水下无人航行器主动对接装置及水下无人航行器

1.本发明涉及水下机器人领域，具体地，涉及一种水下无人航行器主动对接装置及水下无人航行器。


背景技术：

2.目前限制水下无人航行器应用的瓶颈问题是无人航行器的水下部署与回收。水下无人航行器在完成任务后需要定期返回基站或母舰进行充能，设备检修和数据导出。由于水面和水下动态环境复杂，水下无人航行器在回收过程中受到的干扰较多，装置定位难度大，成功率低，且人工回收方式会增加操作人员生命危险。这些问题使水下无人航行器的作业范围受到极大限制，增加运行成本。
3.现有的水下航行器回收方式主要基于被动回收，即水下航行器通过自主导航的方式与回收装置对接，由于水下动态环境复杂，干扰因素较多，同时水下无人航行器的机载控制设备的运算性能有限，无人航行器自身的推进器在慢速下的调姿能力较差，依靠无人航行器自身运动实现对接的方式存在对接精度低，成功率低，自动化水平低等问题，水下对接平台和母舰的控制设备性能优势未能得到发挥。现有的主动式对接装置需要在对接抓取装置处安装驱动电机，增加了抓手整体结构的质量和惯性，增加了对接装置的防水密封难度，降低了运动精度，在水下环境无法实现对无人航行器的灵活跟踪与捕获。亟需开发具有高运动性能和高精度的平台主动式捕获对接技术，以显著提升深海探测和远洋作战能力。
4.现有公开号为cn114394215a的中国专利，其公开了一种主动捕获水下潜航器对接机构及其工作方法，属于水下对接技术领域，达到了主动捕获水下潜航器的目的。其机构主要特征包括：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.现有公开号为cn106741758b的中国专利，其公开了一种具备大冗余度的水下对接机构，属于水下对接技术领域，达到了降低对接平台与航行设备相对位置和姿态误差的目的。其机构主要特征包括：2个对接套和驱动机构，2个对接套安装于水下作业驱动机构末端，2个对接套与驱动机构通过连接杆连接，驱动机构随水下移动体运动接近对接柄，驱动机构驱动2个对接套的开口使其形成合拢姿态对对接柄进行捕获；当对接套在驱动机构带动下达到和对接柄相对位置范围时，两个对接套相对合拢；当对接套的套口内壁与对接柄的柄体的边缘接触时，柄体的圆弧边缘将在套口的圆弧内壁或斜面内壁上滑动，并被导入到套口底端的槽口内。
6.发明人认为现有技术中的对接的方式存在对接精度低，成功率低，自动化水平低等问题，需要提供一种能够提高水下无人航行器主动对接机构的运动精度和承载能力，并且能够对准在水平方向上处于任意角度的水下无人航行器进行捕获的水下无人航行器主
动对接装置。


技术实现要素：

7.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种水下无人航行器主动对接装置及水下无人航行器。
8.根据本发明提供的一种水下无人航行器主动对接装置,包括：固定基座、夹持手爪支链、托举支链以及夹持平台；所述手爪支链和所述托举支链二者均安装在所述固定基座上，且能够绕所述固定基座的中心轴旋转；所述手爪支链和所述托举支链二者均包括层叠平行四边形机构，所述手爪支链的末端夹持组件、所述托举支链的末端托举组件均通过球副与所述层叠平行四边形机构连接；所述夹持平台沿周向分别与所述手爪支链、所述托举支链连接，所述手爪支链的末端夹持组件、所述托举支链的末端托举组件以及所述夹持平台三者配合夹持水下无人航行器。
9.优选地，所述固定基座包括底部基座以及多个支链旋转驱动装置，多个所述支链旋转驱动装置分别通过中心套筒组件安装在所述底部基座上，且与所述底部基座转动配合；多个所述支链旋转驱动装置的运动输出轴轴线均位于所述底部基座的中心轴线上。
10.优选地，所述手爪支链设置有两个，所述托举支链设置有一个，所述支链旋转驱动装置包括上支链旋转驱动装置、中支链旋转驱动装置、下支链旋转驱动装置；所述托举支链的底部与所述上支链旋转驱动装置的顶部紧固连接；两个所述手爪支链的底部分别与所述中支链旋转驱动装置、所述下支链旋转驱动装置的顶部紧固连接。
11.优选地，所述手爪支链包括第一支链旋转组件、第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置、第一层叠平行四边形机构以及末端夹持爪；所述第一支链旋转组件与所述固定基座紧固连接，两个所述第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置安装在所述第一支链旋转组件的两侧；所述第一层叠平行四边形机构的底部与两个所述第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置的旋转运动输出轴连接；所述末端夹持爪与所述第一层叠平行四边形机构的顶部末端通过球副连接。
