CN117262162A - 一种机械臂水下布放回收auv系统和对接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机械臂水下布放回收AUV系统，包括回收母艇；回收笼，设置在回收母艇腹部，用于夹紧AUV；六轴机械臂，一端连接回收母艇，另一端连接回收笼，用于带动回收笼运动，及打开和关闭回收笼；声光导引系统，用于导引AUV向回收母艇运动；其中，六轴机械臂与声光导引系统能够带动回收笼抓取AUV，通过声光导引系统控制AUV主动与回收笼对接。本发明采用六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接相结合的方式实现了AUV多场景多模式的布放和回收，即静态对接场景下，六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接；动态对接场景下，六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接，减少了回收时两者相互干扰作用，易于实现AUV快速安全的布放和回收。
Description
技术领域
本发明涉及无缆水下机器人技术领域，尤其是一种机械臂水下布放回收AUV系统和对接方法。
背景技术
自主式水下潜器(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)是水下机器人的一种。AUV是一种无缆水下机器人，具有隐蔽性好、机动灵活及安全自主等优点，成为水下特种作业的重要装备。在民用和军用领域起着重要的作用，例如，海洋环境监测、深海环境探测、深海搜救、海底线缆检修、水下布雷扫雷、特定区域侦察等。
AUV受到自身体积的约束，携带的动力能源无法支持其在水下长时间执行任务。此外，AUV在执行任务后获得的数据以及自身的维护都需要回收后才能进行。但是，通过水面或者陆地布放和回收AUV需要使用大型机械设备，具有隐蔽性差、操作复杂且成本高等缺点。在复杂的海况下，给AUV的布放和回收带来巨大的挑战。因此，实现AUV水下的布放和回收已成为当前研究热点。
根据水下对接平台的运动状态，可划分为静态对接和动态对接两种方式。静态对接的优点是对接完成后可对AUV传输数据，补给能源和维护保养，延长了AUV在水下执行任务的时间，避免了人工回收困难等问题。缺点也比较明显，对接平台固定在特定区域不能移动，受空间限制较大且不够灵活。动态对接与静态对接相比不仅具有后者的优点，受时间空间的限制较小，对提高AUV综合性能具有重要意义。
现有的AUV水下布放回收方式主要是固定漏斗式对接，叉柱式捕捉对接，但是均存在对接成功率低，受空间限制较大，不够灵活等缺点。严重限制了在水下布放和回收AUV的安全性，准确性和快速性。
为此我们提出一种机械臂水下布放回收AUV系统和对接方法。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种机械臂水下布放回收AUV系统和对接方法，从而采用六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接相结合的方式实现了AUV多场景多模式的布放和回收，即静态对接场景下，六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接；动态对接场景下，六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接。设计简单，操作方便，成功率高，减少了回收时两者相互干扰作用，易于实现AUV快速安全的布放和回收。
本发明所采用的技术方案如下：
一种机械臂水下布放回收AUV系统，包括：
回收母艇；
回收笼，设置在回收母艇腹部，用于夹紧AUV；
六轴机械臂，一端连接回收母艇，另一端连接回收笼，用于带动回收笼运动，及打开和关闭回收笼；
声光导引系统，用于导引AUV向回收母艇运动；
其中，六轴机械臂与声光导引系统能够带动回收笼抓取AUV，通过声光导引系统控制AUV主动与回收笼对接。
其进一步特征在于：
所述回收母艇的腹部设置有凹槽，六轴机械臂一端设置在凹槽内。
所述六轴机械臂包括第一回转关节、第一俯仰关节、第二俯仰关节、第三俯仰关节、第二回转关节和开合关节，第一回转关节与第一俯仰关节连接，第一俯仰关节与第二俯仰关节连接，第二俯仰关节与第三俯仰关节连接，第三俯仰关节与第二回转关节连接，第二回转关节与开合关节连接，开合关节与回收笼连接，回收笼由两个弧形回收笼组成，通过开合关节带动两个弧形回收笼转动。
