一种封闭环型水下活体样本捕获机器人

1.本发明涉及水下机器人的技术领域，具体而言，涉及一种封闭环型水下活体样本捕获机器人。


背景技术：

2.末端执行器是联系机器人与操作对象的重要媒介，传统的末端执行器多为刚性结构，近年来软体执行器以其柔顺性、灵活性、安全性方面的优势，在太空垃圾捕获、水下采集、消防救援、工业生产、假肢助力、智能医疗等诸多领域得到了重要应用。
3.软体末端执行器以抓持功能为主，常被称为软体抓持机器人，其固有的高柔顺性和高适应性使其特别适合对活体生物进行操作，在水下活体动物捕获和植物样本采集方面应用前景广阔。
4.但是，现存的水下软体捕获机器人主要存在以下不足：(1)抓持效率低：现存的软体抓持机器人主要通过多根机械手指开合的方式抓取，一旦抓取失败必须再次重复开合过程，很难适应水下高灵敏动物；(2)容错能力差：现存的软体抓持机器人一旦核心结构分支出现故障便会丧失抓持能力，对水下复杂非结构环境的适应能力弱；(3)集成度低：现存的软体抓持机器人不具备独立运动能力，往往要搭载在其他运动机器人上才能作业，存在集成度低、专用性差的问题。


技术实现要素：

5.本发明要解决的问题是：提供一种抓持效率高、容错能力好、集成度高的封闭环型水下活体样本捕获机器人。
6.为解决上述问题，本发明提供一种封闭环型水下活体样本捕获机器人，包括捕获部件和设置于所述捕获部件上的用于带动所述捕获部件移动的运动部件，所述捕获部件包括固定支架和设置于所述固定支架上的呈圆周分布的多个拨片运动单元，各所述拨片运动单元之间固定连接并与所述固定支架形成封闭环型结构，各所述拨片运动单元上分别安装有驱动装置且各所述驱动装置分别与对应的所述拨片运动单元传动连接，每个所述拨片运动单元内分别设有输送带式的物料传送结构，所述物料传送结构上设有呈环形分布的多个拨片，各所述驱动装置用于驱动各所述物料传送结构运转以带动各所述拨片沿环形进行单向循环运动，使各所述拨片上粘连的水下活体样本由所述封闭环形结构的外部传送至所述封闭环形结构的内部进行储存。
7.优选的，两两相邻的所述拨片运动单元之间通过第一螺栓和螺母固定连接以形成所述封闭环型结构。
8.优选的，每个所述物料传送结构均包括第一导轮、第二导轮、设有多个所述拨片的软拨片皮带、传动皮带、第一支架、第二支架、电机支架和带轮，所述第一支架和所述第二支架之间通过第二螺栓和螺母固定连接且所述第一支架和所述第二支架的顶端分别通过第三螺栓和所述螺母固定于所述固定支架上，所述第一支架和所述第二支架之间开设有至少
一通孔，所述电机支架通过所述第三螺栓和所述螺母固定于所述第一支架和所述第二支架上，所述驱动装置通过螺钉固定于所述电机支架上，所述第一导轮设于所述通孔内并与所述第一支架和所述第二支架旋转连接，所述第二导轮设于所述第一支架和所述第二支架的顶部并与所述第一支架和所述第二支架旋转连接，所述带轮固定于所述驱动装置的转轴上，所述传动皮带套于所述带轮和所述第一导轮上，所述软拨片皮带套于所述第一导轮和所述第二导轮上，通过所述驱动装置驱动所述带轮转动以使所述第一导轮同步转动，通过所述第一导轮带动所述软拨片皮带进行传动以使所述第二导轮同步转动。
9.优选的，所述第一支架和所述第二支架之间开设有两个所述通孔，所述第一支架和所述第二支架固定连接形成日字型结构。
10.优选的，所述第一导轮和所述第二导轮的两端分别设有轴承，所述第一导轮和所述第二导轮通过所述轴承固定于所述第一支架和所述第二支架上并与所述第一支架和所述第二支架旋转连接。
11.优选的，所述软拨片皮带的材质为硅胶或橡胶。
12.优选的，所述运动部件包括底板、夹板、顶板、电池、控制装置和多个推进器，所述固定支架通过第三螺栓和螺母固定于所述夹板的底端，所述夹板的顶端通过第一螺栓和所述螺母与所述顶板固定连接且所述夹板的中间位置下凹以供放置所述电池和所述控制装置，所述电池分别与所述控制装置、各所述推进器和各所述拨片运动单元电连接，所述底板套设在所述固定支架的外部并通过所述第一螺栓和所述螺母与所述夹板的底端固定连接，各所述推进器设于所述底板的外壁上。
