推进抓取一体化水下捕获机器人

本发明涉及无人水下航行器、柔性机构及水下抓取，尤其涉及推进抓取一体化水下捕获机器人。

背景技术：

1、水下捕获机器人是一种集成自主移动与作业能力的无人水下航行器，通常具备推进系统以实现巡游，并配备抓取机构以对水下目标物进行采集或操作。在小型化平台中，推进系统多采用螺旋桨形式，通过桨叶旋转产生水动力以实现航行；抓取机构则多采用柔性夹爪，通过驱动元件使指状构件产生弯曲变形，以适应目标物外形并实现包覆抓取。

2、目前，无人水下航行器在设计上普遍将推进机构、转向机构和抓取机械手作为独立的功能模块进行分别设置。推进机构通常采用固定几何形状的螺旋桨桨叶，或通过改变安装角度、调节桨距等方式来改变推力大小；转向机构则多依赖于舵面或独立的水翼结构。抓取机械手方面，现有水下柔性夹爪多通过液压、气动、弹簧、丝杠或绳索牵引等方式，驱动多根指状构件发生弯曲，从而实现对目标物的顺应性包覆。上述各功能模块在物理结构上彼此分离，各自配备独立的驱动源、传动件、密封件和安装基座，并通过系统级的协同控制完成巡游与抓取作业。

3、然而，现有技术方案存在以下不足：

4、（1）推进机构、转向机构与抓取机械手各自独立设置，导致总体尺寸、质量与能耗显著增加，多个独立模块挤占了水下机器人本就有限的内部空间。对于需要在狭窄水域巡游并临时抓取物体的小型平台而言，推进与作业机构的重复配置问题尤为突出，不利于平台的小型化和轻量化。

5、（2）现有螺旋桨桨叶在旋转时需保持稳定的水动力截面以产生有效推力，而柔性夹爪则要求执行件在抓取时发生弯曲变形以包覆目标物。两类结构的力学需求和运动模式完全不同，因此现有设计中两者通常彼此独立，尚未有方案使同一组叶片在旋转时承担推进功能、在停止旋转后又能够被绳索牵引变形而形成抓取空间，功能集成难度较大。

6、（3）现有中央转子在有限壳体空间内持续旋转时，需承受径向及轴向载荷，若缺少法兰座、轴向限位环等限位部件，容易产生轴向窜动或装配松动，影响旋转稳定性或可靠性。同时，下部齿轮传动区域若缺少隔水防护，水流、泥沙或其他杂物可能直接进入啮合区域，导致传动磨损加剧或卡滞。此外，当多片柔性桨叶在收束至极限位置时，叶片之间可能相互接触，若继续强制收束，易造成叶片过度变形、绳索过载或驱动机构损伤，存在安全隐患。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种推进抓取一体化水下捕获机器人，其顶部四片可变形桨叶通过绳索收放和蜗轮蜗杆开合实现两级调节，以分别改变单片桨叶的弯曲形态及整体开合角度，形成动力展开、半收束抓取和完全合拢三种工作模式；同时，通过中央转子的上下法兰支承、轴向限位环、防水隔板及两组正交设置的水翼转向结构，提高装配稳定性和工作安全性。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

3、一种推进抓取一体化水下捕获机器人，包括框架组件、绳索收放驱动组件、水翼转向组件、中央转子、转子支撑组件、转子驱动组件、可变形桨叶组件和桨叶开合驱动组件；

4、所述可变形桨叶组件设置于所述中央转子的顶部，包括沿周向均匀布置的四片可变形桨叶，各所述可变形桨叶均设有桨叶根部和多个绳索导向环；

5、所述绳索收放驱动组件包括放线驱动电机、收线驱动电机、放线轮、收线轮和驱动绳，用于调节所述驱动绳的有效长度及张力，以控制所述可变形桨叶弯曲变形；

6、所述桨叶开合驱动组件与四片所述可变形桨叶的桨叶根部传动连接，用于驱动四片所述可变形桨叶相对张开或收拢；

7、所述捕获机器人至少具有动力展开模式、半收束抓取模式和完全合拢模式。

8、本发明技术方案的进一步改进在于：所述框架组件包括圆管框架、薄板壳体、角部连接件和中心支架；所述圆管框架的贯穿紧固位置设有防压套管。

9、本发明技术方案的进一步改进在于：所述可变形桨叶包括桨叶根部以及由所述桨叶根部向桨尖方向延伸的柔性叶身；所述桨叶根部的厚度及弯曲刚度均大于所述柔性叶身，所述柔性叶身的厚度由所述桨叶根部向桨尖方向逐渐减小。

