CN117841021A - 一种海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，应用于海上救援装备技术领域，该机械臂的驱动部分安装于海上救援船，由直线电机通过传动装置带动活塞缸内活塞杆运动输出海水压力和流量，运动部分主要由海水驱动产生弯曲动作的柔性机械臂单元和连接件组成，安装于海上救援设备末端。改变柔性臂单元间的连接方式，柔性机械臂产生不同的弯曲行为，海上救援设备带动柔性机械臂运动到达目标位置后，活塞缸经由流体管路向柔性机械臂单元加压，对海水中待救援人员躯干目标进行缠绕并牵引至救援船附近。该种机械臂可以用作海上救援船所搭载设备的拓展，增加其运动范围，具备结构可拓展、惯性小、安全性高、运动灵巧等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种水下柔性机械臂，特别涉及一种海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂。
背景技术
柔性机械臂是模仿象鼻等细长柔软生物结构的仿生机器人，其具备高自由度、灵活的运动和避障能力，能够适应复杂多变的各类应用环境和任务。柔性机械臂多由硅胶等柔软材料制作，这赋予了柔性机械臂极高的交互安全性。常用的刚性机械臂通常造价昂贵，结构固定，由于采用电磁驱动，且驱动电机位于运动机械臂中，执行海洋作业任务时，通常需要进行额外的绝缘、密封、耐压等保护措施，不适合于长时间处于海水环境中。
执行海上救援任务时，非专业人员下水救援成功率低，且具有一定危险性，自助式救生设备，比如抛送救生圈等，难以准确送到待救援目标身边，且不适用于脱力和昏迷目标。海上救援船搭载的救援机械臂设备，其刚度和惯性较大，难以保证和待救援目标接触时的安全性，而机械臂末端搭载的网兜式救援设备则往往尺寸较大，不适用于存在较多漂浮物的复杂环境下。因而一种能够准确、安全营救待救援目标的机械设备是海上救援任务中的需要。
为此，本发明提出了一种海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，用于解决上述问题。
发明内容
本发明主要是针对现有海上救援船搭载机械臂的不足，提供了一种质量轻、自由度多、灵活性好、安全性高的海水驱动模块化柔性机械臂。
本发明技术方案的具体内容如下：
本发明提供的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂包括运动部分和用于驱动所述运动部分的驱动部分；
所述运动部分包括数个相互连接的柔性臂模块和位于运动部分固定端的用于连接外部救援机械设备的法兰盘连接件；所述柔性臂模块包含一个柔性臂单元和设置在柔性臂单元两端的两个相同的连接件；
所述柔性臂单元包括致动器和包裹在致动器外部的硅胶护保层；所述致动器包括中间层和两个对称排列在中间层两侧的致动单元；每个所述致动单元均设置有流体管路接口用于充入或者吸出海水，通过两侧致动单元膨胀或者收缩程度的不同，带动致动器产生弯曲运动，
所述致动单元包括多个变形腔室，腔室之间通过内部流体管路相互连通；
所述驱动部分包括多个相同的驱动单元，驱动单元数量与柔性臂模块数量相等且一一对应；每个驱动单元均包括电机、传动装置、活塞腔、设置在活塞腔内的活塞、连接活塞的活塞杆；所述柔性臂单元的两侧致动单元分别经由流体管路连接至活塞缸上被活塞隔开的两个腔室的流体出口；
电机通过传动装置连接活塞杆推动活塞杆带动活塞在活塞腔内直线往复运动，活塞的运动使得活塞腔向致动单元充入或者吸出海水；
优选地，所述连接件一端存在下沉接口用于和柔性臂单元连接，另一端为周圈开孔的连接板，连接件和直接相连的柔性臂单元相对固定；所述法兰盘连接件一端为法兰盘连接板，法兰盘连接板用于与外部救援机械设备进行可靠连接，另一端为周圈开孔的柔性臂连接板，柔性臂连接板用于连接柔性臂模块的连接件。
优选地，所述连接板周圈均匀布置连接件安装孔，相邻柔性臂模块的连接板由通过安装孔的螺栓连接，改变相邻连接件安装孔对应位置，能够改变柔性机械臂构型。
优选地，述致动单元和中间层之间采用粘合剂进行可靠粘接，致动单元与中间层不发生相对移动。
优选地，所述硅胶保护层外侧呈现圆柱形，内侧与致动单元贴合，用于避免致动单元接触外部尖锐物体进而出现破损，并增加柔性臂单元刚度。
优选地，所述致动单元各变形腔室间压力变化一致，产生的膨胀变形量一致。
优选地，所述流体管路接口具有一定伸出长度，伸出长度段具有柔性，与驱动部分的活塞缸流体出口连接。
