CN118124765A - 一种多关节柔性水下探测机械臂及其水下机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水下机械臂技术领域，特别是涉及一种多关节柔性水下探测机械臂及其水下机器人，包括：连接底座；机械臂机构，机械臂机构包括若干个机械臂关节筒，相邻机械臂关节筒之间采用万向节连接，首端的机械臂关节筒通过万向节与连接底座连接；驱动结构，一机械臂关节筒上安装有推进件Ⅰ和推进件Ⅱ，推进件Ⅰ和推进件Ⅱ垂直设置；终端结构，终端结构通过万向节与末端的机械臂关节筒可拆卸连接。本发明公开的多关节柔性水下探测机械臂其结构设计巧妙，具有结构轻巧、质量小以及冗余自由度大的优点，在水下有较高的机动性，可以连续长时间作业，能够较好地实现对水下管道等狭小空间的视频探测，管道检修等，在民用和军用两方面都有很大的应用潜力。

Description

一种多关节柔性水下探测机械臂及其水下机器人

技术领域

本发明涉及水下机械臂技术领域，特别是涉及一种多关节柔性水下探测机械臂及其水下机器人。

背景技术

海洋蕴藏着丰富的生物、矿产、石油、天然气等资源，具有极高的探索价值。遥控式水下机器人(Remotely Operated Underwater Vehicle，简称ROV)安全、高效、活动范围大、机动性好、可以全天候工作，是当前开发海洋资源和认识海洋的重要工具之一。ROV本身仅是一种运载工具，如果要进行具体水下作业，就需要安装水下作业工具，主要包括机械臂以及安装在机械臂上面的末端执行工具。因此，具有不同功能的水下机械臂相继被研发出来用于水下任务中。

传统的刚性水下机械臂的设计通常采用刚性关节与连杆机构，这种机械臂具有运动精确的优点，但传动效率低，转动惯量大，且自由度数有限，灵活性不高，没法满足水下机械臂在在一系列狭小、受限、非结构化的空间内灵活运动，例如沉船，珊瑚礁等。与刚性机械臂相比较，多关节柔性水下机械臂优势在于其柔性好、质量小、冗余自由度多、灵活性、连续变形能力以及避障性远远强于传统的工业机械臂，例如蛇形机器人、仿象鼻机械臂等，可以满足灵活运动的要求，适应复杂、狭小工作环境，因此在复杂海洋探测研究中更有着很多潜在的优点。而现有市面上的水下探测ROV大多数在使用时，传统的刚性水下机械臂由于其尺寸结构以及自由度的限制，不能够灵活的调节机械臂的方向，而目前有的多关节柔性水下机械臂其旋转的角度受限，没有办法多方位旋转，而在这样的情况下，ROV进行多方位转动和调节位置，很容易损坏ROV搭载的机械臂或损伤到ROV本身，或在探测的过程中出现意外无法运行，达不到工作的最佳效果。

因此，亟需一种多关节柔性水下探测机械臂及其水下机器人来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种多关节柔性水下探测机械臂及其水下机器人，以解决现有技术存在的问题，相较于典型的6自由度+摄像头/手爪的结构，其结构设计巧妙，具有结构轻巧、质量小以及冗余自由度大的优点，在水下有较高的机动性，可以连续长时间作业，能够较好地实现对水下管道等狭小空间的视频探测，管道检修等，在民用和军用两方面都有很大的应用潜力。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种多关节柔性水下探测机械臂，包括：

