CN117921711B - 具有抓取功能的潜水设备 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种具有抓取功能的潜水设备，通过水舱承载观察舱，观察舱为操作员提供了容身处。由于观察舱内部的介质为空气，而观察舱外部的介质为海水，由于这两种介质的折射率不一样，目标物在操作员眼中的成像会偏离目标物的实际位置。操作手直接移动第一支臂和第二支臂至操作手眼中目标物成像位置，由观察舱内的电子主板，计算第一电机和第二电机的转动量，计算出第一支臂和第二支臂的位移量，在通过海水在空气中的折射偏差量，利用耦合器的第一耦合部、第二耦合部和第三耦合部，在三维空间内，对抓取手的偏差量进行耦合修正。这种装置设计，只修要根据目标物的成像就能够快速定位抓取手于目标物。

Description

具有抓取功能的潜水设备

技术领域

本申请涉及潜水设备技术领域，特别是涉及一种具有抓取功能的潜水设备。

背景技术

随着海洋开发的热度上升，越来越多的海洋作业需要潜水设备，比如海底遗迹的打捞、科考项目中的海底珊瑚取样甚至是海底观光项目的贝壳拾取等。这些海底活动都需要具有抓取功能的潜水设备。

目前，具有抓取功能的潜水设备抓取目标物识别大多采用摄像头或者目视。然而，采用摄像头的识别结构会出现信号延迟的现象，这是由于数据传输过程中，存在信号延时，而采用低延时的信号传输设备高昂。而采用目视的方法，存在光线的折射，这会导致目标物定位不准确。具体的，虽然潜水设备的抓取机构与目标物同处于海水，但是移动抓取机构过程中，仍会因为光线折射导致定位不准确，这会延长海底作业时间，消耗大量氧气。为此有必要针对传统的目视法抓取目标物的潜水设备无法快速精确抓取目标物的缺陷，提出一种具有抓取功能的潜水设备。

发明内容

基于此，有必要针对传统的目视法抓取目标物的潜水设备无法快速精确抓取目标物的缺陷，提出一种具有抓取功能的潜水设备。

本申请提供一种具有抓取功能的潜水设备，应用于潜水艇，所述潜水艇包括：

水舱；

观察舱，与所述水舱固定连接；

机械臂，与所述水舱固定连接；

所述机械臂，包括：

耦合器，与所述水舱固定连接，与所述观察舱电连接，所述耦合器包括第一耦合部、第二耦合部和第三耦合部，所述第一耦合部与所述第二耦合部相互垂直，所述第一耦合部与所述第三耦合部相互垂直，所述第二耦合部和所述第三耦合部相互垂直；

第一支臂，与所述耦合器连接，所述第一支臂包括第一本体和第一电机，所述第一本体与所述第一电机铰接；

第二支臂，包括第二本体和第二电机，所述第二本体与所述第二电机铰接，所述第一电机的中心轴和所述第二电机的中心轴相互垂直；

抓取手，与所述第二支臂铰接。

本申请涉及一种具有抓取功能的潜水设备，通过水舱承载观察舱，观察舱为操作员提供了容身处。由于观察舱内部的介质为空气，而观察舱外部的介质为海水，由于这两种介质的折射率不一样，目标物在操作员眼中的成像会偏离目标物的实际位置。此时有两种解决方案：其一，利用同在海水中的机械臂缓慢靠近目标物，慢慢修正偏差，由于机械臂在操作员的眼中的成像也有偏差，机械臂慢慢靠近目标物时，也能够触摸到目标物，然而，这种方法较为耗时，潜水设备所携带的氧气，难以支持长时间的抓取任务。其二，操作手直接移动第一支臂和第二支臂至操作手眼中目标物成像位置，由观察舱内的电子主板，计算第一电机和第二电机的转动量，计算出第一支臂和第二支臂的位移量，在通过海水在空气中的折射偏差量，利用耦合器的第一耦合部、第二耦合部和第三耦合部，在三维空间内，对抓取手的偏差量进行耦合修正。这种装置设计，只修要根据目标物的成像就能够快速定位抓取手于目标物。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本申请一实施例提供的一种具有抓取功能的潜水设备的设备连接图；