优选地，所述连接件的下沉接口与柔性臂单元形状尺寸相匹配，并进行可靠粘接；所述下沉接口壁面上开设有流体管路放置凹槽，用于流体管路接口的突出部分穿出。
优选地，所述连接板圆周布置连接件安装孔24个，所述法兰盘连接板圆周布置法兰盘连接件安装孔24个，间隔15°，相邻连接板或法兰盘连接板配合时可错开n×15°，n为整数，改变柔性臂单元运动平面夹角，使海水驱动模块化柔性机械臂呈现不同的弯曲或缠绕构型。
优选地，所述柔性臂单元采用硅胶材料，所述连接件采用密度小于海水的工程塑料。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1.海水驱动模块化柔性机械臂运动部分由模块化的柔性臂单元组成，可以根据任务需要自由拓展数量、安装角度，具有灵活的自由度和变形能力，在复杂水面环境下更能够发挥其灵活性强、避障性好的特点。
2.模块化柔性机械臂运动部分和驱动部分分离，采用非常适合水下作业的柔性材料，整体密度接近海水，海水中作业时不会带来额外载荷。
3.海水驱动模块化柔性机械臂运动部分采用海水驱动，无需额外气泵和液压油泵等，同时避免了环境污染。
4.相邻柔性臂单元之间的可转角大，单个柔性臂模块的工作空间大。
5.海水驱动模块化柔性机械臂运动部分可由末端法兰盘连接件简便地连接至海上救援船已有救援设备末端，充分利用现有设备的同时拓展其功能。
6.海水驱动模块化柔性机械臂致动器外侧由硅胶保护层包裹，提升力柔性臂单元的耐压能力和最大刚度，能够更加牢固的缠绕待救援目标。
附图说明
图1显示为本发明的整体结构示意图；
图2显示为柔性臂模块结构示意图；
图3显示为致动器结构示意图；
图4显示为致动单元结构示意图；
图5显示为法兰盘连接件结构示意图；
图6显示为连接件结构示意图；
图7显示为柔性臂运动部分在救援船上示意图。
附图标号说明：1、柔性臂单元；2、连接件；3、流体管路接口；4、法兰盘连接件；5、电机仓；6、滑台；7、滚珠丝杠结构；8、滑块；9、活塞杆；10、活塞缸；11、活塞缸流体出口；12、硅胶保护层；13、中间层；14、致动单元；15、变形腔室；16、内部流体管路；17、柔性臂连接板；18、法兰盘连接板；19、安装孔；20、流体管路放置凹槽；21、下沉接口；22、连接板；23、水面救援无人船；24、救援设备；25、柔性机械臂运动部分。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
请参阅图1至图7。本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
如图1所示，本发明的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂包括运动部分和驱动部分，其中本发明的运动部分由多个柔性臂模块和用于连接原有救援设备的法兰盘连接件4组合而成；本发明的驱动部分为多个相同的驱动单元，驱动单元数量与柔性臂模块数量相应，一个驱动单元对应驱动一个柔性臂模块，每个驱动单元包括电机5、滚珠丝杠结构7、滑台6、滑块8、活塞缸10和活塞杆9。所述活塞缸10内的活塞杆9连接至滑台6上的滑块8；所述滑块8由电机5和与之相连的滚珠丝杠结构7驱动，在滑台6上进行往复的直线运动。
如图2所示，一个柔性臂模块包含一个柔性臂单元1和分别位于柔性臂单元1两侧的两个相同的用于实现模块间连接的连接件2。
柔性臂单元包括如图3所示的致动器和包裹在致动器外部的硅胶保护层12。所述致动器包括两个对称排列的致动单元14、中间层13。中间层13采用5mm厚度硬度较低的热塑性聚氨酯橡胶制作，该材料具备良好的弯曲变形能力，但拉伸能力较差，因此当所述致动单元14与中间层13采用粘合剂粘接时，实现紧密配合且不发生相对移动，能够对致动单元14的变形过程产生约束。
如图4所示，致动单元14包括多个变形腔室15(典型而非限定的，在本实施例中，每个致动单元14包括5个变形腔室15)，相邻腔室间存在较小间隔，变形腔室15的数量由致动单元长度等尺寸数据决定，通过数值仿真的方式确定适宜的腔室数量和间隔。腔室之间通过内部流体管路16相互连通。致动单元14采用硬度较低的热塑性聚氨酯橡胶制作，厚度由工作环境压力决定。当腔室内部压力增大时，腔室膨胀，相连腔室之间变形最大处互相挤压，由于致动单元14与中间层13采用粘合剂粘接，且中间层13具备良好的弯曲变形能力不易被拉伸，因而致动器向加压腔室所在另一侧弯曲，由此产生整个柔性臂模块的弯曲运动。