12.优选地，所述托举支链包括第二支链旋转组件、第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置、第二层叠平行四边形机构以及末端托举组件；所述第二支链旋转组件与所述固定基座紧固连接，两个所述第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置安装在所述第二支链旋转组件的两侧；所述第二层叠平行四边形机构的底部与两个所述第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置的旋转运动输出轴连接；所述末端托举组件与所述第二层叠平行四边形机构的顶部末端通过球副连接。
13.优选地，所述夹持平台分别与所述末端夹持爪、所述末端托举组件通过转动关节连接，所述转动关节包括铰链。
14.优选地，所述夹持平台上设置有托举架和电磁磁吸装置，所述夹持平台包括镂空板。
15.优选地，所述托举架包括v型架，所述托举架的数量大于等于。
16.优选地，所述层叠平行四边形机构包括一个或多个平行四边形连杆机构。
17.根据本发明提供的一种水下无人航行器，能够被上述的水下无人航行器主动对接装置捕获。
18.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
19.1、本发明通过用九自由度运动学冗余并联机构，结构紧凑，收纳性好，具有高刚度、高精度、高负载能力等优点，具有良好的动态性能，有助于提高水下主动对接装置的运动精度和响应速度，有助于扩大工作空间，从而有助于提升了水下无人航行器的作业效率。
20.2、本发明通过利用其共轴的三个支链旋转驱动装置可以实现夹持平台的无限旋转，使得水下无人航行器主动对接装置能够对准在水平方向上处于任意角度的水下无人航行器，从而具备极大的工作空间。
21.3、本发明通过利用冗余的三个自由度实现对末端夹持爪的开合度和夹持平台俯仰角度的控制，减小了对接机构顶部的惯性，提高了水下无人航行器主动对接装置的响应速度和精度。
附图说明
22.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：
23.图1为本发明主要体现水下无人航行器主动对接装置的整体结构示意图；
24.图2为本发明主要体现固定基座的整体结构示意图；
25.图3为本发明主要体现夹持手爪支链的整体结构示意图；
26.图4为本发明主要体现托举支链的整体结构示意图。
27.图中所示：
28.固定基座1
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上支链旋转驱动装置11
29.中支链旋转驱动装置12
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下支链旋转驱动装置13
30.底部基座14
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夹持手爪支链2
31.第一支链旋转组件21
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第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置22
32.第一层叠平行四边形机构23
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末端夹持爪24
33.托举支链3
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第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置32
34.第二支链旋转组件31
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第二层叠平行四边形机构33
35.末端托举架34
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夹持平台4
具体实施方式