所述声光导引系统包括通信声纳、第一水下摄像机、第一导引灯、第二水下摄像机和第二导引灯，通信声纳安装在第二回转关节上，第一水下摄像机设置在通信声纳上，第一导引灯设置在回收笼上，第二水下摄像机设置在AUV艏部，第二导引灯设置在AUV背部。
所述第一导引灯与第二水下摄像机组成六轴机械臂视觉导引系统，第一水下摄像机与第二导引灯组成AUV视觉导引系统。
本发明还公开了一种机械臂水下布放回收AUV系统的对接方法，包括以下步骤：
步骤一：AUV布放前，六轴机械臂收缩在回收母艇的凹槽内，六轴机械臂的开合关节驱动回收笼夹紧AUV；
步骤二：AUV水下布放时，通过六轴机械臂调节回收笼和AUV的位置，开合关节驱动回收笼打开，回收笼不再夹紧AUV，完成AUV的布放；
步骤三：AUV回收时，通信声纳与AUV进行通讯并导引AUV运动到回收母艇附近，再通过六轴机械臂视觉导引系统与AUV视觉导引系统对AUV进行导引回收。
其进一步特征在于：
在步骤三中，回收母艇保持悬停，AUV主动与回收笼对接；当AUV与回收母艇距离较远时，通信声纳与AUV进行通讯并导引AUV运动到回收母艇附近，同时六轴机械臂向下方展开，第三俯仰关节和第二回转关节调节回收笼开口方向，使得回收笼开口方向与AUV艏部方向对齐；AUV运动到回收母艇附近时将导引方式切换为视觉导引模式，即AUV利用艏部搭载的第二水下摄像机识别回收笼上的第一导引灯来调整AUV的位姿，AUV通过自身推进器进入回收笼中，完成AUV的回收。
回收母艇保持悬停，六轴机械臂抓取AUV；通信声纳与AUV进行通讯并导引AUV运动到回收母艇下方且在六轴机械臂可达的范围内，六轴机械臂通过第一水下摄像机识别AUV背部的第二导引灯，六轴机械臂驱动开合关节将回收笼张开，六轴机械臂转动各个关节抓取AUV，抓住AUV后六轴机械臂收缩至初始状态，完成对AUV的回收。
回收母艇保持运动，AUV主动与回收笼对接；当AUV与回收母艇距离较远时，通信声纳与AUV进行通讯，将回收母艇的航向、航速及位置信息发送给AUV，AUV根据所得信息调整自身航速和航向，并快速向回收母艇下方运动；当AUV运动到回收母艇附近时，依然通过通信声纳获取回收母艇航向和航速信息，为减小AUV与回收母艇对接时的相互干扰作用，六轴机械臂向下展开，回收笼与回收母艇艏向保持一致；AUV通过第二水下摄像机识别第一导引灯来调整自身位置和姿态，AUV提高航速向回收笼中心运动，AUV钻进回收笼后六轴机械臂收缩至初始状态，完成AUV的回收。
回收母艇保持运动，六轴机械臂抓取AUV；当AUV与回收母艇距离较远时，通信声纳与AUV进行通讯，将回收母艇的航向、航速及位置信息发送给AUV，AUV根据所得信息调整自身航速和航向，快速向回收母艇的六轴机械臂的可达位置运动；当AUV运动到回收母艇附近时，AUV依然通过通信声纳获取回收母艇航向和航速信息并基本保持一致；六轴机械臂通过第一水下摄像机识别AUV上的第二导引灯确定两者的相对位置误差，从而驱动各个关节抓取AUV，抓住AUV后六轴机械臂收缩至初始状态，完成对AUV的回收。
本发明的有益效果如下：
本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过采用六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接相结合的方式实现了AUV多场景多模式的布放和回收，即静态对接场景下，六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接；动态对接场景下，六轴机械臂抓取AUV和AUV主动对接。设计简单，操作方便，成功率高，减少了回收时两者相互干扰作用，易于实现AUV快速安全的布放和回收。
同时，本发明还具备如下优点：
(1)通过设置通信声纳，当AUV与回收母艇距离较远时，通信声纳与AUV进行通讯，将回收母艇的航向、航速及位置信息发送给AUV，AUV根据所得信息调整自身航速和航向，并快速向回收母艇下方运动。
(2)通过设置六轴机械臂视觉导引系统和AUV视觉导引系统，在通过六轴机械臂抓取AUV时，通过六轴机械臂视觉导引系统进行导引，在AUV主动对接时，通过AUV视觉导引系统进行导引。
