CN114771780A - 一种仿人形变结构水下探测作业机器人 - Google Patents

一种仿人形变结构水下探测作业机器人 Download PDF

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Abstract

本发明属于水下机器人技术领域，具体地说是一种仿人形变结构水下探测作业机器人，包括变结构装置、采样篮装置、运动推进装置、七自由度机械臂以及人形浮力材外壳；突出特点是主体采用双剪叉串联机构，通过电动直线缸驱动从而实现水下机器人形态变化；采用低密度浮力材料加工成人形外观，使机器人在水中基本处于中性浮力，仿人外形有利于实现低阻力的探测航行和稳定的捕捞作业；通过蜗轮蜗杆实现采样篮收回与放出；采用七个矢量布置的推进器实现六自由度运动。本发明提出一种新概念水下机器人，变形前具备流线低阻力航行能力，变形后具备稳定捕捞作业能力。

Description

一种仿人形变结构水下探测作业机器人
技术领域
本发明属于水下机器人技术领域，具体地说是一种仿人形变结构水下探测作业机器人，可用于水产养殖、近海环境检测治理和岛礁安全监测等领域。
背景技术
海洋蕴藏着丰富的矿物资源、生物资源和化石能源，提高海洋开发能力，发展海洋经济，是实现我国海洋强国建设的重要任务，具有重要战略发展意义。水下机器人分为载人的和无人的，在无人水下机器人领域，主要包括自主水下机器人和遥控水下机器人，分别用于大范围水下环境探测和小范围水下精细作业。本发明专利提出一种仿人形变结构水下机器人，结合了上述传统水下机器人的优势，兼具水下大范围敏捷航行和局部精细灵巧综合作业能力，适用于水下更多任务场景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿人形变结构水下探测作业机器人，利用变结构装置实现机器人形态变化，利用外形优化技术和模块化七自由度机械手实现仿人敏捷航行和灵巧精细作业。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
本发明包括浮力材外壳、变结构装置、采样篮装置、运动推进装置、七自由度机械臂及快速开合夹爪，其中浮力材外壳分为上、中、下三部分，上部为顶部框架及安装于所述顶部框架上的上浮力材，中部为中浮力材，下部为底部框架及安装于所述底部框架上的下浮力材；所述变结构装置为串联双剪叉机构，所述串联双剪叉机构的动力部安装于中浮力材上，所述顶部框架及底部框架分别与所述串联双剪叉机构中的双剪叉相连，所述浮力材外壳的上、中、下三部分在串联双剪叉机构处于收缩状态时彼此抵接，所述浮力材外壳的上、中、下三部分在串联双剪叉机构处于伸展状态时彼此分离；所述运动推进装置包括实现水下机器人六自由度的水平推进器及垂直推进器，所述水平推进器及垂直推进器分别安装于中浮力材上；所述底部框架上分别安装有七自由度机械臂及可收放的采样篮装置，所述底部框架的左右两侧对称设有七自由度机械臂，每侧所述七自由度机械臂的一端与底部框架相连，另一端连接有所述快速开合夹爪，所述七自由度机械臂在浮力材外壳的上、中、下三部分彼此抵接时后摆，在所述浮力材外壳的上、中、下三部分彼此分离时前摆。
其中：所述串联双剪叉机构包括电动直线缸、滑轮连接杆、滑轮、中部滑轨及双剪叉，所述电动直线缸安装于中浮力材上，所述滑轮连接杆与电动直线缸的输出端相连，所述电动直线缸的两侧对称设有安装于中浮力材上的中部滑轨，所述滑轮连接杆的两端分别通过滑轮与两侧的中部滑轨滑动连接；所述电动直线缸的两侧还对称设有双剪叉，每侧所述双剪叉包括上下设置的两组呈“X”型的剪叉杆，每侧两组“X”型剪叉杆均与同侧的所述中部滑轨连接，所述顶部框架与位于上方的一组“X”型剪叉杆相连，所述底部框架与位于下方的另一组“X”型剪叉杆相连。