图2为本申请一实施例提供的一种具有抓取功能的潜水设备的原理图；

图3为本申请一实施例提供的一种具有抓取功能的潜水设备的机械臂结构连接图；

图4为本申请又一实施例提供的一种具有抓取功能的潜水设备的机械臂结构连接图；

图5为本申请再一实施例提供的一种具有抓取功能的潜水设备的机械臂结构连接图。

附图标记：

a-水舱；b-观察舱；c-机械臂；100-耦合器；110-第一耦合部；111-第一滑轨；112-第一直线电机；120-第二耦合部；121-第二滑轨；122-第二直线电机；130-第三耦合部；131-第三滑轨；132-第三直线电机；140-第一基板；141-通孔；150-第二基板；200-第一支臂；210-第一本体；211-第一本体的第一端；212-第一本体的第二端；220-第一电机；230-第一齿轮组；300-第二支臂；310-第二本体；311-第二本体的第一端；312-第二本体的第二端；320-第二电机；330-第二齿轮组；400-抓取手；500-凸块。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请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申请，并不用于限定本申请。

本申请提供一种具有抓取功能的潜水设备。

如图1和图2所示，在本申请的一实施例中，一种具有抓取功能的潜水设备，应用于潜水艇，所述潜水艇包括水舱a、观察舱b和机械臂c。

所述观察舱b与所述水舱a固定连接。

所述机械臂c与所述水舱a固定连接。

所述机械臂c包括耦合器100、第一支臂200、第二支臂300和抓取手400。

所述耦合器100与所述水舱a固定连接，与所述观察舱b电连接，所述耦合器100包括第一耦合部110、第二耦合部120和第三耦合部130，所述第一耦合部110与所述第二耦合部120相互垂直，所述第一耦合部110与所述第三耦合部130相互垂直，所述第二耦合部120和所述第三耦合部130相互垂直；

所述第一支臂200与所述耦合器100连接，所述第一支臂200包括第一本体210和第一电机220，所述第一本体210与所述第一电机220铰接。

所述第二支臂300包括第二本体310和第二电机320，所述第二本体310与所述第二电机320铰接，所述第一电机220的中心轴和所述第二电机320的中心轴相互垂直。

所述抓取手400与所述第二支臂300铰接。

具体的，通过水舱a承载观察舱b，观察舱b为操作员提供了容身处。

由于这两种介质的折射率不一样，目标物在操作员眼中的成像会偏离目标物的实际位置。此时有两种解决方案：其一，利用同在海水中的机械臂c缓慢靠近目标物，慢慢修正偏差，由于机械臂c在操作员的眼中的成像也有偏差，机械臂c慢慢靠近目标物时，也能够触摸到目标物，然而，这种方法较为耗时，潜水设备所携带的氧气，难以支持长时间的抓取任务。其二，操作手直接移动第一支臂200和第二支臂300至操作手眼中目标物成像位置，由观察舱b内的电子主板，计算第一电机220和第二电机320的转动量，计算出第一支臂200和第二支臂300的位移量，在通过海水在空气中的折射偏差量，利用耦合器100的第一耦合部110、第二耦合部120和第三耦合部130，在三维空间内，对抓取手400的偏差量进行耦合修正。

本实施例涉及一种具有抓取功能的潜水设备，只修要根据目标物的成像就能够快速定位抓取手400于目标物。带有三维耦合机构的耦合器100解决了传统的目视法抓取目标物的潜水设备无法快速精确的抓取目标物的缺陷。

如图3所示，在本申请的一实施例中，所述耦合器100还包括第一基板140和第二基板150。所述第一基板140与所述水舱a固定连接。所述第一耦合部110与所述第一基板140连接。所述第一耦合部110与所述第二耦合部120连接。所述第二耦合部120与所述第三耦合部130连接。所述第三耦合部130与所述第二基板150固定连接。所述第二基板150与所述第一本体210连接。

本实施例涉及耦合器100的第一基板140和第二基板150。实际上，第一基板140与第二基板150之间是耦合器100的本体，这个本体由第一耦合部110、第二耦合部120和第三耦合部130三部分组合而成。第一耦合部110与第二耦合部120相互垂直。第一耦合部110与第三耦合部130相互垂直。第二耦合部120和第三耦合部130相互垂直。耦合器100的本体能够带动第二基板150在三维空间内相对第一基板140平行运动。耦合器100的本体能够实现抓取手400从目标物的成像位置至实际位置的耦合。