如图5所示，所述法兰盘连接件4一端为法兰盘连接板18，法兰盘连接板18用于与外部救援机械设备进行可靠连接，另一端为周圈开孔的柔性臂连接板17，柔性臂连接板17用于连接柔性臂模块的连接件2。柔性臂连接板17周圈均匀布置连接件安装孔19。
如图6所示，本实施例的连接件2一端存在下沉接口21用于和柔性臂单元1连接，另一端为周圈开孔的连接板22，连接件2和直接相连的柔性臂单元1相对固定；所述连接板22周圈均匀布置连接件安装孔19，相邻柔性臂模块的连接板由通过安装孔的螺栓连接，改变相邻连接件安装孔19对应位置，能够改变柔性机械臂构型。优选的，所述连接件2的下沉接口21与柔性臂单元1形状尺寸相匹配，并进行可靠粘接；所述下沉接口21壁面上开设有流体管路放置凹槽20，用于流体管路接口3的突出部分穿出。在本发明的一个具体实施例中，硅胶保护层12整体呈现圆柱形，外形尺寸和连接件2的下沉接口21相匹配，通过硅胶粘合剂可以良好的固定于连接件2，硅胶保护层12内侧与致动单元14贴合，用于避免致动单元14接触外部尖锐物体进而出现破损，并增加柔性臂单元1刚度，限制柔性臂单元1在内部压力下的变形程度。硅胶保护层12厚度根据工作环境压力确定，采用浇筑方法制作。
每个所述致动单元14均设置有流体管路接口3用于充入或者吸出海水，所述柔性臂单元的两侧致动单元14分别经由流体管路接口3、流体管路连接至活塞缸10上被活塞隔开的两个腔室的流体出口11；电机通过传动装置连接活塞杆推动活塞杆带动活塞在活塞腔内直线往复运动，活塞的运动使得活塞腔向致动单元14充入或者吸出海水。致动单元14各变形腔室间压力变化一致，产生的膨胀变形量一致。流体管路接口3与致动单元14一体制作，保证连接的可靠性。所述流体管路接口3具有一定伸出长度段，伸出长度段具有柔性，与驱动部分的活塞缸流体出口11连接。由于液压驱动时，液压管路可自由排布无需保持紧绷，因此柔性机械臂可以任意布置在海上救援船搭载救援设备的末端，不受管路长度的限制。
多个柔性臂模块通过连接件2上连接件安装孔进行螺栓连接，根据救援任务的需要，可以自由组装多个柔性臂模块的多少，且因为柔性臂模块整体密度和海水接近，因此在执行水环境任务时，所需克服的重力基本可以忽略。
连接板23圆周布置连接件安装孔19二十四个，间隔15°，相邻连接板22配合时可错开n×15°，n为整数，从而可以改变相连柔性臂单元1的运动平面夹角，使海水驱动模块化柔性机械臂呈现不同的弯曲或缠绕构型，由此可以实现待救援人员不同的姿态调整和救援方式。
法兰盘连接板18与海上救援船原有救援设备24的法兰盘形状尺寸相匹配，通过螺栓固定连接。
如图7所示，海水驱动模块化柔性机械臂采用海水驱动，无需额外气泵和液压油泵等，同时避免了可能出现的环境污染。海水驱动模块化柔性机械臂驱动装置为活塞缸10，放置于海上救援船23中，柔性机械臂运动部分25安装于海上救援船原有救援设备24末端，实现了驱动机构和运动机构的分离，则运动部分不需要考虑防水、耐压、绝缘、耐腐蚀等问题。该柔性机械臂运动部分25主要材料为硅胶和热塑性聚氨酯橡胶，易于通过3D打印技术和浇筑技术大量生产。
当海上救援船发现有人落水需要救援，若无专业救援人员或专业救援人员需要辅助作业时，或救援船搭载的机械臂设备末端的网兜难以在漂浮杂物的海面上精准捕捞待救援人员时，通过法兰盘连接件4将本发明的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂运动部分快速安装至救援船搭载的机械臂设备末端，连接活塞缸10和各柔性臂模块的流体管路接口3，待海上救援船行使至待救援人员附近处，伸出救援船搭载的机械臂设备，保证此机械臂设备和待救援人员的距离，以免伤害待救援人员。控制海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂靠近待救援人员，由于该柔性机械臂采用柔性材料制作且惯性较低，可正常触碰待救援人员，并灵活避开周围存在的障碍物。若待救援人员仍具备行为能力，可由待救援人员抱住海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，并由救援船搭载的机械臂设备缓慢收回，将待救援人员拉回救援船。若待救援人员失去行为能力，可控制该柔性机械臂从水下缠绕待救援人员躯干，并控制其头部露出水面，将待救援人员拉回救援船。由此，可通过专业救援人员、救援船搭载的机械臂设备和海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂相互配合，安全高效地救援落水人员，并避免周围障碍物的干扰，辅助救援人员进行作业。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：包括运动部分和用于驱动所述运动部分的驱动部分；