连接底座；

机械臂机构，所述机械臂机构包括若干个机械臂关节筒，相邻所述机械臂关节筒之间采用万向节连接，首端的所述机械臂关节筒通过万向节与所述连接底座连接；

驱动结构，一所述机械臂关节筒上安装有推进件Ⅰ和推进件Ⅱ，且所述推进件Ⅰ和推进件Ⅱ垂直设置，启动所述推进件Ⅰ和推进件Ⅱ可以带动所述机械臂机构多姿态运动；

终端结构，所述终端结构通过万向节与末端的所述机械臂关节筒可拆卸连接，所述终端结构为机械臂末端执行工具，所述机械臂末端执行工具可以依据不同工况进行更换。

优选的，所述万向节包括球座和球头；

一所述机械臂关节筒的两侧分别固定安装有球座和球头，相邻所述机械臂关节筒之间的球座和球头相适配；

所述连接底座上安装有球头，连接时，所述球头与首端的所述机械臂关节筒的球座相适配；

所述终端结构上安装有球座，连接时，所述球座与末端的所述机械臂关节筒的球头相适配。

优选的，相邻所述机械臂关节筒之间的所述万向节外包覆有柔性防护套，所述柔性防护套的两端分别与相邻所述机械臂关节筒固定连接。

优选的，所述机械臂关节筒的材质为浮力材料。

优选的，所述推进件Ⅰ为对称安装在所述机械臂关节筒上的前推进器，所述推进件Ⅱ为对称安装在所述机械臂关节筒上的后推进器。

优选的，所述机械臂末端执行工具为摄像头、抓手和采样器中任意一种。

优选的，所述终端结构上固定安装有末端传感器。

优选的，所述柔性防护套为波纹管。

为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：本发明还提供一种水下机器人，包括：

ROV运载本体，

控制单元，所述控制单元固定安装在所述ROV运载本体上；

上述所述的多关节柔性水下探测机械臂，所述控制单元分别与所述连接底座、驱动结构和终端结构电性连接。

本发明公开了以下技术效果：本发明公开的多关节柔性水下探测机械臂及其水下机械人，通过采用万向节结构将多个机械臂机构进行连接，这样可以实现三维空间里的任意转动；再者，配合驱动结构的使用，可以保证机械臂机构可以在三维空间内的移动，同时，终端结构采用可拆卸安装的形式可以使其进行不同的水下作业；而整个多关节柔性水下探测机械臂相较于典型的6自由度+摄像头/手爪的结构，其结构设计巧妙，具有结构轻巧、质量小以及冗余自由度大的优点，在水下有较高的机动性，可以连续长时间作业，能够较好地实现对水下管道等狭小空间的视频探测，管道检修等，在民用和军用两方面都有很大的应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中多关节柔性水下探测机械臂的结构示意图；

图2为机械臂关节筒连接的结构示意图；

图3为本发明中水下机器人的结构示意图；

图4为本发明中水下机器人的主视图；

图5为本发明中水下机器人的俯视图；

图6为本发明中水下机器人的仰视图；

其中，1、ROV运载本体；2、控制单元；3、连接底座；4、万向节；41、球座；42、球头；5、波纹管；6、机械臂关节筒；7、前推进器；8、后推进器；9、摄像头；10、末端传感器。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1-图2，本发明提供一种多关节柔性水下探测机械臂，包括：

连接底座3；

机械臂机构，所述机械臂机构包括若干个机械臂关节筒6，相邻所述机械臂关节筒6之间采用万向节4连接，首端的所述机械臂关节筒6通过万向节4与所述连接底座3连接；

驱动结构，一所述机械臂关节筒6上安装有推进件Ⅰ和推进件Ⅱ，且所述推进件Ⅰ和推进件Ⅱ垂直设置，启动所述推进件Ⅰ和推进件Ⅱ可以带动所述机械臂机构多姿态运动；

终端结构，所述终端结构通过万向节4与末端的所述机械臂关节筒6可拆卸连接，所述终端结构为机械臂末端执行工具，所述机械臂末端执行工具可以依据不同工况进行更换。

具体的，如图1-图2所示，为了使得本申请公开的多关节柔性水下探测机械臂更加轻便灵活，机械臂关节筒6优选为薄壁圆筒结构，同时其材质采用浮力材料，这样即便是多个机械臂关节筒6组合成的机械臂关节筒6依然可以保证结构重量轻，其在水下运动时，对ROV本体姿态和运动的干扰和影响小，能够有效保证系统工作的可靠性，同时，其机械臂机构整体结构体积小，造价较低，更适合在狭小区域作业，不受水中杂物的影响；再者，多个机械臂关节筒6组合的形式即为模块化设计理念，可以根据实际需要增加或减少机械臂关节数目、机械臂的尺寸结构和自由度，完成更多工况下的工作要求，更加符合市场的要求。传统的万向节4是由两个节叉和十字轴组成，十字轴的应用使万向节4的转动角度小，工作不够平稳，运转时寿命短等缺点。本发明公开的多关节柔性水下探测机械臂的多个机械臂关节筒6之间采用万向节4，转动角度大，工作平稳，运转时寿命长等。此外，本申请的终端结构采用可拆卸形式安装，可以适应多种工况的使用，扩大机械臂的使用范围，因而，本发明公开的多关节柔性水下探测机械臂具有适配比高、运动灵活、作业能力强和智能化较高等优点，能替代或弥补现有系统所搭载的传统机械臂的不足之处，能够顺利完成海底勘探，对于海洋探索等水下作业任务具有良好的益处。