如图3至图5所示，在本申请的一实施例中，所述第一耦合部110包括第一滑轨111和第一直线电机112。所述第一滑轨111与所述第一基板140固定连接。所述第一滑轨111与所述第一基板140之间设置有垫片。所述第一直线电机112套设于所述第一滑轨111。

所述第二耦合部120包括第二滑轨121和第二直线电机122。所述第二滑轨121与所述第一直线电机112固定连接。所述第二滑轨121与所述第一直线电机112之间设置有垫片。所述第二直线电机122套设于所述第二滑轨121。所述第一滑轨111与所述第二滑轨121相互垂直。

所述第三耦合部130包括第三滑轨131和第三直线电机132。所述第三滑轨131与所述第二直线电机122固定连接。所述第三滑轨131与所述第二直线电机122之间设置有垫片。所述第三直线电机132套设于所述第三滑轨131。所述第一滑轨111与所述第三滑轨131相互垂直。所述第三滑轨131与所述第二滑轨121相互垂直。所述第三直线电机132与所述第二基板150固定连接。所述第一基板140与所述第二基板150相互平行。

具体的，虽然在海水中第一支臂200、第二支臂300和抓取手400能够受到浮力，但是相对于耦合器100的本体来说，机械臂c的重量还是较大。为此，本实施例的第一滑轨111、第二滑轨121和第三滑轨131结构相同，均有三根导向杆，这三根导向杆能够为直线电机提供足够的支持力。

值得一提的，第一滑轨111与第一基板140之间设置有垫片。第二滑轨121与第一直线电机112之间设置有垫片。第三滑轨131与第二直线电机122之间设置有垫片。其中垫片的作用为增大滑轨与安装面之间的间距，保证直线电机能够套设于滑轨，是滑轨为直线电机提供充足的支持力。也为了保证直线电机能够稳定运行，不发生抖动。

更具体的，第一滑轨111与第二滑轨121相互垂直。第一滑轨111与第三滑轨131相互垂直。第三滑轨131与第二滑轨121相互垂直。滑轨具有导向作用，相互垂直的滑轨，能够保证直线电机的运动方向也为相互垂直。当第一基板140与第二基板150在三维直角坐标系中运动时，耦合器100的补偿量计算简单，这能够提高耦合器100的耦合速度。

如图3至图5所示，在本申请的一实施例中，所述第一电机220与所述第一基板140固定连接。所述第一本体210的第一端211套设于所述第一电机220的输出轴。所述第一本体210的第一端211与所述第一电机220的输出轴卡置连接。

所述第二电机320与所述第一本体210的第二端212固定连接。所述第二本体310的第一端311套设于所述第二电机320的输出轴。所述第二本体310的第一端311与所述第二电机320的输出轴卡置连接。

具体的，在实际的使用过程以第二基板为坐标原点，建立空间直角坐标系，那么第一电机带动第一本体的第二端的位移矢量可以表示为（L,0,K）。

其中为长度/>第一本体的第二端在第一电机的带动向下的计算结果，在XOZ平面内根据公式1计算：

公式1

其中，为长度为/>的第一本体的第二端在第一电机的带动向下，在XOZ平面的转动长度在X轴上的映射长度，/>为第一本体的长度，/>为第一本体的第二端初始角度，为第一电机转动角。

其中，为长度/>第一本体的第二端在第一电机的带动向下的计算结果，在XOZ平面内根据公式2计算：

公式2

其中，为长度为/>的第一本体的第二端在第一电机的带动向下，在XOZ平面的转动长度在Z轴上的映射长度，/>为第一本体的长度，/>为第一本体的第二端初始角度，为第一电机转动角。

那么第二电机带动第二本体的第二端绕第一本体的第二端的位移矢量可以表示为（M,N,0）。

其中,为长度/>第二本体的第二端在第二电机的带动向下的计算结果，在XOY平面的转动长度，根据公式3计算：

公式3

其中，为长度为/>的第二本体的第二端在第二电机的带动向下，在XOY平面的转动长度在X轴上的映射长度，/>为第二本体的长度，/>为第二本体的第二端初始角度，为第二电机转动角。