位于上方的一组“X”型剪叉杆为相互铰接的剪叉杆A及剪叉杆B，所述剪叉杆A的上端与顶部框架铰接、下端与所述滑轮连接杆铰接，所述剪叉杆B的上端与顶部框架滑动连接、下端与所述中部滑轨铰接；位于下方的另一组“X”型剪叉杆为相互铰接的剪叉杆C及剪叉杆D，所述剪叉杆C的上端与滑轮连接杆铰接、下端与所述底部框架铰接，所述剪叉杆D的上端与中部滑轨铰接、下端与所述底部框架滑动连接。
所述顶部框架上安装有滑轨A，所述剪叉杆B的上端铰接有滑块A，所述滑块A与滑轨A滑动连接；所述底部框架上安装有滑轨B，所述剪叉杆D的下端铰接有滑块B，所述滑块B与滑轨B滑动连接；所述滑轨A、滑轨B及中部滑轨始终保持平行。
所述采样篮装置包括电机、蜗轮、蜗杆采样篮连接杆及采样篮，所述电机安装于底部框架上，所述电机的输出端连接有蜗杆，所述蜗轮的轮轴转动连接于底部框架上，所述蜗轮与蜗杆啮合传动；所述采样篮连接杆的一端与蜗轮的轮轴相连、另一端铰接有所述采样篮。
所述顶部框架上分别安装有天线、天线舱及电池，所述天线与天线舱连接。
所述水下机器人为对称结构，所述中浮力材的艏部两侧对称设有两个水平推进器，艏部的两个水平推进器呈“八”字型设置、且轴向中心线与所述水下机器人对称面倾斜设置；所述中浮力材的艉部两侧对称设有两个水平推进器，艉部的两个水平推进器的轴向中心线与所述水下机器人对称面平行，所述中浮力材艏部及艉部的四个水平推进器的轴向中心线处于同一水平面内；所述中浮力材上安装有三个呈三角形布置的垂直推进器，其中两个垂直推进器对称安装于所述中浮力材的艏部，艏部的两个垂直推进器的轴向中心线平行、且与所述水下机器人对称面平行，第三个垂直推进器的轴向中心线位于所述水下机器人对称面上。
所述底部框架的两侧分别安装有气囊，每侧所述气囊通过气管与同侧的七自由度机械臂相连。
所述中浮力材上安装有作为水下机器人头部的航行观测相机组件，为水下机器人运动提供视觉信息。
所述底部框架上安装有用于监测七自由度机械臂工作状况的作业观测相机组件。
本发明的优点与积极效果为：
1.变结构多模式：本发明基于变结构装置实现水下机器人形态改变，结合了传统水下机器人的优势，既具有自主水下机器人低阻力敏捷航行探测模式，也具有遥控水下机器人稳定精细灵活作业模式。
2.仿人形态：本发明基于潜水员外形与动作特点，对机器人进行外形低阻力和灵巧七自由度双机械手优化设计，实现类似潜水员的水下灵巧操作。
附图说明
图1为本发明变形前的整体结构轴侧图之一；
图2为本发明变形前的整体结构轴侧图之二；
图3为本发明变形前的整体结构俯视图；
图4为本发明变形后的整体结构轴侧图；
图5为本发明变形后的整体结构主视图；
图6为本发明变结构装置的结构主视图；
其中：1为天线，2为上浮力材，3为中浮力材，4为下浮力材，5为垂直推进器，6为水平推进器，7为变结构装置，701为剪叉连接件A，702为剪叉杆A，703为滑轨A，704为滑块A，705为剪叉杆B，706为中部滑轨，707为滑轮连接件，708为剪叉杆C，709为剪叉杆D，710为滑轨B，711为滑块B，712为剪叉连接件B，713为电动直线缸，714为滑轮，715为条形孔，8为顶部框架，9为天线舱，10为电池安装件，11为电池，12为驱动舱，13为电子舱，14为航行观测相机组件，15为底部框架，16为气囊，17为传感器，18为七自由度机械臂，19为快速开合夹爪，20为采样篮，21为采样篮连接杆，22为蜗轮，23作业观测相机组件，24为电机，25为蜗杆。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
如图1～6所示，本发明的水下机器人整体结构为对称形式，对称面为随体坐标系下XZ平面(以下坐标系均为随体坐标系)，X轴为水下机器人的长度方向，Z轴为水下机器人的高度方向，Y轴为与X轴在同一水平面的水下机器人的宽度方向，满足空间坐标系右手定则。
