一种水下抓取机器人

1.本发明属于水下机器人领域，具体涉及一种在水下管道内抓取金属件等目标物的机器人。


背景技术：

2.在修建基础建设工程，比如修建桥梁、房屋等建筑过程中，其建筑物的根基础是非常的重要的。为保证高楼、大型桥梁等建筑的稳固，首先需要打下桩基础，然后再在桩基础上进行施工。在施工现场，使用打桩机进行桩基础的成型，打桩深度达到几十米，而且成型的桩基础具有严格的质量要求。
3.打桩机的钻头有一定的脱落的危险，冲击钻掉落在桩基础中是常见的工程事故。一旦钻头脱落，打捞起来非常难，如果钻头没有及时打捞起来，直接在埋在桩基础中，桩基础中会有缝隙，桩基础的承重能力将受到严重的影响。
4.目前，一般采用以下三种方法解决该问题：
①
成型新的桩基础，该方法不但会损失时间和成本，而且整个工程都需做出或多或少的改动，如重新修改图纸、选址和考察；
②
如果将桩基础中充满泥浆的水抽干，将脱落的钻头取出，因为孔的深度很深，一旦水抽干，桩基础会瞬间倒塌；
③
由专业工程人员下潜到几十深的桩坑里面去寻找、打捞钻头，该操作危险极大，水下高压下将对人体造成不可修复的伤害。
5.专利cn 211391646 u公开了一种水下探测搜寻无人机，包括机身、垂直推进器、水平推进器、探测机、航灯，所述机身上设有机械臂，所述机械臂包括内段机械臂、外段机械臂及可开合的臂爪，所述内段机械臂一端与机身固定连接，另一端与外段机械臂铰接连接，所述外段机械臂与所述臂爪铰接连接。该无人机可进行水下搜索和水下采样功能，集成侦查和执行动作一体化；但该专利未公开探测机结构组成，且探测机固定连接在无人机前端，不能识别水底、较浑浊水体中的目标物，且在不适合在水底管道内工作。
6.专利cn 114871216 a公开了一种管道清理机器人，主要用于清理阻塞物和清理管壁。该机器人包括四组由电机驱动的连杆-滑块机构组成的移动架，可以自动调节机器人中心与连杆的张角，使转动轮能够触挤压管壁，实现机器人移动。但该机器人未设置封闭结构，不能用于水下作业，且未设置检测和抓取机构，使用受限。
7.总而言之，目前现有技术中没有适合抓取水下管道底部目标物的智能机器人。本发明的主要目的在于解决打桩机在打桩基础时，钻头掉落中无法快速、有效地打捞起来的问题。将其运用于基础设施建造工程中，可有效的推进工程进度，减少非必要的时间消耗，极大地降低了相关的人力和物力成本，显著提升效率，避免因专业人员下潜深桩基础对人体器官造成的伤害，极其具有广阔的应用前景。