进一步优化方案，所述万向节4包括球座41和球头42；

一所述机械臂关节筒6的两侧分别固定安装有球座41和球头42，相邻所述机械臂关节筒6之间的球座41和球头42相适配；

所述连接底座3上安装有球头42，连接时，所述球头42与首端的所述机械臂关节筒6的球座41相适配；

所述终端结构上安装有球座41，连接时，所述球座41与末端的所述机械臂关节筒6的球头42相适配。

具体的，如图2所示，为了提高机械臂机构的灵活度，使得其可以多方位转动，在连接底座3、终端结构和机械臂关节筒6上均安装有球座41和球头42，即采用球型万向节4结构，各结构间通过球座41和球头42的适配来满足整个机械臂机构旋转时的灵活度，当机械臂机构进行运动时，各个机械臂关节筒6在球头42的作用下可以360度旋转，提高了旋转角度的灵活度，实现对机械臂机构偏转、俯仰运动等各种动作和姿态调整。

更进一步说，相邻所述机械臂关节筒6之间的所述万向节4外包覆有柔性防护套，所述柔性防护套的两端分别与相邻所述机械臂关节筒6固定连接，且所述柔性防护套为波纹管5。

具体的，如图1所示，为了防止水中的杂质、泥沙进入至球座41和球头42之间，影响万向节4的使用，同时降低其使用寿命，在其外套设波纹管5，其中波纹管5为柔性易折叠、延展性好且耐腐蚀材料，这样不仅可以保证万向节4正常使用，同时还可以提高整个装置的使用寿命。

进一步优化方案，所述推进件Ⅰ为对称安装在所述机械臂关节筒6上的前推进器7，所述推进件Ⅱ为对称安装在所述机械臂关节筒6上的后推进器8。

具体的，如图2所示，在机械臂关节筒6靠近两端面位置，分别在横向和纵向开有一通孔，里面分别安装了前推进器7和后推进器8，其中前推进器7和后推进器8的具体位置确定可以根据实际生产要求设定，前推进器7和后推进器8的安装位置可以进行更换，只要满足一个机械臂关节筒6上分别有前推进器7和后推进器8，且其转动的方向是垂直的，即一个横向一个纵向；机械臂关节筒6在两端面侧壁都开有均匀分布的小孔，用于前推进器7和后推进器8供电和控制信号走线，其中前推进器7和后推进器8的供电线和控制信号线分别连接在控制单元2上，当控制单元2给其信号时，前推进器7和后推进器8便会启动产生推力，而前推进器7和后推进器8的安装是在机械臂关节筒6的横向面和纵向面上，那么前推进器7和后推进器8转动，便会驱动机械臂关节筒6移动，多个机械臂关节筒6协调配合移动，便实现对机械臂臂体偏转、俯仰运动等各种动作和姿态调整,其中控制单元2为电子舱控制单片机STM32。

进一步优化方案，所述机械臂末端执行工具为摄像头9，且所述终端结构上固定安装有末端传感器10。

具体的，如图2所示，当机械臂末端执行工具为摄像头9时，其可以实现对目标物的探测，摄像头9通过连接线与控制单元2连接，而当摄像头9对狭小空间进行探测时，控制单元2启动机械臂机构上的驱动结构使其开始转动，进而带动机械臂机构进行移动，随之带动摄像头9进行角度调整，使其可以顺利进去至狭小空间，末端传感器10主要用来检测机械臂机构位置，实现闭环控制的要求，当机械臂机构的位置不在设定的路线内，末端传感器10将数据传输至数据终端，此时，工作人员会接收该数据，进而在数据终端上对其路径进行修改，再启动控制单元2控制机械臂机构进行位置调整，回到指定路径中；机械臂机构搭载在ROV上到达指定工作区域，配合机械臂机构末端安装的摄像头9和末端传感器10等，机械臂机构便能自主规划路径完成指定动作。其在深海资源勘探和水下作业工程中发挥着不可或缺的作用，能够根据操作者的指令代替人进行水下极端环境作业，本发明公开的机械臂机构配合摄像不仅可以解决水下视频检查时无自动工具将视频检查摄像头9或其他检修装置全范围送达检修对象附近，手动工具稳定性差、不方便调整摄像头9角度和焦距的问题；还为水下机械臂进行水下精确作业提供了解决方案，提升了水下机械臂自主作业能力，极大提高了水下作业的自动化水平，此外，终端结构与末端机械臂关节筒6的连接，可以采用在球座41上安装有安装座(图中未显示)，然后将摄像头9采用螺钉安装的形式安装在安装座上。

