离救援目标的最近位置；

然后，根据机械爪系统600中由第一防水摄像探头504采集的图像信息及红外热传感器505传递的精确定位信息，主控制机701识别救援目标具体的位置，对输入的图像做出判断处理，并传送处理的结果给控制器，由控制器传递指令至机械臂系统500，控制器控制机械臂系统500启动，机械臂进行多角度弯曲、转动，使柔性机械爪601接近救援目标；

接着，根据主控制机701做出对救援目标最佳位置环绕的判断， 控制器控制机械爪系统600启动，驱动柔性机械爪601实施对救援目标最佳位置的环绕，期间启动吸盘形凸起602对救援目标的吸附，最终把救援目标运送到船上，从而实施精准的救援行动。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种智能化船用可移动救生装置，包括船体（100）、固定装置（400）、机械臂系统（500）、机械爪系统（600）及控制系统（700），其特征在于，所述固定装置（400）设置于所述船体（100）上，所述机械臂系统（500）与所述固定装置（400）铰接，所述机械爪系统（600）与所述机械臂系统（500）铰接；所述控制系统（700）包括主控制机（701）、驱动装置及控制器，所述驱动装置连接固定装置（400）、机械臂系统（500）和机械爪系统（600），所述主控制机（701）与控制器相连接并通过控制器控制驱动装置；

所述船体（100）的外部安装U型导轨（200），在所述U型导轨（200）内配合组装滑块（300）；其中所述U型导轨（200）根据不同船体（100）定制，通过支柱焊接在船体（100）的船艏、船左舷、船右舷的外端；所述U型导轨（200）采用中碳钢，其内圈设有T字型卡槽，所述T字型卡槽表面光滑，所述滑块（300）装配在U型导轨（200）内侧的T字型卡槽上；所述滑块（300）包括六边形面板（303）、滚轮（301）、第一螺孔（302），所述第一螺孔（302）设置于所述六边形面板（303）上，所述滚轮（301）通过支柱（304）设置于六边形面板（303）下方；

所述固定装置（400）包括底座（403）和步进电机（402），所述底座（403）四周设有第二螺孔（401），通过第二螺孔（401）使底座（403）与滑块（300）铰接；所述步进电机（402）设置于底座（403）底部，当固定装置（400）与滑块（300）铰接后通过步进电机（402）启动，驱动滑块（300）的移动；

所述机械爪系统（600）包括柔性机械爪（601）、吸盘形凸起（602）、第一防水摄像探头（504）及红外热传感器（505），所述第一防水摄像探头（504）、红外热传感器（505）与主控制机（701）相连接；其中吸盘形凸起（602）设置于所述柔性机械爪（601）的下侧表面，沿柔性机械爪（601）轴向均匀分布有两列，所述吸盘形凸起（602）由硅胶材料制成，呈碗装结构，在吸盘形凸起（602）根部侧壁上固定嵌设有电磁阀，所述电磁阀的一端延伸至吸盘形凸起（602）内，另一端与主控制机（701）连接；所述柔性机械爪（601）与机械臂系统（500）的连接处还设有微型气缸（607），所述微型气缸（607）的输出端通过连接杆与所述吸盘形凸起（602）连接；所述吸盘形凸起（602）上设有流水孔（603）。

2.根据权利要求1所述的一种智能化船用可移动救生装置，其特征在于，所述柔性机械爪（601）模仿章鱼触手形状，为不规则长条圆锥状，采用柔性材料制成；所述柔性机械爪（601）内部设有弹性纤维棒（604）和柔性波纹管（605），所述柔性波纹管（605）的数量至少为8个，沿弹性纤维棒（604）轴向套装，各柔性波纹管（605）的波纹处分布有若干气孔（606），所述弹性纤维棒（604）与柔性机械爪（601）的两端铰接。

3.根据权利要求1所述的一种智能化船用可移动救生装置，其特征在于，所述机械臂系统（500）包括第一机械臂（501）、第二机械臂（502）、第三机械臂（503）；所述第一机械臂（501）与所述固定装置（400）铰接，所述第二机械臂（502）与所述第一机械臂（501）铰接，所述第三机械臂（503）与所述第二机械臂（502）铰接，所述柔性机械爪（601）与所述机械臂系统（500）的第三机械臂（503）相连；所述第一防水摄像探头（504）和红外热传感器（505）设置于柔性机械爪（601）与第三机械臂（503）的连接处。

4.根据权利要求3所述的一种智能化船用可移动救生装置，其特征在于，所述第一机械臂（501）与底座（403）连接处、所述第二机械臂（502）与第一机械臂（501）连接处、所述第三机械臂（503）与第二机械臂（502）连接处、所述柔性机械爪（601）与第三机械臂（503）连接处均设有步进电机和角度传感器。

5.根据权利要求1所述的一种智能化船用可移动救生装置，其特征在于，所述船体（100）为双体船（103），在船两侧设有护栏（102），甲板上设有上层建筑（101），所述上层建筑（101）顶端设有若干第二防水摄像探头（104），所述第二防水摄像探头（104）与主控制机（701）相连。

6.根据权利要求1所述的一种智能化船用可移动救生装置，其特征在于，所述控制器选用S7-300PLC模型。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的智能化船用可移动救生装置使用方法，其特征在于，包括：

步骤1：定位所述船体（100）、固定装置（400）及滑块（300）至救援目标处；

步骤2：所述控制系统（700）控制所述机械臂系统（500）运动，使所述机械爪系统（600）到达工作位置；

步骤3：所述控制系统（700）控制所述柔性机械爪（601）和吸盘形凸起（602）实现有效抓取。

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