技术实现要素：

8.针对现有技术的不足，本发明提供一种水下抓取机器人，适合在水下，尤其是在水下管道底部抓取金属件等目标物；识别目标物的精度高、结构简单、抓取可靠、工作效率高，
可以有效减少在桩基础中盲目寻找钻头等目标物的时间，也可以避免工程人员在桩基础中打捞目标物的危险。
9.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
10.一种水下抓取机器人，其特征在于，包括：封闭的机壳，与机壳固定连接的助推器、导向机构、抓取机构、活动检测机构、距离传感器；其中，所述机壳包括主壳体、后盖、前盖；所述助推器，包括螺旋桨及控制其旋转的伺服电机，固定在后盖上，为机器人提供水中运动动力；所述导向机构包括三个由导向气缸驱动、均匀分布在机器人周向的连杆轮机构；所述连杆轮机构的末端连杆设置在机壳外，其相对机壳中轴线的张角可控制改变；所述末端连杆后端连接有移动轮；抓取机构固定在机壳前侧，包括第一五自由度机械臂和固定在其前端的两指机械手；所述两指机械手上还安装有力传感器，用于检测夹紧力；活动检测机构固定在机壳前侧，包括第二五自由度机械臂和固定在第二五自由度机械臂前端的激光扫描仪、金属探测仪；距离传感器固定安装在机壳前盖上。
11.优选地，所述主壳体为圆柱形；主壳体内孔前、后端开设有圆锥内螺纹；后盖、前盖均包括开设有圆锥外螺纹的内凸台，分别通过锥螺纹与主壳体旋合。
12.优选地，所述助推器还包括：第一支撑架、联轴器、传动轴、花键轴套；第一支撑架为“y”形结构，其中心设置有环形轴套，其三个支撑柱固定在主壳体内部；伺服电机固定连接在第一支撑架环形轴套上，其输出轴穿过第一支撑架环形轴套内孔，与传动轴前端通过联轴器固定连接；传动轴转动支撑在后盖中心孔上，螺旋桨中心通过花键轴套与传动轴后端固定连接。
13.优选地，所述连杆轮机构包括铰链支架、活动连杆、移动轮、“斜h”形连杆、固定连杆；导向气缸固定在主壳体中心；铰链支架固定连接在导向气缸活塞杆上；活动连杆前端与铰链支架铰接，后端穿过主壳体上的孔与“斜h”形连杆中部铰接；“斜h”形连杆前端两端点分别与固定连杆铰接，后端两端点分别与移动轮中心固定连接；固定连杆固定在主壳体上。
14.进一步优选地，所述导向机构，还包括：连接导向气缸活塞杆和铰链支架的驱动轴，和支撑导向机构的第二支撑架、第三支撑架、导向轴；第二支撑架、第三支撑架均为“y”形结构，其中心设置有环形轴套，其三个支撑柱固定在主壳体内部；导向气缸体固定在第二支撑架的中心轴套上，导向气缸活塞杆固定连接驱动轴前端；驱动轴为中空轴，其外表面与第三支撑架中心环形轴套嵌套、滑动连接；导向轴前端外表面与驱动轴后端内孔嵌套、滑动连接，其后端固定在前盖上；铰链支架固定在驱动轴后端。
15.进一步优选地，所述“斜h”形连杆的安装方向向机器人前侧倾斜。
16.进一步优选地，活动连杆与主壳体连接处设置有与活动连杆同步滑动、但与主壳体保持紧密接触的滑片。
17.优选地，所述第一五自由度机械臂包括：第一轴臂、第二轴臂、第三轴臂、第四轴臂、第一旋转座；第一轴臂与固定在主壳体上的电机输出轴固定；第一轴臂、第二轴臂、第三轴臂、第四轴臂依次通过旋转电机回转连接，第一旋转座与第四轴臂后端同轴旋转连接。
18.优选地，所述两指机械手，包括固定板、两个手指、两个手指气缸；固定板上表面固定在第一五自由度机械臂前端，其下表面上设置有t型槽，手指滑动嵌套在t型槽内；两个手指气缸体固定在固定板中部，对应的两个手指气缸活塞杆分别与对应侧手指固定连接。
19.优选地，所述第二五自由度机械臂包括：第一臂、第二臂、第三臂、第四臂、第二旋
转座；第一臂与固定在主壳体上的电机输出轴固定；第一臂、第二臂、第三臂、第四臂依次通过旋转电机回转连接；第二旋转座与第四臂后端通过电机同轴旋转连接；第二旋转座上固定有连接架，激光扫描仪、金属探测仪固定在连接架上。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
21.1.本发明采用简单的螺旋桨助推器，并设置连杆-滑块运动导向机构，运动可靠、安全；
22.2.本发明采用五自由度机械臂驱动的活动检测机构，活动检测机构前端固定激光扫描仪与金属探测仪，识别目标物的精度高；
23.3.本发明采用六自由度抓取机构，并设置力传感器，抓取可靠；
24.4.本发明采用锥螺纹、滑片、唇形密封结构密封机壳，更适用于水下工作。
附图说明
25.图1为本发明实施例的水下抓取机器人结构示意图一；
26.图2为本发明实施例的水下抓取机器人结构示意图二(机壳部分剖切)；
27.图3为本发明实施例的水下抓取机器人后盖结构示意图；
28.图4为本发明实施例的水下抓取机器人主壳体结构示意图；
29.图5为本发明实施例的水下抓取机器人助推器结构示意图；
30.图6为本发明实施例的水下抓取机器人导向机构结构示意图；
31.图7为本发明实施例的水下抓取机器人抓取机构结构示意图；
32.图8为本发明实施例的水下抓取机器人两指机械手结构示意图；
33.图9为本发明实施例的水下抓取机器人活动检测机构结构示意图。