本发明的水下机器人包括浮力材外壳、变结构装置7、采样篮装置、运动推进装置、七自由度机械臂18及快速开合夹爪19，其中浮力材外壳加工成人形外观，分为上、中、下三部分，上部为顶部框架8及安装于顶部框架8上的上浮力材2，中部为中浮力材3，下部为底部框架15及安装于底部框架15上的下浮力材4，上浮力材2、中浮力材3及下浮力材4形成的浮力材外壳具备明显的人形肩部、背部、腰部、腿部特征；变结构装置7为串联双剪叉机构，串联双剪叉机构的动力部安装于中浮力材3上，顶部框架8及底部框架5分别与串联双剪叉机构中的双剪叉相连，串联双剪叉机构变形后可将水下机器人分为上、中、下三层；运动推进装置包括实现水下机器人六自由度的水平推进器6及垂直推进器5，水平推进器6及垂直推进器5分别安装于中浮力材3上；底部框架15上分别安装有七自由度机械臂18及可收放的采样篮装置，底部框架15的左右两侧靠前位置对称设有七自由度机械臂18，每侧七自由度机械臂18的一端与底部框架15相连，另一端连接有快速开合夹爪19；串联双剪叉机构变形前处于收缩状态，浮力材外壳的上、中、下三部分彼此抵接，七自由度机械臂18后摆，采样篮装置中的采样篮20回收，水下机器人整体形成人体游动形态，水下机器人在该模式下实现低阻敏捷航行；串联双剪叉机构变形后处于伸展状态，浮力材外壳的上、中、下三部分彼此分离，构成大稳心高结构，同时七自由度机械臂18前摆工作，采样篮装置中的采样篮20摆出，水下机器人整体形成潜水员捕捞作业形态，水下机器人在该模式下可完成高效捕捞。
本实施例的顶部框架1上分别安装有天线1、天线舱9及电池11，天线1与天线舱9连接，电池11通过电池安装件10固定在顶部框架8的底部，将上浮力材2打开即可快速更换电池11。
本实施例的串联双剪叉机构包括电动直线缸713、滑轮连接杆707、滑轮714、中部滑轨706及双剪叉，电动直线缸713安装于中浮力材3上，滑轮连接杆707与电动直线缸713的输出端相连，滑轮连接杆707的左右两端均设有滑轮714；电动直线缸713的两侧对称设有安装于中浮力材3上的中部滑轨706，每个中部滑轨706上均沿长度方向开设有条形孔715，滑轮连接杆707两端的滑轮714分别位于两侧中部滑轨706上的条件孔715中、与中部滑轨706呈直线滑动连接；电动直线缸713的两侧还对称设有双剪叉，每侧双剪叉包括上下设置的两组呈“X”型的剪叉杆，每侧两组“X”型剪叉杆均与同侧的中部滑轨706连接，顶部框架8与位于上方的一组“X”型剪叉杆相连，底部框架5与位于下方的另一组“X”型剪叉杆相连。具体结构为：位于上方的一组“X”型剪叉杆为相互铰接的剪叉杆A702及剪叉杆B705，剪叉杆A702的上端与剪叉连接件A701的一端铰接，剪叉连接件A701的另一端固接于顶部框架8上，剪叉杆A702的下端与滑轮连接杆707铰接，顶部框架8上安装有滑轨A703，剪叉杆B705的上端铰接有滑块A704，滑块A704与滑轨A703滑动连接，剪叉杆B705的下端与中部滑轨706的一端铰接；位于下方的另一组“X”型剪叉杆为相互铰接的剪叉杆C708及剪叉杆D709，剪叉杆C708的上端与滑轮连接杆707铰接，剪叉杆C708的下端与剪叉连接件B712的一端铰接，剪叉连接件B712的另一端固接于底部框架5上，剪叉杆D709的上端与中部滑轨706的一端铰接，铰接处与剪叉杆B705下端和中部滑轨706一端铰接处重合，底部框架5上安装有滑轨B710，剪叉杆D709的下端铰接有滑块B711，滑块B711与滑轨B710滑动连接。滑轨A703、滑轨B710及中部滑轨706始终保持平行，可保障水下机器人变形过程中上、中、下三层始终保持平行。电动直线缸713位于两侧双剪叉中部，可推动滑轮连接杆707做往复运动。