36.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。
37.实施例1
38.如图1所示，根据本发明提供的一种水下无人航行器主动对接装置，包括：固定基座1、夹持手爪支链2、托举支链3以及夹持平台4；手爪支链2和托举支链3二者均安装在固定基座1上，且能够绕固定基座1的中心轴旋转；手爪支链2和托举支链3二者均包括层叠平行四边形机构，手爪支链2的末端夹持组件、托举支链3的末端托举组件均通过球副与层叠平行四边形机构连接；夹持平台4沿周向分别与手爪支链2、托举支链3连接，手爪支链2的末端
夹持组件、托举支链3的末端托举组件以及夹持平台4三者配合夹持水下无人航行器。
39.固定基座1安装于海底，大型水下航行器、水面舰艇的底部或水下悬浮平台上。本技术的九自由度冗余并联机构达到主动对接平台的全向调姿能力，夹持平台4的无限旋转能力和末端夹持爪24的远程驱动能力，托举支链3和夹持平台4通过相对运动实现对水下航行器5的主动捕获和充能，提高了水下主动对接装置的运动精度和响应速度，并扩大了工作空间，提升了水下无人航行器的作业效率。
40.如图2所示，固定基座1包括底部基座14以及多个支链旋转驱动装置，多个支链旋转驱动装置分别通过中心套筒组件安装在底部基座14上，且与底部基座14转动配合；多个支链旋转驱动装置的运动输出轴轴线均位于底部基座14的中心轴线上。
41.本技术以手爪支链2设置有两个，托举支链3设置有一个为例。相应的，支链旋转驱动装置包括上支链旋转驱动装置11、中支链旋转驱动装置12、下支链旋转驱动装置13，上支链旋转驱动装置11、中支链旋转驱动装置12和下支链旋转驱动装置13通过中心套筒与底部基座14保持相对旋转。托举支链3的底部与上支链旋转驱动装置11的顶部紧固连接；两个手爪支链2的底部分别与中支链旋转驱动装置12、下支链旋转驱动装置13的顶部紧固连接。
42.如图3所示，手爪支链2包括第一支链旋转组件21、第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置22、第一层叠平行四边形机构23以及末端夹持爪24；第一支链旋转组件21与固定基座1紧固连接，两个第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置22安装在第一支链旋转组件21的两侧；第一层叠平行四边形机构23的底部与两个第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置22的旋转运动输出轴连接；末端夹持爪24与第一层叠平行四边形机构23的顶部末端通过球副连接。
43.如图4所示，托举支链3包括第二支链旋转组件31、第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置32、第二层叠平行四边形机构33以及末端托举架34；第二支链旋转组件31与固定基座1紧固连接，两个第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置32安装在第二支链旋转组件31的两侧；第二层叠平行四边形机构33的底部与两个第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置32的旋转运动输出轴连接；末端托举架34与第二层叠平行四边形机构33的顶部末端通过球副连接。
44.球副包括球铰或三个垂直方向转动轴相交为一点的复合球铰。
45.支链旋转驱动装置和层叠平行四边形机构旋转驱动装置为旋转电机、液压马达中的一种。支链旋转驱动装置和层叠平行四边形机构旋转驱动装置为含减速器的伺服电机系统。减速器的输出轴与支链旋转组件和层叠平行四边形机构通过联轴器相连。
46.层叠平行四边形机构包括一个或多个平行四边形连杆机构。平行四边形连杆机构包括一根底边杆，一根顶边杆和两根侧边杆，通过转动关节相互连接形成闭环机构；底边杆和顶边杆相互平行，两根侧边杆相互平行；当层叠平行四边形机构中的平行四边形连杆机构数目大于等于2时，在相邻的两个平行四边形连杆机构中，位于下方的平行四边形连杆的顶边杆与位于上方的平行四边形连杆的底边杆固连为同一根杆件，位于下方的平行四边形连杆的侧边杆之一与位于上方的平行四边形连杆的侧边杆之一固连为同一根杆件。托举支链3的末端托举架34与第二层叠平行四边形机构33顶部的平行四边形连杆机构的顶边杆通过球副相连；夹持手爪支链2的末端夹持爪24与第一层叠平行四边形机构23的平行四边形连杆机构的顶边杆通过球副相连。