其中,为长度/>第二本体的第二端在第二电机的计算结果，在XOZ平面内根据公式4计算：

公式4

其中，为长度为/>的第二本体的第二端在第二电机的带动向下，在XOY平面的转动长度在Y轴上的映射长度，/>为第二本体的长度，/>为第二本体的第二端初始角度，为第二电机转动角。基于第一本体的第二端的空间向量（L,0,K）和第二本体的第二端的空间向量（M,N,0），可知抓取手移动至目标物成像的空间向量为(L+M,N,K)。

如图2所示，根据海水的折射率和空气的折射率之比，可知入射角度的余弦值与折射角度的余弦值之比。代入目标物成像的合空间向量为(L+M,N,K)即可知耦合补偿的空间向量。

如图3至图5所示，在本申请的一实施例中，所述第一电机220与所述第一基板140固定连接。所述第一本体210的第一端211与所述第一电机220的输出轴之间设置有第一齿轮组230。所述第一齿轮组230与所述第一本体210的第一端211啮合。所述第一齿轮组230与所述第一电机220的输出轴啮合。所述第一齿轮组230靠近所述第一本体210的齿轮的齿数与所述第一齿轮组230靠近所述第一电机220的输出轴的齿轮的齿数比位于0.2至0.4的数值范围。

所述第二电机320与所述第一本体210的第二端212定连接。所述第二本体310的第一端311与所述第二电机320的输出轴之间设置有第二齿轮组330。所述第二齿轮组330与所述第二本体310的第一端311啮合。所述第二齿轮组330与所述第二电机320的输出轴啮合。所述第二齿轮组330靠近所述第二本体310的齿轮的齿数与所述第二齿轮组330靠近所述第二电机320的输出轴的齿轮的齿数比位于0.2至0.4的数值范围。

具体的，由于部分水下作业环境需要抓取重物，小尺寸电机难以满足扭矩需求，但是电机尺寸无法扩大，所以利用了齿数比位于0.2至0.4的数值范围的第一齿轮组230和第二齿轮组330的技术方案。

本实施例涉及齿轮组，齿轮组能够有效的增大小尺寸电机的扭矩，有利于机械臂c适应不同的工作环境。

如图3至图5所示，在本申请的一实施例中，所述水舱a与所述第一基板140贴合出设置有凸块500。所述凸块500卡置于所述第一基板140顶端。所述第一基板140设置有通孔141。所述通孔141设置有内螺纹。所述水舱a与所述通孔141螺纹连接。

具体的，当机械臂c能够适应大重量的抓取任务时，为了能够增加机械臂c的机械强度，机械臂c的自重将会增加。此时机械臂c能够作为应急铅块。水舱a与通孔141螺纹连接，能够保证潜水艇出现渗水事故时，潜水艇摆脱机械臂c顺利上浮。

更具体的，凸块500卡置于第一基板140顶端，当螺纹杆转动时，凸块500卡置于第一基板140顶端，保证第一基板140不会同步转动，进而实现，水舱a与机械臂c分离。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，各方法步骤也并不做执行顺序的限制，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种具有抓取功能的潜水设备，应用于潜水艇，所述潜水艇包括：

水舱；

观察舱，与所述水舱固定连接；

机械臂，与所述水舱固定连接；

所述机械臂，其特征在于，包括：

耦合器，与所述水舱固定连接，与所述观察舱电连接，所述耦合器包括第一耦合部、第二耦合部和第三耦合部，所述第一耦合部与所述第二耦合部相互垂直，所述第一耦合部与所述第三耦合部相互垂直，所述第二耦合部和所述第三耦合部相互垂直；

第一支臂，与所述耦合器连接，所述第一支臂包括第一本体和第一电机，所述第一本体与所述第一电机铰接；

第二支臂，包括第二本体和第二电机，所述第二本体与所述第二电机铰接，所述第一电机的中心轴和所述第二电机的中心轴相互垂直；

抓取手，与所述第二支臂铰接；

第一基板与第二基板之间是耦合器的本体，耦合器的本体由第一耦合部、第二耦合部和第三耦合部三部分组合而成；

利用耦合器的第一耦合部、第二耦合部和第三耦合部，在三维空间内，对抓取手的偏差量进行耦合修正；

所述利用耦合器的第一耦合部、第二耦合部和第三耦合部，在三维空间内，对抓取手的偏差量进行耦合修正，包括：

将以第二基板为坐标原点，建立空间直角坐标系，第一电机带动第一本体的第二端的位移矢量表示为（L,0,K）；

其中，为长度为/>的第一本体的第二端在第一电机的带动向下，在XOZ平面的转动长度在X轴上的映射长度，/>为长度为/>的第一本体的第二端在第一电机的带动向下，在XOZ平面的转动长度在Z轴上的映射长度；