10、本发明技术方案的进一步改进在于：所述可变形桨叶具有圆钝前缘和厚度小于所述前缘的尾缘，且所述尾缘具备非零厚度；所述柔性叶身采用柔性材料、薄壁结构、局部开槽结构或柔性铰链结构中的至少一种方式，以形成预定弯曲区。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：所述绳索导向环为具有圆滑导向孔的低矮桥形结构或带通孔柱形结构，所述导向孔的入口及出口处均设置有圆角或倒角；多个所述绳索导向环沿各所述可变形桨叶的背面间隔布置；所述驱动绳的放线端与所述放线轮连接，收线端与所述收线轮连接，所述驱动绳包括多个沿所述可变形桨叶的长度方向间隔布置的作用绳段，各所述作用绳段沿四片所述可变形桨叶的周向，依次穿设于位于相应导向位置的所述绳索导向环中，多个所述作用绳段共同形成覆盖四片所述可变形桨叶的阵列式穿绳结构。

12、本发明技术方案的进一步改进在于：所述桨叶开合驱动组件包括开合驱动电机、蜗杆和与所述蜗杆啮合的蜗轮；所述开合驱动电机驱动所述蜗杆转动，所述蜗杆带动所述蜗轮转动，进而驱动四片所述可变形桨叶的桨叶根部在展开位置、半收束位置与完全收束位置之间切换运动。

13、本发明技术方案的进一步改进在于：所述水翼转向组件包括四个设置于所述框架组件外侧的水翼、四根水翼转轴、两个转向驱动电机、两个第一主动齿轮、两个从动齿轮和两根水翼同步传动杆；四个所述水翼分为两组相互垂直布置的水翼转向结构，每组所述水翼转向结构包括相对设置的两个所述水翼，并分别配置一个所述转向驱动电机；每个所述转向驱动电机经对应的所述第一主动齿轮和所述从动齿轮驱动同组中的一个所述水翼转轴转动，并通过对应的所述水翼同步传动杆将偏转动作传递至同组的另一水翼，两组所述水翼转向结构能够分别独立驱动。

14、本发明技术方案的进一步改进在于：所述转子支撑组件包括上支承法兰座、下支承法兰座、上轴承、下轴承、轴向限位环和防水隔板；所述上轴承和所述下轴承分别安装于所述上支承法兰座和所述下支承法兰座内，多个所述轴向限位环成对设置于所述上轴承和所述下轴承的轴向两侧，用于对轴承及所述中央转子进行轴向定位；所述防水隔板设置于所述中央转子下端与转子齿轮传动区域之间，以隔离所述中央转子与下部齿轮传动区域。

15、本发明技术方案的进一步改进在于：所述转子驱动组件包括第二主动齿轮和从动齿圈，所述从动齿圈固定安装于所述中央转子；所述第二主动齿轮与所述从动齿圈相互啮合，以驱动所述中央转子绕其竖直轴线连续旋转。

16、本发明技术方案的进一步改进在于：在所述动力展开模式下，所述桨叶开合驱动组件处于展开位置，所述放线驱动电机与所述放线轮配合使所述驱动绳处于释放或预张紧状态，四片所述可变形桨叶随所述中央转子同步旋转；

17、在所述半收束抓取模式下，所述中央转子停止旋转，所述收线驱动电机经所述收线轮收紧所述驱动绳，所述桨叶开合驱动组件运动至半收束位置；

18、在所述完全合拢模式下，所述中央转子停止旋转，所述桨叶开合驱动组件运动至完全收束位置；

19、当相邻桨叶相互接触、驱动负载达到预设值或所述桨叶开合驱动组件到达预设终止位置时，停止收束动作。

20、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

21、1、同一组四片可变形桨叶集成推进、半收束抓取与完全合拢三种功能，无需独立机械手及其配套驱动、密封与安装结构，显著节省空间与质量。

22、2、绳索收放调节单片桨叶弯曲形态，蜗轮蜗杆调节四片桨叶整体开合角度，两级调节协同作用，实现抓取姿态的灵活可控。

23、3、驱动绳通过多个作用绳段在四片可变形桨叶之间形成阵列式穿绳结构，使绳索拉力能够经多个绳索导向环分散施加，保证四片桨叶弯曲连续、平滑且协调。

24、4、空载半收束与目标抓取时可根据不同目标物品采用不同的机构抓取姿态，降低对目标物品的种类限制，提升工作的普适性。

25、5、当相邻桨叶接触、驱动负载达阈值或达预设终止位置时可控制自动停止收束，有效避免桨叶干涉与驱动过载。

26、6、上下法兰座、上下轴承及成对轴向限位环共同增强中央转子支承稳定性，防水隔板对转子内部电机区域形成可靠隔水防护。