47.在本技术中，层叠平行四边形机构包含2个平行四边形连杆机构，分别为位于下方的平行四边形连杆机构和位于上方的平行四边形连杆机构。支链旋转组件与位于下方的平行四边形连杆机构的底边杆通过转动关节相连接，支链旋转组件与位于下方的平行四边形连杆机构的侧边杆之一通过转动关节相连接。位于下方的平行四边形连杆机构的顶边杆和位于上方的平行四边形连杆机构的底边杆为同一根杆件。
48.夹持平台4分别与末端夹持爪24、末端托举架34通过转动关节连接，转动关节包括铰链。夹持平台4上设置有托举架和电磁磁吸装置，电磁磁吸装置固定安装在夹持平台的中央。夹持平台4包括镂空板，可以减轻重量，增强运动性能。托举架包括v型架，托举架的数量大于等于1。
49.本技术包括以下工作步骤：
50.s1:水下航行器运动至水下无人航行器主动对接装置的捕获工作空间内时，定位模块检测水下航行器的位姿信息并传递至水下无人航行器主动对接装置；
51.s2:根据水下航行器的位姿，水下无人航行器主动对接装置的旋转驱动装置运行，使夹持平台4运动到水下航行器的位姿；
52.s3:水下无人航行器主动对接装置的旋转驱动装置继续运行，在夹持平台4位姿保持不变的同时使末端夹持爪24向水下航行器的方向收合，水下航行器被末端夹持爪24与末端托举架固定，实现对水下航行器的捕获；
53.s4:水下无人航行器主动对接装置回归初始位姿，并打开无线充电装置，无线充电装置对水下航行器进行补能。
54.本技术采用了九自由度运动学冗余并联机构，通过并联机构显著提高了水下无人航行器主动对接机构的运动精度和承载能力，使得水下无人航行器主动对接机构具有高刚度、高精度、高负载能力等优点，结构紧凑，收纳性好，具有良好的动态性能，能够稳定对接水下无人航行器。
55.本技术具备极大的工作空间，水下无人航行器主动对接装置利用其共轴的三个支链旋转驱动装置可以实现夹持平台4的无限旋转，从而使得水下无人航行器主动对接装置能够对准在水平方向上处于任意角度的水下无人航行器。
56.本技术具有运动学冗余的特点，水下无人航行器主动对接装置除了能够实现夹持平台4的三维转动和三维移动的运动形式之外，还能利用冗余的三个自由度实现对末端夹持爪24的开合度和夹持平台4俯仰角度的控制，避免了在并联机器人顶部安装用于控制末端夹持爪24开合度与夹持平台4俯仰角度的电机，减小了对接机构顶部的惯性，提高了水下无人航行器主动对接装置的响应速度和精度；冗余自由度还能够避免传统并联机器人所出现的支链奇异锁死问题，使得水下无人航行器主动对接装置能在极大范围内保证自身正常的运动性能并主动捕获水下无人航行器。
57.实施例2
58.根据本发明提供的一种水下无人航行器，能够被实施例1所述的水下无人航行器主动对接装置捕获，实现精准对接。
59.工作原理
60.通过伺服电机驱动支链旋转组件和层叠平行四边形机构，夹持平台4具有三维转动和三维移动共六个自由度，再利用并联机构实现六自由度运动的前提下形成运动学冗余
从而控制末端夹持爪24的开合与夹持平台4的俯仰调整，并在运动过程中主动避免并联机构发生奇异位置的锁死或失控问题。
61.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。
62.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：
1.一种水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，包括：固定基座(1)、夹持手爪支链(2)、托举支链(3)以及夹持平台(4)；所述手爪支链(2)和所述托举支链(3)二者均安装在所述固定基座(1)上，且能够绕所述固定基座(1)的中心轴旋转；所述手爪支链(2)和所述托举支链(3)二者均包括层叠平行四边形机构，所述手爪支链(2)的末端夹持组件、所述托举支链(3)的末端托举组件均通过球副与所述层叠平行四边形机构连接；所述夹持平台(4)沿周向分别与所述手爪支链(2)、所述托举支链(3)连接，所述手爪支链(2)的末端夹持组件、所述托举支链(3)的末端托举组件以及所述夹持平台(4)三者配合夹持水下无人航行器。2.如权利要求1所述的水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，所述固定基座(1)包括底部基座(14)以及多个支链旋转驱动装置，多个所述支链旋转驱动装置分别通过中心套筒组件安装在所述底部基座(14)上，且与所述底部基座(14)转动配合；多个所述支链旋转驱动装置的运动输出轴轴线均位于所述底部基座(14)的中心轴线上。