13.优选的，所述夹板和所述底板固定连接形成凹字型结构。
14.优选的，各所述推进器包括水平设置的多个第一推进器和垂直设置的多个第二推进器，通过所述控制装置驱动各所述第一推进器以带动所述捕获部件进行水平移动，或通过所述控制装置驱动各所述第二推进器以带动所述捕获部件进行垂直移动。
15.优选的，所述第一推进器的数量为四个，四个所述第一推进器之间互成90度夹角，通过所述控制装置驱动相邻的任意两个所述第一推进器以带动所述捕获部件进行旋转。
16.本发明具有以下有益效果：(1)抓持效率高：采用拨片运动单元控制拨片进行循环运动的抓持模式，无抓持空挡，能高效捕获水下活体样本；(2)容错能力好：捕获部件包含了多个独立的拨片运动单元，部分拨片运动单元失效后不会影响整体的捕获功能，整个系统依然能够正常运转；(3)集成度高：设计得到运动部件和捕获部件，将运动和捕获功能高度集成，能实现大范围无系留作业，具有较好的机动性和适应性。
附图说明
17.图1为本发明的主视结构示意图；
18.图2为本发明的立体结构示意图；
19.图3为图2的局部解剖示意图；
20.图4为图1的a-a剖面示意图；
21.图5为本发明的捕获部件的立体结构示意图；
22.图6为本发明的捕获部件的爆炸图；
23.图7为本发明的拨片运动单元的立体示意图；
24.图8为本发明的拨片运动单元的主视结构示意图；
25.图9为图8的b-b剖面示意图；
26.附图标记说明：1、固定支架；2、驱动装置；3、拨片；4、第一螺栓；5、螺母；6、第一导轮；7、第二导轮；8、软拨片皮带；9、传动皮带；10、第一支架；11、第二支架；12、电机支架；13、带轮；14、第二螺栓；15、第三螺栓；16、螺钉；17、轴承；18、底板；19、夹板；20、顶板；21、电池；22、控制装置；23、推进器；24、浮力块。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
28.本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种封闭环型水下活体样本捕获机器人，如图1-9所示，包括捕获部件和设置于捕获部件上的用于带动捕获部件移动的运动部件，捕获部件包括固定支架1和设置于固定支架1上的呈圆周分布的多个拨片运动单元，各拨片运动单元之间固定连接并与固定支架1形成封闭环型结构，各拨片运动单元上分别安装有驱动装置2且各驱动装置2分别与对应的拨片运动单元传动连接，每个拨片运动单元内分别设有输送带式的物料传送结构，物料传送结构上设有呈环形分布的多个拨片3，各驱动装置2用于驱动各物料传送结构运转以带动各拨片3沿环形进行单向循环运动，使各拨片3上粘连的水下活体样本由封闭环形结构的外部传送至封闭环形结构的内部进行储存。
29.具体地，本实施例中，捕获部件由六个相互独立的拨片运动单元组成，且六个拨片运动单元周向设置形成刚软耦合捕获结构(即封闭环型结构)，通过控制各物料传送结构运转，使得各物料传送结构上的各拨片3能够沿环形进行顺时针方向循环运动，将水下活体样本传送至封闭环型结构内，实现对水下活体样本的捕获和储存。
30.优选的，本发明的封闭环型水下活体样本捕获机器人的基本抓取原理仿生于吞食性动物的猎食方式，如水母、蚯蚓、海葵、海参等动物通过纤毛群、触手群、肌肉群的运动带动食物整体进入口和食道，本发明通过软材料制成的循环拨片结构(即拨片运动单元)模仿吞食性动物吞食猎物的过程，通过设置多个独立的拨片运动单元，采用循环运转的抓持模式实现高效稳定捕获，同时冗余数量的拨片运动单元能够实现高结构容错，保证系统正常运转。