本实施例的水下机器人为对称结构，运动推进装置包括了四个水平推进器6与三个垂直推进器5，七个推进器均通过固定架安装在中浮力材3内；中浮力材3的艏部两侧对称设有两个水平推进器6，艏部的两个水平推进器6呈“八”字型设置于中浮力材3的肩部之下、且轴向中心线与水下机器人对称面(即随体坐标系下XZ平面)倾斜设置，优选轴向中心线与随体坐标系下XZ平面呈30°夹角，相交于XZ平面上一点；中浮力材3的艉部两侧对称设有两个水平推进器6，艉部的两个水平推进器6安装于中浮力材3的腿部之内，艉部的两个水平推进器6的轴向中心线与水下机器人对称面和X轴平行，中浮力材3艏部及艉部的四个水平推进器6的轴向中心线处于同一水平面内。中浮力材3上安装有三个呈三角形布置的垂直推进器5，三个垂直推进器5的轴向中心线均与Z轴垂直，其中两个垂直推进器5对称安装于中浮力材3的艏部，艏部的两个垂直推进器5安装于中浮力材3的肩部，艏部的两个垂直推进器5的轴向中心线平行、且与水下机器人对称面和Z轴平行，第三个垂直推进器5安装在中浮力材3的腰部，第三个垂直推进器5的轴向中心线位于水下机器人对称面上。通过四个水平推进器6及三个垂直推进器5可实现水下机器人的六自由度运动。
本实施例的中浮力材3上安装有作为水下机器人头部的航行观测相机组件14，航行观测相机组件14通过安装架固定在中浮力材3前部偏下位置，本实施例的航行观测相机组件14为现有技术，包括水下照明灯、水下双目相机及水下云台，为水下机器人运动提供视觉信息。
本实施例的底部框架15上分别安装有作业观测相机组件23及传感器17，本实施例的作业观测相机组件23为现有技术、通过安装架安装于底部框架15的后端，包括水下双目相机与水下云台，可监测七自由度机械臂18的工作状况；本实施例传感器17可根据不同任务进行灵活配备与更换，这里以在水产监测养殖领域中应用为例，传感器17为市购产品，购置于青岛水德科技有限公司生产的多参数在线水质监测仪，可实现多水文参数的高精度测量、水质监测，包括温度、盐度、蓝绿藻、溶解氧、浊度等。
本实施例的采样篮装置包括电机24、蜗轮22、蜗杆25采样篮连接杆21及采样篮20，电机24安装于底部框架15上电机24的输出端连接有蜗杆25，蜗轮22的轮轴转动连接于底部框架15上，蜗轮22与蜗杆25啮合传动；采样篮连接杆21的一端与蜗轮22的轮轴相连、另一端铰接有采样篮20。电机24通过蜗轮22、蜗杆25的啮合传动可驱动采样篮连接杆21的摆动，从而实现采要篮20在工作时向前摆出或向后收回。
本实施例在底部框架15的左右两侧分别安装一个气囊16，每侧气囊16通过气管与同侧的七自由度机械臂18相连，对两侧的七自由度机械臂18进行正压充气补偿。
本实施例的中浮力材3内部还安装有驱动舱12及电子舱13，驱动舱12与电子舱13对称设置于串联双剪叉机构的左右两侧，分别固定在两侧中部滑轨706的外侧；本实施例的电动直线缸713、电机24、航行观测相机组件14中的水下云台、作业观测相机组件23中的水下云台、七自由度机械臂18、快速开合夹爪19、电池11、垂直推进器5及水平推进器6分别与驱动舱12内的驱动板连接，本实施例的传感器17、航行观测相机组件14中的水下双目相机和水下照明灯、作业观测相机组件23中的水下双目相机、天线舱9及电池11分别与电子舱13连接。航行观测相机组件14、作业观测相机组件23中水下云台均具有二自由度转动能力，可带动与其连接的水下双目相机灵活转动，保证视野的宽阔性和视角转换灵活性。
本实施例的七自由度机械臂18为现有技术，具有七个自由度，分别为肩关节摆动、肩关节俯仰、肩部回转、肘关节俯仰、肘关节回转、腕关节俯仰和腕关节回转，均采用2020年6月19日公开、公开号为CN111300476A的“一种水下关节驱动模块”进行驱动，通过外壳连接固定。本实施例的快速开合夹爪19为现有技术，可采用2021年7月16日公开、公开号为CN113119148A的“一种可快速闭合的机械手夹爪结构”。
