七自由度并联的水下机器人对接回收机构及水下机器人

1.本发明涉及水下机器人领域，具体地，涉及一种七自由度并联的水下机器人对接回收机构及水下机器人。


背景技术：

2.自主式水下机器人(autonomous underwater vehicle，简称auv)作为一种重要的水下作业工具，其在执行短续航任务时是十分强大有效的工具，但当前auv储存能量的能力有限，通常将任务续航时间限制在几个小时到几天不等，限制了auv在广阔空间和长时间内的广泛使用。从根本上说，通过自动布放回收技术来实现对auv进行充电，数据传输是延长auv运行时间，提高auv工作能力的有效办法。
3.当前的水下自动对接回收技术大多是通过导航技术的指引，依靠auv自身的动力性能来实现对接捕获的。但是在海洋的复杂环境下，受到波浪和洋流的干扰，auv自身的动力性能和导航精度有限，难以实现高成功率的自动对接回收。
4.现有公开号为cn114394215a的中国专利，其公开了一种涉及水下对接技术领域的主动捕获水下潜航器对接机构及其工作方法，包括夹持模块、六自由度并联机器人、水下基座、控制模块以及定位模块；控制模块连接六自由度并联机器人，六自由度并联机器人连接于水下基座上，水下基座上设有蓄电池，蓄电池连接定位模块，六自由度并联机器人顶部连接夹持模块，夹持模块通过控制模块与六自由度并联机器人同步运动；定位模块可以获得水下潜航器的位姿信息，从而由控制模块相应地控制抓手的位姿，实现对水下潜航器的捕获和补能。
5.发明人认为亟需设计和研制不依赖于auv自身的动力性能且捕获成功率高的自动捕获式水下对接回收装备。并且，需要降低对水下机器人捕获时的姿态要求，才能获得更大的捕获范围，提高对接成功率。