31.优选的，拨片运动单元可以根据实际使用需求设置为5～12个，本实施例中取六个拨片运动单元。
32.本发明的较佳的实施例中，两两相邻的拨片运动单元之间通过第一螺栓4和螺母5固定连接以与固定支架1形成封闭环型结构。
33.本发明的较佳的实施例中，每个物料传送结构均包括第一导轮6、第二导轮7、设有多个拨片3的软拨片皮带8、传动皮带9、第一支架10、第二支架11、电机支架12和带轮13，第一支架10和第二支架11之间通过第二螺栓14和螺母5固定连接且第一支架10和第二支架11的顶端分别通过第三螺栓15和螺母5固定于固定支架1上，第一支架10和第二支架11之间开设有至少一通孔，电机支架12通过第三螺栓15和螺母5固定于第一支架10和第二支架11上，驱动装置2通过螺钉16固定于电机支架12上，第一导轮6设于通孔内并与第一支架10和第二
支架11旋转连接，第二导轮7设于第一支架10和第二支架11的顶部并与第一支架10和第二支架11旋转连接，带轮13固定于驱动装置2的转轴上，传动皮带9套于带轮13和第一导轮6上，软拨片皮带8套于第一导轮6和第二导轮7上，通过驱动装置2驱动带轮13转动以使第一导轮6同步转动，通过第一导轮6带动软拨片皮带8进行传动以使第二导轮7同步转动。
34.具体地，本实施例中，在致动方式上采用电机作为驱动装置2驱动对应的物料传送结构进行循环运动，当然也可以通过合适的传动结构实现致动，而本实施例中，通过电机驱动带轮13进行转动，使得第一导轮6和第二导轮7在传动皮带9和软拨片皮带8的传动作用下进行同步转动，软拨片皮带8在第一导轮6和第二导轮7上进行传动时，其上方的多个拨片3会随着软拨片皮带8的传动而进行顺时针方向的循环运动，拨片3上粘住的水下活体样本便会随着软拨片皮带8的传动而进入到封闭环型结构内，实现水下活体样本捕获。
35.优选的，软拨片皮带8上面布有槽(类似于同步带)，能够与第一导轮6和第二导轮7上的齿相吻合，实现高效、稳定地传动。
36.优选的，第一支架10和第二支架11之间采用两颗第二螺栓14和螺母5进行固定连接以保证连接稳定性。
37.优选的，电机支架12采用四颗第三螺栓15和螺母5固定于第一支架10和第二支架11上，其中两颗第三螺栓15实现电机支架12和第一支架10之间的固定连接，另外两颗第三螺栓15实现电机支架12和第二支架11之间的固定连接，以保证连接稳定性。
38.优选的，第二螺栓14和第三螺栓15为沉头螺栓。
39.本发明的较佳的实施例中，第一支架10和第二支架11之间开设有两个通孔，第一支架10和第二支架11固定连接形成日字型结构。
40.本发明的较佳的实施例中，第一导轮6和第二导轮7的两端分别设有轴承17，第一导轮6和第二导轮7通过轴承17固定于第一支架10和第二支架11上并与第一支架10和第二支架11旋转连接。
41.具体地，本实施例中，第一导轮6和第二导轮7为两端半径更大的筒状导轮，均通过左右两端的轴承17和第一支架10和第二支架11实现旋转连接。
42.本发明的较佳的实施例中，软拨片皮带8的材质为硅胶或橡胶。
43.具体地，本实施例中，软拨片皮带8由硅胶、橡胶等软材料铸造而成，具有较长的使用寿命。
44.本发明的较佳的实施例中，运动部件包括底板18、夹板19、顶板20、电池21、控制装置22和多个推进器23，固定支架1通过第三螺栓15和螺母5固定于夹板19的底端，夹板19的顶端通过第一螺栓4和螺母5与顶板20固定连接且夹板19的中间位置下凹以供放置电池21和控制装置22，电池21分别与控制装置22、各推进器23和各拨片运动单元电连接，底板18套设在固定支架1的外部并通过第一螺栓4和螺母5与夹板19的底端固定连接，各推进器23设于底板18的外壁上。