(3)通过设置六轴机械臂，能够对回收笼的位置及角度进行调整，便于AUV的回收。
附图说明
图1为本发明的回收母艇与AUV示意图。
图2为图1的主视图。
图3为本发明的六轴机械臂示意图。
图4为本发明的AUV示意图。
图5为本发明的回收母艇布放AUV示意图。
图6为本发明的AUV主动与回收笼对接示意图。
图7为本发明的六轴机械臂抓取AUV示意图。
其中：1、回收母艇；101、凹槽；2、六轴机械臂；201、第一回转关节；202、第一俯仰关节；203、第二俯仰关节；204、第三俯仰关节；205、第二回转关节；206、开合关节；3、回收笼；4、AUV；5、声光导引系统；501、通信声纳；502、第一水下摄像机；503、第一导引灯；504、第二水下摄像机；505、第二导引灯。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图7所示，一种机械臂水下布放回收AUV系统，包括回收母艇1、六轴机械臂2、回收笼3和声光导引系统5，用于布放回收AUV4。回收母艇1腹部设置有凹槽101，六轴机械臂2一端设置在凹槽101内，六轴机械臂2另一端与回收笼3连接。
如图6所示，六轴机械臂2包括第一回转关节201、第一俯仰关节202、第二俯仰关节203、第三俯仰关节204、第二回转关节205和开合关节206，第一回转关节201与第一俯仰关节202连接，第一俯仰关节202与第二俯仰关节203连接，第二俯仰关节203与第三俯仰关节204连接，第三俯仰关节204与第二回转关节205连接，第二回转关节205与开合关节206连接，开合关节206与回收笼3连接，回收笼3由两个弧形回收笼组成，通过开合关节206带动两个弧形回收笼转动。布放AUV4前，AUV4处于回收笼3中，通过回收笼3夹紧AUV4。
声光导引系统5包括通信声纳501、第一水下摄像机502、第一导引灯503、第二水下摄像机504和第二导引灯505，通信声纳501安装在第二回转关节205上，第一水下摄像机502设置在通信声纳501上，第一导引灯503设置在回收笼3上，第二水下摄像机504设置在AUV4艏部，第二导引灯505设置在AUV4背部。第二导引灯505设置有两个，第一导引灯503设置有四个。第一导引灯503和第二导引灯505均间隔设置。
第一导引灯503与第二水下摄像机504组成六轴机械臂视觉导引系统，第一水下摄像机502与第二导引灯505组成AUV视觉导引系统。
一种机械臂水下布放回收AUV系统的对接方法，包括以下步骤：
步骤一：AUV4布放前，六轴机械臂2收缩在回收母艇1的凹槽101内，六轴机械臂2的开合关节206驱动回收笼3夹紧AUV4；
步骤二：AUV4水下布放时，通过六轴机械臂2调节回收笼3和AUV4的位置，开合关节206驱动回收笼3打开，回收笼3不再夹紧AUV4，完成AUV4的布放；
步骤三：AUV4回收时，通信声纳501与AUV4进行通讯并导引AUV4运动到回收母艇1附近，再通过六轴机械臂视觉导引系统与AUV视觉导引系统对AUV4进行导引回收。
在步骤三中，回收母艇1保持悬停，AUV4主动与回收笼3对接；当AUV4与回收母艇1距离较远时，通信声纳501与AUV4进行通讯并导引AUV4运动到回收母艇1附近，同时六轴机械臂2向下方展开，第三俯仰关节204和第二回转关节205调节回收笼3开口方向，使得回收笼3开口方向与AUV4艏部方向对齐；AUV4运动到回收母艇1附近时将导引方式切换为视觉导引模式，即AUV4利用艏部搭载的第二水下摄像机504识别回收笼3上的第一导引灯503来调整AUV4的位姿，AUV4通过自身推进器进入回收笼3中，完成AUV4的回收。
在步骤三中，回收母艇1保持悬停，六轴机械臂2抓取AUV4；通信声纳501与AUV4进行通讯并导引AUV4运动到回收母艇1下方且在六轴机械臂2可达的范围内，六轴机械臂2通过第一水下摄像机502识别AUV4背部的第二导引灯505，六轴机械臂2驱动开合关节206将回收笼3张开，六轴机械臂2转动各个关节抓取AUV4，抓住AUV4后六轴机械臂2收缩至初始状态，完成对AUV4的回收。