技术实现要素：

6.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种七自由度并联的水下机器人对接回收机构及水下机器人。
7.根据本发明提供的一种七自由度并联的水下机器人对接回收机构,包括：七自由度并联机器人、基座、控制模块以及定位模块；所述七自由度并联机器人与所述控制模块电连接，所述定位模块与所述控制模块电连接，所述七自由度并联机器人包括静平台和动平台，所述静平台安装在所述基座上，所述静平台和所述动平台之间通过多条支链连接，所述七自由度并联机器人通过多条所述支链配合能够进行七自由度运动，所述动平台用于夹持水下机器人。
8.优选地，所述基座上设置有蓄电池，所述蓄电池分别与所述七自由度并联机器人、所述控制模块以及所述定位模块电连接。
9.优选地，三条所述支链沿周向均匀布置在所述静平台上。
10.优选地，所述支链均包括平面四连杆机构，所述平面四连杆机构通过第一转动副安装在所述静平台上。
11.优选地，所述平面四连杆机构底部设置有第一连接块，所述平面四连杆机构底部通过第二转动副、第六转动副分别与所述第一连接块连接，所述第一连接块安装在所述第一转动副上。
12.优选地，所述第一转动副的轴线方向竖直向上，所述第二转动副、所述第六转动副的轴线方向均与所述第一转动副的轴线方向垂直。
13.优选地，所述铰接动平台包括三重对称的bricard空间六连杆机构，所述铰接动平台包括首尾相连的六根连杆，任一相邻两根连杆之间均通过转动副连接。
14.优选地，所述平面四连杆机构的顶杆向靠近所述动平台的方向延伸有延伸杆，所述延伸杆的末端设置有球铰，所述球铰上连接有第五连杆，所述第五连杆通过第七转动副与述动平台连接。
15.优选地，所述铰接动平台上的六个所述转动副包括三个间隔设置的所述第七转动副，另外三个所述转动副上均设置有夹爪。
16.根据本发明提供的一种水下机器人，能够被上述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构捕获，并与其对接。
17.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
18.1、本发明通过定位模块获得水下机器人的位姿信息，通过控制模块解算位姿信息，控制七自由度并联机器人运动到合适的位置和转角，实现对水下机器人的抓取和释放，有助于降低对水下机器人捕获时的姿态要求，有助于获得更大的捕获范围，有助于提高对接成功率。
19.2、本发明具有较大的平移工作空间和旋转工作空间，能够避免机构的奇异点，具有高刚度、高精度、动态性能好等优点。
20.3、本发明通过采用三重对称bricard机构铰接式动平台作为抓手，可通过在基座处的电机操控末端抓手，有利于水下电机的防护与机构性能的优化。
附图说明
21.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
22.图1为本发明主要体现七自由度并联的水下机器人对接回收机构的整体结构示意图；
23.图2为本发明主要体现七自由度并联机器人的整体结构示意图；
24.图3为本发明主要体现单条支链的整体结构示意图；
25.图4为本发明主要体现三重对称bricard机构动平台的整体结构示意图；
26.图5为本发明主要体现主动捕获水下机器人的对接机构的工作方法框图。
27.图中所示：
28.七自由度并联机器人1
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基座2
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控制模块3
29.定位模块4
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蓄电池5
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水下机器人6
30.静平台7
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动平台8
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并联机构支链9
31.第一转动副10
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第一连接块11
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第二转动副12
32.第一连杆13
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第三转动副14
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第二连杆15
33.第四转动副16
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第三连杆17
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第五转动副18
34.第四连杆19
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第六转动副20
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球铰21
35.第五连杆22
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第七转动副23
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第一bricard转动副24第一bricard连杆25
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第二bricard转动副26
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第二bricard连杆27
36.第三bricard转动副28
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第三bricard连杆29
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第四bricard转动副30第四bricard连杆31
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第五bricard转动副32
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第五bricard连杆33
37.第六bricard转动副34
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第六bricard连杆35
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夹爪36
具体实施方式
38.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
39.实施例1
40.如图1所示，根据本发明提供的一种七自由度并联的水下机器人对接回收机构，包括：七自由度并联机器人1、基座2、控制模块3以及定位模块4；七自由度并联机器人1与控制模块3电连接，定位模块4与控制模块3电连接，七自由度并联机器人1包括静平台7和动平台8，静平台7安装在基座2上，静平台7和动平台8之间通过多条支链连接，七自由度并联机器人1通过多条支链配合能够进行七自由度运动，动平台8用于夹持水下机器人6。
41.基座2安装在海底、大型水下航行器、水面舰艇以及水下悬浮平台上。基座2上设置有蓄电池5，蓄电池5分别与七自由度并联机器人1、控制模块3以及定位模块4电连接，由蓄电池5供电，蓄电池5由太阳能、波浪能、潮汐能、地热能、风能等中的一种或多种发电装置充电。
42.定位模块4获得水下机器人6的位姿信息并传给控制模块3，控制模块3解算位姿信息，控制七自由度并联机器人7的电机转动，使得七自由度并联机器人1运动到合适的位置和转角，实现对水下机器人6的抓取和释放。本技术适应性强、精度高、动态性能好，具有更高的对接成功率。
43.本技术以三条支链沿周向均匀布置在静平台7上为例。
44.如图2所示，支链均包括平面四连杆机构9，平面四连杆机构9通过第一转动副10安装在静平台7上。
45.如图3所示，平面四连杆机构9底部设置有第一连接块11，平面四连杆机构9底部通过第二转动副12、第六转动副20分别与第一连接块11连接，第一连接块11安装在第一转动副10上。平面四连杆机构9包括构成平行四边形的第一连杆13、第二连杆15、第三连杆17以及第四连杆19，第一连杆13通过第二转动副12与第一连接块11连接，第二连杆15通过第三转动副14与第一连杆13连接，第三连杆17通过第四转动副16与第二连杆15连接，第四连杆19通过第五转动副18与第三连杆17连接，第四连杆19通过第六转动副20与第一连接块11连接，第二转动副12和第六转动副20分别位于第一连接块11两侧。
46.第一转动副10的轴线方向竖直向上，第二转动副12、第六转动副20的轴线方向均与第一转动副10的轴线方向垂直，且第六转动副20轴线方向与第二转动副12轴线方向重合，第二转动副12与第三转动副14、第四转动副16、第五转动副18的轴线方向平行。
47.三条支链的第一转动副10、第二转动副12和第六转动副20均为驱动副，由电机驱动。七自由度并联机器人1由9个电机驱动，电机由蓄电池5进行供电，由控制模块3控制电机转动角度从而实现在工作空间内以任意的姿态进行抓取或释放。
48.如图4所示，铰接动平台8包括三重对称的bricard空间六连杆机构，铰接动平台8包括首尾相连的六根连杆，任一相邻两根连杆之间均通过转动副连接。铰接动平台8包括第一bricard连杆25、第一bricard转动副24、第二bricard连杆27、第二bricard转动副26、第三bricard连杆29、第三bricard转动副28、第四bricard连杆31、第四bricard转动副30、第五bricard连杆33、第五bricard转动副32、第六bricard连杆35、第六bricard转动副34。bricard机构连杆长度全都相同，连杆通过首尾的转动副依次相连成为闭环机构。第一二、三四、五六bricard转动副轴线之间夹角为α；第二三、四五、六一bricard转动副夹角为360-α；角度α取值为0-180
°
。
49.铰接动平台8上的六个转动副包括三个间隔设置的第七转动副23，另外三个转动副上均设置有夹爪36。
50.平面四连杆机构9的顶杆向靠近动平台8的方向延伸有延伸杆，延伸杆的末端设置有球铰21，球铰21上连接有第五连杆22，第五连杆22通过第七转动副23与述动平台8连接。球铰21可以是由3个转动轴线相交于一点的复合球铰。
51.如图5所示，本技术的工作方法具体包括以下步骤：
52.步骤1，水下机器人6运动至对接机构的捕获工作空间时，定位模块4检测水下机器人的位姿信息并将信息传递给控制模块3。
53.步骤2，控制模块3结合当前七自由度并联机器人1的位姿进行姿态解算，控制七自由度并联机器人1的9个驱动电机转动，使bricard动平台夹爪36保持最大张角的同时位姿与水下机器人6位姿对齐。
54.步骤3，控制模块3保持bricard动平台8位姿保持不变，三个夹爪36逐渐合拢实现对水下机器人6的抓取并完成固定，捕获完成。
55.步骤4.，控制模块3驱动电机保持夹爪36夹角不变动将水下机器人6移动至远离基座位置，夹爪36张开，释放水下机器人6。
56.本技术采用7自由度驱动冗余并联机构作为对接回收机构，与传统的被动式回收装置相比，具有更大的捕获范围、降低了对水下机器人6捕获时的姿态要求。本技术具有较大的平移工作空间和旋转工作空间、能够避免机构的奇异点、具有高刚度、高精度、动态性能好等优点，能有效提高对接成功率。本技术以三重对称bricard机构铰接式动平台作为抓手，可通过在基座2处的电机操控末端抓手，有利于水下电机的防护与机构性能的优化。
57.实施例2
58.根据本发明提供的一种水下机器人，能够被实施例1所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构捕获，实现精准对接。
59.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“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技术和简化描述，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技术的限制。
60.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