3.如权利要求2所述的水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，所述手爪支链(2)设置有两个，所述托举支链(3)设置有一个，所述支链旋转驱动装置包括上支链旋转驱动装置(11)、中支链旋转驱动装置(12)、下支链旋转驱动装置(13)；所述托举支链(3)的底部与所述上支链旋转驱动装置(11)的顶部紧固连接；两个所述手爪支链(2)的底部分别与所述中支链旋转驱动装置(12)、所述下支链旋转驱动装置(13)的顶部紧固连接。4.如权利要求1所述的水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，所述手爪支链(2)包括第一支链旋转组件(21)、第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置(22)、第一层叠平行四边形机构(23)以及末端夹持爪(24)；所述第一支链旋转组件(21)与所述固定基座(1)紧固连接，两个所述第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置(22)安装在所述第一支链旋转组件(21)的两侧；所述第一层叠平行四边形机构(23)的底部与两个所述第一层叠平行四边形机构旋转驱动装置(22)的旋转运动输出轴连接；所述末端夹持爪(24)与所述第一层叠平行四边形机构(23)的顶部末端通过球副连接。5.如权利要求4所述的水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，所述托举支链(3)包括第二支链旋转组件(31)、第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置(32)、第二层叠平行四边形机构(33)以及末端托举架(34)；所述第二支链旋转组件(31)与所述固定基座(1)紧固连接，两个所述第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置(32)安装在所述第二支链旋转组件(31)的两侧；所述第二层叠平行四边形机构(33)的底部与两个所述第二层叠平行四边形机构旋转驱动装置(32)的旋转运动输出轴连接；所述末端托举架(34)与所述第二层叠平行四边形机构(33)的顶部末端通过球副连接。6.如权利要求5所述的水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，所述夹持平台(4)分别与所述末端夹持爪(24)、所述末端托举架(34)通过转动关节连接，所述转动关节包括
铰链。7.如权利要求1所述的水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，所述夹持平台(4)上设置有托举架和电磁磁吸装置，所述夹持平台(4)包括镂空板。8.如权利要求7所述的水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，所述托举架包括v型架，所述托举架的数量大于等于1。9.如权利要求1所述的水下无人航行器主动对接装置，其特征在于，所述层叠平行四边形机构包括一个或多个平行四边形连杆机构。10.一种水下无人航行器，其特征在于，能够被权利要求1-9任一所述的水下无人航行器主动对接装置捕获。

技术总结
本发明提供了一种水下无人航行器主动对接装置及水下无人航行器，包括固定基座、夹持手爪支链、托举支链以及夹持平台；手爪支链和托举支链二者均安装在固定基座上，且能够绕固定基座的中心轴旋转；手爪支链和托举支链二者均包括层叠平行四边形机构；夹持平台沿周向分别与手爪支链、托举支链连接，手爪支链的末端夹持组件、托举支链的末端托举组件以及夹持平台三者配合夹持水下无人航行器。本发明通过用九自由度运动学冗余并联机构，结构紧凑，收纳性好，具有高刚度、高精度、高负载能力等优点，具有良好的动态性能，有助于提高水下主动对接装置的运动精度和响应速度，有助于扩大工作空间，从而有助于提升了水下无人航行器的作业效率。率。率。


技术研发人员：陈卫星 林超雄 岳剑桥 李威 高峰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：2022.11.24
技术公布日：2023/4/5