在步骤三中，回收母艇1保持运动，AUV4主动与回收笼3对接；当AUV4与回收母艇1距离较远时，通信声纳501与AUV4进行通讯，将回收母艇1的航向、航速及位置信息发送给AUV4，AUV4根据所得信息调整自身航速和航向，并快速向回收母艇1下方运动；当AUV4运动到回收母艇1附近时，依然通过通信声纳501获取回收母艇1航向和航速信息，为减小AUV4与回收母艇1对接时的相互干扰作用，六轴机械臂2向下展开，回收笼3与回收母艇1艏向保持一致；AUV4通过第二水下摄像机504识别第一导引灯503来调整自身位置和姿态，AUV4提高航速向回收笼3中心运动，AUV4钻进回收笼3后六轴机械臂2收缩至初始状态，完成AUV4的回收。
在步骤三中，回收母艇1保持运动，六轴机械臂2抓取AUV4；当AUV4与回收母艇1距离较远时，通信声纳501与AUV4进行通讯，将回收母艇1的航向、航速及位置信息发送给AUV4，AUV4根据所得信息调整自身航速和航向，快速向回收母艇1的六轴机械臂2的可达位置运动；当AUV4运动到回收母艇1附近时，AUV4依然通过通信声纳501获取回收母艇1航向和航速信息并基本保持一致；六轴机械臂2通过第一水下摄像机502识别AUV4上的第二导引灯505确定两者的相对位置误差，从而驱动各个关节抓取AUV4，抓住AUV4后六轴机械臂2收缩至初始状态，完成对AUV4的回收。
采用六轴机械臂2抓取AUV4和AUV4主动对接相结合的方式实现了AUV4多场景多模式的布放和回收，即静态对接场景下，六轴机械臂2抓取AUV4和AUV4主动对接；动态对接场景下，六轴机械臂2抓取AUV4和AUV4主动对接。设计简单，操作方便，成功率高，减少了回收时两者相互干扰作用，易于实现AUV4快速安全的布放和回收。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。
Claims (10)
1.一种机械臂水下布放回收AUV系统，其特征在于，包括：
回收母艇(1)；
回收笼(3)，设置在回收母艇(1)腹部，用于夹紧AUV(4)；
六轴机械臂(2)，一端连接回收母艇(1)，另一端连接回收笼(3)，用于带动回收笼(3)运动，及打开和关闭回收笼(3)；
声光导引系统(5)，用于导引AUV(4)向回收母艇(1)运动；
其中，六轴机械臂(2)与声光导引系统(5)能够带动回收笼(3)抓取AUV(4)，通过声光导引系统(5)控制AUV(4)主动与回收笼(3)对接。
2.如权利要求1所述的一种机械臂水下布放回收AUV系统，其特征在于：所述回收母艇(1)的腹部设置有凹槽(101)，六轴机械臂(2)一端设置在凹槽(101)内。
3.如权利要求2所述的一种机械臂水下布放回收AUV系统，其特征在于：所述六轴机械臂(2)包括第一回转关节(201)、第一俯仰关节(202)、第二俯仰关节(203)、第三俯仰关节(204)、第二回转关节(205)和开合关节(206)，第一回转关节(201)与第一俯仰关节(202)连接，第一俯仰关节(202)与第二俯仰关节(203)连接，第二俯仰关节(203)与第三俯仰关节(204)连接，第三俯仰关节(204)与第二回转关节(205)连接，第二回转关节(205)与开合关节(206)连接，开合关节(206)与回收笼(3)连接，回收笼(3)由两个弧形回收笼组成，通过开合关节(206)带动两个弧形回收笼转动。
4.如权利要求3所述的一种机械臂水下布放回收AUV系统，其特征在于：所述声光导引系统(5)包括通信声纳(501)、第一水下摄像机(502)、第一导引灯(503)、第二水下摄像机(504)和第二导引灯(505)，通信声纳(501)安装在第二回转关节(205)上，第一水下摄像机(502)设置在通信声纳(501)上，第一导引灯(503)设置在回收笼(3)上，第二水下摄像机(504)设置在AUV(4)艏部，第二导引灯(505)设置在AUV(4)背部。
5.如权利要求4所述的一种机械臂水下布放回收AUV系统，其特征在于：所述第一导引灯(503)与第二水下摄像机(504)组成六轴机械臂视觉导引系统，第一水下摄像机(502)与第二导引灯(505)组成AUV视觉导引系统。
6.一种机械臂水下布放回收AUV系统的对接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：AUV(4)布放前，六轴机械臂(2)收缩在回收母艇(1)的凹槽(101)内，六轴机械臂(2)的开合关节(206)驱动回收笼(3)夹紧AUV(4)；
步骤二：AUV(4)水下布放时，通过六轴机械臂(2)调节回收笼(3)和AUV(4)的位置，开合关节(206)驱动回收笼(3)打开，回收笼(3)不再夹紧AUV(4)，完成AUV(4)的布放；