所述运动部分包括数个相互连接的柔性臂模块和位于运动部分固定端的用于连接外部救援机械设备的法兰盘连接件(4)；所述柔性臂模块包含一个柔性臂单元(1)和设置在柔性臂单元两端的两个相同的连接件(2)；
所述柔性臂单元包括致动器和包裹在致动器外部的硅胶护保层(12)；所述致动器包括中间层(13)和两个对称排列在中间层(13)两侧的致动单元(14)；每个所述致动单元(14)均设置有流体管路接口(3)用于充入或者吸出海水，通过两侧致动单元(14)膨胀或者收缩程度的不同，带动致动器产生弯曲运动，
所述致动单元(14)包括多个变形腔室(15)，腔室之间通过内部流体管路(16)相互连通；
所述驱动部分包括多个相同的驱动单元，驱动单元数量与柔性臂模块数量相等且一一对应；每个驱动单元均包括电机、传动装置、活塞腔、设置在活塞腔内的活塞、连接活塞的活塞杆；所述柔性臂单元的两侧致动单元(14)分别经由各自的流体管路连接至活塞缸(10)上被活塞隔开的两个腔室的流体出口(11)；
电机通过传动装置连接活塞杆推动活塞杆带动活塞在活塞腔内直线往复运动，活塞的运动使得活塞腔向致动单元(14)充入或者吸出海水。
2.根据权利要求1所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述连接件(2)一端存在下沉接口(21)用于和柔性臂单元(1)连接，另一端为周圈开孔的连接板(22)，连接件(2)和直接相连的柔性臂单元(1)相对固定；所述法兰盘连接件(4)一端为法兰盘连接板(18)，法兰盘连接板(18)用于与外部救援机械设备进行可靠连接，另一端为周圈开孔的柔性臂连接板(17)，柔性臂连接板(17)用于连接柔性臂模块的连接件(2)。
3.根据权利要求2所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述连接板(22)周圈均匀布置连接件安装孔(19)，相邻柔性臂模块的连接板由通过安装孔的螺栓连接，改变相邻连接件安装孔(19)对应位置，能够改变柔性机械臂构型。
4.根据权利要求1所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述致动单元(14)和中间层(13)之间采用粘合剂进行可靠粘接，致动单元与中间层(13)不发生相对移动。
5.根据权利要求1所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述硅胶保护层(12)外侧呈现圆柱形，内侧与致动单元(14)贴合，用于避免致动单元(14)接触外部尖锐物体进而出现破损，并增加柔性臂单元(1)刚度。
6.根据权利要求1所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述致动单元(14)各变形腔室间压力变化一致，产生的膨胀变形量一致。
7.根据权利要求1所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述流体管路接口(3)具有一定伸出长度，伸出长度段具有柔性，与驱动部分的活塞缸流体出口(11)连接。
8.根据权利要求1所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述连接件(2)的下沉接口(21)与柔性臂单元(1)形状尺寸相匹配，并进行可靠粘接；所述下沉接口(21)壁面上开设有流体管路放置凹槽(20)，用于流体管路接口(3)的突出部分穿出。
9.根据权利要求2所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述连接板(22)圆周布置连接件安装孔(19)24个，所述法兰盘连接板(18)圆周布置法兰盘连接件安装孔24个，间隔15°，相邻连接板(22)或法兰盘连接板(18)配合时可错开n×15°，n为整数，改变柔性臂单元(1)运动平面夹角，使海水驱动模块化柔性机械臂呈现不同的弯曲或缠绕构型。
10.根据权利要求1所述的海上救援用海水驱动模块化柔性机械臂，其特征在于：所述柔性臂单元采用硅胶材料，所述连接件(2)采用密度小于海水的工程塑料。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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