技术特征：
1.一种七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，包括：七自由度并联机器人(1)、基座(2)、控制模块(3)以及定位模块(4)；所述七自由度并联机器人(1)与所述控制模块(3)电连接，所述定位模块(4)与所述控制模块(3)电连接，所述七自由度并联机器人(1)包括静平台(7)和动平台(8)，所述静平台(7)安装在所述基座(2)上，所述静平台(7)和所述动平台(8)之间通过多条支链连接，所述七自由度并联机器人(1)通过多条所述支链配合能够进行七自由度运动，所述动平台(8)用于夹持水下机器人(6)。2.如权利要求1所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，所述基座(2)上设置有蓄电池(5)，所述蓄电池(5)分别与所述七自由度并联机器人(1)、所述控制模块(3)以及所述定位模块(4)电连接。3.如权利要求1所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，三条所述支链沿周向均匀布置在所述静平台(7)上。4.如权利要求3所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，所述支链均包括平面四连杆机构(9)，所述平面四连杆机构(9)通过第一转动副(10)安装在所述静平台(7)上。5.如权利要求4所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，所述平面四连杆机构(9)底部设置有第一连接块(11)，所述平面四连杆机构(9)底部通过第二转动副(12)、第六转动副(20)分别与所述第一连接块(11)连接，所述第一连接块(11)安装在所述第一转动副(10)上。6.如权利要求5所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，所述第一转动副(10)的轴线方向竖直向上，所述第二转动副(12)、所述第六转动副(20)的轴线方向均与所述第一转动副(10)的轴线方向垂直。7.如权利要求3所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，所述铰接动平台(8)包括三重对称的bricard空间六连杆机构，所述铰接动平台(8)包括首尾相连的六根连杆，任一相邻两根连杆之间均通过转动副连接。8.如权利要求7所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，所述平面四连杆机构(9)的顶杆向靠近所述动平台(8)的方向延伸有延伸杆，所述延伸杆的末端设置有球铰(21)，所述球铰(21)上连接有第五连杆(22)，所述第五连杆(22)通过第七转动副(23)与述动平台(8)连接。9.如权利要求8所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构，其特征在于，所述铰接动平台(8)上的六个所述转动副包括三个间隔设置的所述第七转动副(23)，另外三个所述转动副上均设置有夹爪(36)。10.一种水下机器人，其特征在于，能够被权利要求1-9任一所述的七自由度并联的水下机器人对接回收机构捕获，并与其对接。

技术总结
本发明提供了一种七自由度并联的水下机器人对接回收机构及水下机器人，包括七自由度并联机器人、基座、控制模块以及定位模块；七自由度并联机器人与控制模块电连接，定位模块与控制模块电连接，七自由度并联机器人包括静平台和动平台，静平台安装在基座上，静平台和动平台之间通过多条支链连接，七自由度并联机器人通过多条支链配合能够进行七自由度运动，动平台用于夹持水下机器人。本发明通过定位模块获得水下机器人的位姿信息，通过控制模块解算位姿信息，控制七自由度并联机器人运动到合适的位置和转角，实现对水下机器人的抓取和释放，有助于降低对水下机器人捕获时的姿态要求，有助于获得更大的捕获范围，有助于提高对接成功率。接成功率。接成功率。


技术研发人员：陈卫星 岳剑桥 林超雄 李威 高峰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.12.07
技术公布日：2023/4/5