将第二电机带动第二本体的第二端绕第一本体的第二端的位移矢量表示为（M,N,0）；

其中，为长度为/>的第二本体的第二端在第二电机的带动向下，在XOY平面的转动长度在X轴上的映射长度，/>为长度为/>的第二本体的第二端在第二电机的带动向下，在XOY平面的转动长度在Y轴上的映射长度；

基于第一本体的第二端的空间向量（L,0,K）和第二本体的第二端的空间向量（M,N,0），得出抓取手移动至目标物成像的空间向量为(L+M,N,K)；

耦合器的本体带动第二基板在三维空间内相对第一基板平行运动，耦合器的本体实现抓取手从目标物的成像位置至实际位置的耦合。

2.根据权利要求1所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述耦合器还包括第一基板和第二基板；

所述第一基板与所述水舱固定连接；

所述第一耦合部与所述第一基板连接；

所述第一耦合部与所述第二耦合部连接；

所述第二耦合部与所述第三耦合部连接；

所述第三耦合部与所述第二基板固定连接；

所述第二基板与所述第一本体连接。

3.根据权利要求2所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述第一耦合部包括第一滑轨和第一直线电机；

所述第一滑轨与所述第一基板固定连接；

所述第一滑轨与所述第一基板之间设置有垫片；

所述第一直线电机套设于所述第一滑轨。

4.根据权利要求3所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述第二耦合部包括第二滑轨和第二直线电机；

所述第二滑轨与所述第一直线电机固定连接；

所述第二滑轨与所述第一直线电机之间设置有垫片；

所述第二直线电机套设于所述第二滑轨；

所述第一滑轨与所述第二滑轨相互垂直。

5.根据权利要求4所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述第三耦合部包括第三滑轨和第三直线电机；

所述第三滑轨与所述第二直线电机固定连接；

所述第三滑轨与所述第二直线电机之间设置有垫片；

所述第三直线电机套设于所述第三滑轨；

所述第一滑轨与所述第三滑轨相互垂直；

所述第三滑轨与所述第二滑轨相互垂直；

所述第三直线电机与所述第二基板固定连接；

所述第一基板与所述第二基板相互平行。

6.根据权利要求5所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述第一电机与所述第一基板固定连接；

所述第一本体的第一端套设于所述第一电机的输出轴；

所述第一本体的第一端与所述第一电机的输出轴卡置连接。

7.根据权利要求6所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述第二电机与所述第一本体的第二端固定连接；

所述第二本体的第一端套设于所述第二电机的输出轴；

所述第二本体的第一端与所述第二电机的输出轴卡置连接。

8.根据权利要求5所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述第一电机与所述第一基板固定连接；

所述第一本体的第一端与所述第一电机的输出轴之间设置有第一齿轮组；

所述第一齿轮组与所述第一本体的第一端啮合；

所述第一齿轮组与所述第一电机的输出轴啮合；

所述第一齿轮组靠近所述第一本体的齿轮的齿数与所述第一齿轮组靠近所述第一电机的输出轴的齿轮的齿数比位于0.2至0.4的数值范围。

9.根据权利要求8所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述第二电机与所述第一本体的第二端固定连接；

所述第二本体的第一端与所述第二电机的输出轴之间设置有第二齿轮组；

所述第二齿轮组与所述第二本体的第一端啮合；

所述第二齿轮组与所述第二电机的输出轴啮合；

所述第二齿轮组靠近所述第二本体的齿轮的齿数与所述第二齿轮组靠近所述第二电机的输出轴的齿轮的齿数比位于0.2至0.4的数值范围。

10.根据权利要求9所述的一种具有抓取功能的潜水设备，其特征在于，所述水舱与所述第一基板贴合处设置有凸块；

所述凸块卡置于所述第一基板顶端；

所述第一基板设置有通孔；所述通孔设置有内螺纹；

所述水舱与所述通孔螺纹连接。