本发明的工作原理为：
本发明的水下机器人在变形前处于变结构装置7收缩状态、采样篮20回收状态、七自由度机械臂18后摆状态，整体具有明显的人形外观特征。
当水下机器人变形伸展时，电动直线缸713可拉动滑轮连接杆707向后直线运动，滑轮连接杆707带动剪叉杆A702、剪叉杆B705、剪叉杆C708、剪叉杆D709运动，从而实现变结构装置7的伸展运动，高度增加；由于滑轮连接杆707上的滑轮714可在中部滑轨706上的条形孔715中沿X轴运动，滑块A704、滑块B711相对滑轨A703、滑轨B710同样沿X轴运动，剪叉连接件A701、滑轨A703分别与顶部框架8相连，剪叉连接件B712、滑轨B710分别与底部框架15相连，从而实现顶部框架8、底部框架15相对中层沿Z轴展开，实现了机器人的伸展变形。
水下机器人人形形态由航行观测相机组件14、七自由度机械臂18、以及上浮力材2、中浮力材3、下浮力材4构成，航行观测相机组件14构成人头部，两侧七自由度机械臂18构成人形手臂，浮力材外壳具备明显的人形肩部、背部、腰部、腿部特征。

Claims (10)

1.一种仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：包括浮力材外壳、变结构装置(7)、采样篮装置、运动推进装置、七自由度机械臂(18)及快速开合夹爪(19)，其中浮力材外壳分为上、中、下三部分，上部为顶部框架(8)及安装于所述顶部框架(8)上的上浮力材(2)，中部为中浮力材(3)，下部为底部框架(15)及安装于所述底部框架(15)上的下浮力材(4)；所述变结构装置(7)为串联双剪叉机构，所述串联双剪叉机构的动力部安装于中浮力材(3)上，所述顶部框架(8)及底部框架(5)分别与所述串联双剪叉机构中的双剪叉相连，所述浮力材外壳的上、中、下三部分在串联双剪叉机构处于收缩状态时彼此抵接，所述浮力材外壳的上、中、下三部分在串联双剪叉机构处于伸展状态时彼此分离；所述运动推进装置包括实现水下机器人六自由度的水平推进器(6)及垂直推进器(5)，所述水平推进器(6)及垂直推进器(5)分别安装于中浮力材(3)上；所述底部框架(15)上分别安装有七自由度机械臂(18)及可收放的采样篮装置，所述底部框架(15)的左右两侧对称设有七自由度机械臂(18)，每侧所述七自由度机械臂(18)的一端与底部框架(15)相连，另一端连接有所述快速开合夹爪(19)，所述七自由度机械臂(18)在浮力材外壳的上、中、下三部分彼此抵接时后摆，在所述浮力材外壳的上、中、下三部分彼此分离时前摆。
2.根据权利要求1所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：所述串联双剪叉机构包括电动直线缸(713)、滑轮连接杆(707)、滑轮(714)、中部滑轨(706)及双剪叉，所述电动直线缸(713)安装于中浮力材(3)上，所述滑轮连接杆(707)与电动直线缸(713)的输出端相连，所述电动直线缸(713)的两侧对称设有安装于中浮力材(3)上的中部滑轨(706)，所述滑轮连接杆(707)的两端分别通过滑轮(714)与两侧的中部滑轨(706)滑动连接；所述电动直线缸(713)的两侧还对称设有双剪叉，每侧所述双剪叉包括上下设置的两组呈“X”型的剪叉杆，每侧两组“X”型剪叉杆均与同侧的所述中部滑轨(706)连接，所述顶部框架(8)与位于上方的一组“X”型剪叉杆相连，所述底部框架(5)与位于下方的另一组“X”型剪叉杆相连。