步骤三：AUV(4)回收时，通信声纳(501)与AUV(4)进行通讯并导引AUV(4)运动到回收母艇(1)附近，再通过六轴机械臂视觉导引系统与AUV视觉导引系统对AUV(4)进行导引回收。
7.如权利要求1所述的一种机械臂水下布放回收AUV系统的对接方法，其特征在于：在步骤三中，回收母艇(1)保持悬停，AUV(4)主动与回收笼(3)对接；当AUV(4)与回收母艇(1)距离较远时，通信声纳(501)与AUV(4)进行通讯并导引AUV(4)运动到回收母艇(1)附近，同时六轴机械臂(2)向下方展开，第三俯仰关节(204)和第二回转关节(205)调节回收笼(3)开口方向，使得回收笼(3)开口方向与AUV(4)艏部方向对齐；AUV(4)运动到回收母艇(1)附近时将导引方式切换为视觉导引模式，即AUV(4)利用艏部搭载的第二水下摄像机(504)识别回收笼(3)上的第一导引灯(503)来调整AUV(4)的位姿，AUV(4)通过自身推进器进入回收笼(3)中，完成AUV(4)的回收。
8.如权利要求1所述的一种机械臂水下布放回收AUV系统的对接方法，其特征在于：回收母艇(1)保持悬停，六轴机械臂(2)抓取AUV(4)；通信声纳(501)与AUV(4)进行通讯并导引AUV(4)运动到回收母艇(1)下方且在六轴机械臂(2)可达的范围内，六轴机械臂(2)通过第一水下摄像机(502)识别AUV(4)背部的第二导引灯(505)，六轴机械臂(2)驱动开合关节(206)将回收笼(3)张开，六轴机械臂(2)转动各个关节抓取AUV(4)，抓住AUV(4)后六轴机械臂(2)收缩至初始状态，完成对AUV(4)的回收。
9.如权利要求1所述的一种机械臂水下布放回收AUV系统的对接方法，其特征在于：回收母艇(1)保持运动，AUV(4)主动与回收笼(3)对接；当AUV(4)与回收母艇(1)距离较远时，通信声纳(501)与AUV(4)进行通讯，将回收母艇(1)的航向、航速及位置信息发送给AUV(4)，AUV(4)根据所得信息调整自身航速和航向，并快速向回收母艇(1)下方运动；当AUV(4)运动到回收母艇(1)附近时，依然通过通信声纳(501)获取回收母艇(1)航向和航速信息，为减小AUV(4)与回收母艇(1)对接时的相互干扰作用，六轴机械臂(2)向下展开，回收笼(3)与回收母艇(1)艏向保持一致；AUV(4)通过第二水下摄像机(504)识别第一导引灯(503)来调整自身位置和姿态，AUV(4)提高航速向回收笼(3)中心运动，AUV(4)钻进回收笼(3)后六轴机械臂(2)收缩至初始状态，完成AUV(4)的回收。
10.如权利要求1所述的一种机械臂水下布放回收AUV系统的对接方法，其特征在于：回收母艇(1)保持运动，六轴机械臂(2)抓取AUV(4)；当AUV(4)与回收母艇(1)距离较远时，通信声纳(501)与AUV(4)进行通讯，将回收母艇(1)的航向、航速及位置信息发送给AUV(4)，AUV(4)根据所得信息调整自身航速和航向，快速向回收母艇(1)的六轴机械臂(2)的可达位置运动；当AUV(4)运动到回收母艇(1)附近时，AUV(4)依然通过通信声纳(501)获取回收母艇(1)航向和航速信息并基本保持一致；六轴机械臂(2)通过第一水下摄像机(502)识别AUV(4)上的第二导引灯(505)确定两者的相对位置误差，从而驱动各个关节抓取AUV(4)，抓住AUV(4)后六轴机械臂(2)收缩至初始状态，完成对AUV(4)的回收。
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| CN202311293806.XA CN117262162A (zh) | 2023-10-08 | 2023-10-08 | 一种机械臂水下布放回收auv系统和对接方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN117262162A true CN117262162A (zh) | 2023-12-22 |
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- 2023-10-08 CN CN202311293806.XA patent/CN117262162A/zh active Pending
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