45.具体地，本实施例中，运动部件是由底板18、夹板19、顶板20包裹起来的结构，同时连接着运动部件和捕获部件的固定支架1通过第三螺栓15和螺母5固定在夹板19的底端上，且夹板19中间下凹，下凹部分供放置电池21和控制装置22，底板18、夹板19和顶板20之间完全密封以防止电池21和控制装置22遇水。
46.优选的，顶板20的中间位置上凹以留出空间供容纳电池21和控制装置22。
47.本发明的较佳的实施例中，夹板19和底板18固定连接形成凹字型结构。
48.本发明的较佳的实施例中，各推进器23包括水平设置的多个第一推进器和垂直设置的多个第二推进器，通过控制装置22驱动各第一推进器以带动捕获部件进行水平移动，或通过控制装置22驱动各第二推进器以带动捕获部件进行垂直移动。
49.本发明的较佳的实施例中，第一推进器的数量为四个，四个第一推进器之间互成90度夹角，通过控制装置22驱动相邻的任意两个第一推进器以带动捕获部件进行旋转。
50.具体地，本实施例中，底板18外壁的四周布置了共六个推进器23，分别为四个互成90
°
的水平放置的第一推进器和两个互成180
°
的垂直放置的第二推进器，其中垂直放置的第二推进器与其相邻的两个水平放置的第一推进器成45
°
，使水下机器人能够在水下往各个方向进行运动。
51.优选的，夹板19内设有一圈浮力块24以提供一定的浮力作用，保证整体运动时的稳定性。
52.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，包括捕获部件和设置于所述捕获部件上的用于带动所述捕获部件移动的运动部件，所述捕获部件包括固定支架(1)和设置于所述固定支架(1)上的呈圆周分布的多个拨片运动单元，各所述拨片运动单元之间固定连接并与所述固定支架(1)形成封闭环型结构，各所述拨片运动单元上分别安装有驱动装置(2)且各所述驱动装置(2)分别与对应的所述拨片运动单元传动连接，每个所述拨片运动单元内分别设有输送带式的物料传送结构，所述物料传送结构上设有呈环形分布的多个拨片(3)，各所述驱动装置(2)用于驱动各所述物料传送结构运转以带动各所述拨片(3)沿环形进行单向循环运动，使各所述拨片(3)上粘连的水下活体样本由所述封闭环形结构的外部传送至所述封闭环形结构的内部进行储存。2.根据权利要求1所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，两两相邻的所述拨片运动单元之间通过第一螺栓(4)和螺母(5)固定连接以形成所述封闭环型结构。3.根据权利要求1所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，每个所述物料传送结构均包括第一导轮(6)、第二导轮(7)、设有多个所述拨片(3)的软拨片皮带(8)、传动皮带(9)、第一支架(10)、第二支架(11)、电机支架(12)和带轮(13)，所述第一支架(10)和所述第二支架(11)之间通过第二螺栓(14)和螺母(5)固定连接且所述第一支架(10)和所述第二支架(11)的顶端分别通过第三螺栓(15)和所述螺母(5)固定于所述固定支架(1)上，所述第一支架(10)和所述第二支架(11)之间开设有至少一通孔，所述电机支架(12)通过所述第三螺栓(15)和所述螺母(5)固定于所述第一支架(10)和所述第二支架(11)上，所述驱动装置(2)通过螺钉(16)固定于所述电机支架(12)上，所述第一导轮(6)设于所述通孔内并与所述第一支架(10)和所述第二支架(11)旋转连接，所述第二导轮(7)设于所述第一支架(10)和所述第二支架(11)的顶部并与所述第一支架(10)和所述第二支架(11)旋转连接，所述带轮(13)固定于所述驱动装置(2)的转轴上，所述传动皮带(9)套于所述带轮(13)和所述第一导轮(6)上，所述软拨片皮带(8)套于所述第一导轮(6)和所述第二导轮(7)上，通过所述驱动装置(2)驱动所述带轮(13)转动以使所述第一导轮(6)同步转动，通过所述第一导轮(6)带动所述软拨片皮带(8)进行传动以使所述第二导轮(7)同步转动。