3.根据权利要求2所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：位于上方的一组“X”型剪叉杆为相互铰接的剪叉杆A(702)及剪叉杆B(705)，所述剪叉杆A(702)的上端与顶部框架(8)铰接、下端与所述滑轮连接杆(707)铰接，所述剪叉杆B(705)的上端与顶部框架(8)滑动连接、下端与所述中部滑轨(706)铰接；位于下方的另一组“X”型剪叉杆为相互铰接的剪叉杆C(708)及剪叉杆D(709)，所述剪叉杆C(708)的上端与滑轮连接杆(707)铰接、下端与所述底部框架(5)铰接，所述剪叉杆D(709)的上端与中部滑轨(706)铰接、下端与所述底部框架(5)滑动连接。
4.根据权利要求3所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：所述顶部框架(8)上安装有滑轨A(703)，所述剪叉杆B(705)的上端铰接有滑块A(704)，所述滑块A(704)与滑轨A(703)滑动连接；所述底部框架(5)上安装有滑轨B(710)，所述剪叉杆D(709)的下端铰接有滑块B(711)，所述滑块B(711)与滑轨B(710)滑动连接；所述滑轨A(703)、滑轨B(710)及中部滑轨(706)始终保持平行。
5.根据权利要求1所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：所述采样篮装置包括电机(24)、蜗轮(22)、蜗杆(25)采样篮连接杆(21)及采样篮(20)，所述电机(24)安装于底部框架(15)上，所述电机(24)的输出端连接有蜗杆(25)，所述蜗轮(22)的轮轴转动连接于底部框架(15)上，所述蜗轮(22)与蜗杆(25)啮合传动；所述采样篮连接杆(21)的一端与蜗轮(22)的轮轴相连、另一端铰接有所述采样篮(20)。
6.根据权利要求1所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：所述顶部框架(1)上分别安装有天线(1)、天线舱(9)及电池(11)，所述天线(1)与天线舱(9)连接。
7.根据权利要求1所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：所述水下机器人为对称结构，所述中浮力材(3)的艏部两侧对称设有两个水平推进器(6)，艏部的两个水平推进器(6)呈“八”字型设置、且轴向中心线与所述水下机器人对称面倾斜设置；所述中浮力材(3)的艉部两侧对称设有两个水平推进器(6)，艉部的两个水平推进器(6)的轴向中心线与所述水下机器人对称面平行，所述中浮力材(3)艏部及艉部的四个水平推进器(6)的轴向中心线处于同一水平面内；所述中浮力材(3)上安装有三个呈三角形布置的垂直推进器(5)，其中两个垂直推进器(5)对称安装于所述中浮力材(3)的艏部，艏部的两个垂直推进器(5)的轴向中心线平行、且与所述水下机器人对称面平行，第三个垂直推进器(5)的轴向中心线位于所述水下机器人对称面上。
8.根据权利要求1所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：所述底部框架(15)的两侧分别安装有气囊(16)，每侧所述气囊(16)通过气管与同侧的七自由度机械臂(18)相连。
9.根据权利要求1所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：所述中浮力材(3)上安装有作为水下机器人头部的航行观测相机组件(14)，为水下机器人运动提供视觉信息。
10.根据权利要求1所述的仿人形变结构水下探测作业机器人，其特征在于：所述底部框架(15)上安装有用于监测七自由度机械臂(18)工作状况的作业观测相机组件(23)。
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