在另一个实施例中，机械臂末端执行工具为抓手，可以进行水下抓取工作；

在另一个实施例中，机械臂末端执行工具为采样器，可以在水下进行采样工作，而抓手和采样器的安装可以根据实际应用进行调整。

参照图3-图6，本发明还提供一种水下机器人，包括：

ROV运载本体1，

控制单元2，所述控制单元2固定安装在所述ROV运载本体1上；

上述所述的多关节柔性水下探测机械臂，所述控制单元2分别与所述连接底座3、驱动结构和终端结构电性连接。

具体的，如图3所示，其中ROV运载本体1为任何形式的水下运载器；其工作过程如下：

安装在ROV运载体的控制单元2发出控制信号，控制每个安装于机械臂关节筒6上的前推进器7和后推进器8转动，产生推力，驱动机械臂关节筒6移动，由多个万向节4结构的协调配合，实现对机械臂机构偏转、俯仰运动等各种动作和姿态调整，机械臂机构到达指定位置后，摄像头9实现对目标物的探测，末端传感器10要用来检测机械臂位置，实现闭环控制的要求。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多关节柔性水下探测机械臂，其特征在于，包括：

连接底座(3)；

机械臂机构，所述机械臂机构包括若干个机械臂关节筒(6)，相邻所述机械臂关节筒(6)之间采用万向节(4)连接，首端的所述机械臂关节筒(6)通过万向节(4)与所述连接底座(3)连接；

驱动结构，一所述机械臂关节筒(6)上安装有推进件Ⅰ和推进件Ⅱ，且所述推进件Ⅰ和推进件Ⅱ垂直设置，启动所述推进件Ⅰ和推进件Ⅱ可以带动所述机械臂机构多姿态运动；

终端结构，所述终端结构通过万向节(4)与末端的所述机械臂关节筒(6)可拆卸连接，所述终端结构为机械臂末端执行工具，所述机械臂末端执行工具可以依据不同工况进行更换。

2.根据权利要求1所述的多关节柔性水下探测机械臂，其特征在于：所述万向节(4)包括球座(41)和球头(42)；

一所述机械臂关节筒(6)的两侧分别固定安装有球座(41)和球头(42)，相邻所述机械臂关节筒(6)之间的球座(41)和球头(42)相适配；

所述连接底座(3)上安装有球头(42)，连接时，所述球头(42)与首端的所述机械臂关节筒(6)的球座(41)相适配；

所述终端结构上安装有球座(41)，连接时，所述球座(41)与末端的所述机械臂关节筒(6)的球头(42)相适配。

3.根据权利要求1所述的多关节柔性水下探测机械臂，其特征在于：相邻所述机械臂关节筒(6)之间的所述万向节(4)外包覆有柔性防护套，所述柔性防护套的两端分别与相邻所述机械臂关节筒(6)固定连接。

4.根据权利要求1-3所述的多关节柔性水下探测机械臂，其特征在于：所述机械臂关节筒(6)的材质为浮力材料。

5.根据权利要求1所述的多关节柔性水下探测机械臂，其特征在于：所述推进件Ⅰ为对称安装在所述机械臂关节筒(6)上的前推进器(7)，所述推进件Ⅱ为对称安装在所述机械臂关节筒(6)上的后推进器(8)。

6.根据权利要求1所述的多关节柔性水下探测机械臂，其特征在于：所述机械臂末端执行工具为摄像头(9)、抓手(11)和采样器(12)中任意一种。

7.根据权利要求6所述的一种水质检测设备，其特征在于：所述终端结构上固定安装有末端传感器(10)。

8.根据权利要求1所述的一种水质检测设备，其特征在于：所述柔性防护套为波纹管(5)。

9.一种水下机器人，其特征在于，包括：

ROV运载本体(1)，

控制单元(2)，所述控制单元(2)固定安装在所述ROV运载本体(1)上；

权利要求1所述的多关节柔性水下探测机械臂，所述控制单元(2)分别与所述连接底座(3)、驱动结构和终端结构电性连接。