4.根据权利要求3所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，所述第一支架(10)和所述第二支架(11)之间开设有两个所述通孔，所述第一支架(10)和所述第二支架(11)固定连接形成日字型结构。5.根据权利要求3所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，所述第一导轮(6)和所述第二导轮(7)的两端分别设有轴承(17)，所述第一导轮(6)和所述第二导轮(7)通过所述轴承(17)固定于所述第一支架(10)和所述第二支架(11)上并与所述第一支架(10)和所述第二支架(11)旋转连接。6.根据权利要求3所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，所述软拨片皮带(8)的材质为硅胶或橡胶。7.根据权利要求1所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，所述运动部件包括底板(18)、夹板(19)、顶板(20)、电池(21)、控制装置(22)和多个推进器(23)，所述固定支架(1)通过第三螺栓(15)和螺母(5)固定于所述夹板(19)的底端，所述夹板(19)的顶端通过第一螺栓(4)和所述螺母(5)与所述顶板(20)固定连接且所述夹板(19)的中间位置下凹以供放置所述电池(21)和所述控制装置(22)，所述电池(21)分别与所述控制装置(22)、
各所述推进器(23)和各所述拨片运动单元电连接，所述底板(18)套设在所述固定支架(1)的外部并通过所述第一螺栓(4)和所述螺母(5)与所述夹板(19)的底端固定连接，各所述推进器(23)设于所述底板(18)的外壁上。8.根据权利要求7所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，所述夹板(19)和所述底板(18)固定连接形成凹字型结构。9.根据权利要求7所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，各所述推进器(23)包括水平设置的多个第一推进器和垂直设置的多个第二推进器，通过所述控制装置(22)驱动各所述第一推进器以带动所述捕获部件进行水平移动，或通过所述控制装置(22)驱动各所述第二推进器以带动所述捕获部件进行垂直移动。10.根据权利要求7所述的封闭环型水下活体样本捕获机器人，其特征在于，所述第一推进器的数量为四个，四个所述第一推进器之间互成90度夹角，通过所述控制装置(22)驱动相邻的任意两个所述第一推进器以带动所述捕获部件进行旋转。

技术总结
本发明提供了一种封闭环型水下活体样本捕获机器人，包括：包括捕获部件和设置于捕获部件上的用于带动捕获部件移动的运动部件，捕获部件包括固定支架和设置于固定支架上的呈圆周分布的多个拨片运动单元，各拨片运动单元与固定支架形成封闭环型结构，各拨片运动单元上分别安装有驱动装置并与拨片运动单元传动连接，每个拨片运动单元内分别设有输送带式的物料传送结构，物料传送结构上设有呈环形分布的多个拨片，各驱动装置用于驱动各物料传送结构运转以带动各拨片沿环形进行单向循环运动。有益效果是本发明将运动和捕获功能高度集成，能实现大范围无系留作业，机动性和适应性强，并且采用循环运动的抓持模式，能高效捕获水下活体样本。活体样本。活体样本。


技术研发人员：李海利 俞泓帆 郑威 王博 陈强 赵乾辰 沈晓伟 梁林 苗昕雨
受保护的技术使用者：宁波大学
技术研发日：2023.01.06
技术公布日：2023/4/28