34.图中：100、主壳体，200、助推器，300、导向机构，400、抓取机构，500、活动检测机构，600、距离传感器，101，后盖，102、前盖，1001、固定连杆安装槽，1002、滑片，1011、后盖外凸台，1012、后盖锥螺纹内凸台，201、第一支撑架，202、螺旋桨，203、伺服电机，204、联轴器，205、传动轴，206、花键轴套，301、第二支撑架，302、导向气缸体，303、导向气缸活塞杆，304、第三支撑架，305、驱动轴，306、铰链支架，307、导向轴，308、活动连杆，309、移动轮，310、“斜h”形连杆，311、固定连杆，401、抓取机构第一轴臂，402、抓取机构第二轴臂，403、抓取机构第三轴臂，404、抓取机构第四轴臂，405、第一旋转座，406、固定板，407、手指，408、t型槽，409、气缸固定板，410、手指气缸体，411、手指气缸活塞杆，501、活动检测机构第一臂，502、活动检测机构第二臂，503、活动检测机构第三臂，504、活动检测机构第四臂，505、第二旋转座，506、连接架，507、激光扫描仪，508、金属探测仪。
具体实施方式
35.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图，对本发明的具体实施方式对一种水下抓取机器人作进一步清楚、完整地阐述。需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目
的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。当两个元件“固定连接”或“回转连接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。固接或固定连接方式可以为螺接或焊接或铆接或插接或通过第三个部件进行连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.如图1,2所示，一种水下抓取机器人，用于在水下，尤其是在水下管道底部抓取金属件(如钻头)等目标物。机器人包括封闭的机壳，与机壳固定连接的助推器200、导向机构300、抓取机构400、活动检测机构500、距离传感器600；机器人还包括控制系统和电源系统，但该部分不作为本发明技术方案重点，在此不做详细阐述。
37.其中，机壳用于固定、支撑各部件并封闭各部件的动力系统，包括主壳体100、后盖101、前盖102。主壳体100可以设计为圆柱形、弹头形、椭球型等多种光滑流线结构，本实施例以圆柱形为例说明机器人机构。为实现壳体密封，保障机器人控制系统在水下工作性能，设置如下结构：主壳体100内孔前、后端开设有圆锥内螺纹；后盖101的结构如图3所示，包括开设有圆锥外螺纹的内凸台1012和外径与主壳体100外径相同的外凸台1011；前盖102与后盖101结构类似，不再赘述；后盖101、前盖102分别通过锥螺纹与主壳体100旋合，其外凸台内表面与主壳体100端面接触，从而密封机壳。助推器200、导向机构300、抓取机构400、活动检测机构500的执行机构，分别通过穿过机壳的连接轴与固定在机壳内部的动力系统连接，在各连接轴安装唇形密封圈及运动滑片(导向机构300上)，实现机壳密封，如图4所示。
38.助推器200固定在后盖101上，为机器人提供水中运动动力，其结构如图5所示，包括：第一支撑架201、螺旋桨202、控制系统控制的伺服电机203、联轴器204、传动轴205、花键轴套206。第一支撑架201优选“y”形结构，其中心设置有环形轴套，优选三个支撑柱均匀分布(也可设计为不均匀分布)。伺服电机203固定支撑在第一支撑架201中心，其输出轴与设置于机壳外部的螺旋桨202固定连接，具体连接结构如下：第一支撑架201的三个支撑柱固定在主壳体100内部；伺服电机固定在第一支撑架环形轴套上，其输出轴穿过第一支撑架环形轴套内孔(无接触)与传动轴205前端通过联轴器204固定连接；螺旋桨202中心通过花键轴套206与传动轴205后端固定连接；传动轴205转动支撑在后盖101中心孔上，并安装唇形密封圈以密封机壳。
39.螺旋桨202的运动控制过程如下：机器人入水后，控制系统控制伺服电机203输出轴转动，将伺服电机203输出扭矩通过联轴器204传递到传动轴205上，带动连接在传动轴205后端的螺旋桨202转动，在水中转动产生推力，为整个机器人提供驱动力。
40.导向机构300，用于使机器人与桩基础接触，引导并支撑机器人运动，采用连杆-滑块机构，其结构如图6所示，包括：导向气缸(包括导向气缸体302、导向气缸活塞杆303)、驱动轴305、三个均匀分布在机器人周向的连杆轮机构(包括铰链支架306、活动连杆308、移动轮309、“斜h”形连杆310、固定连杆311)，以及支撑导向机构的第二支撑架301、第三支撑架304、导向轴307。
41.第二支撑架301、第三支撑架304优选“y”形结构，中心设置有环形轴套，优选三个支撑柱均匀分布(也可设计为不均匀分布)，并固定在主壳体100内部；导向气缸体302固定
在第二支撑架301的中心轴套上，导向气缸活塞杆303固定连接在驱动轴305前端；驱动轴305为中空轴，其外表面与第三支撑架304中心环形轴套嵌套、滑动连接；导向轴307前端外表面与驱动轴305后端内孔嵌套、滑动连接，其后端固定在前盖102上。
42.驱动轴305后端固定有铰链支架306，活动连杆308前端与铰链支架306铰接，后端穿过主壳体100上的孔与“斜h”形连杆310中部铰接；活动连杆308与主壳体100连接处设置有与活动连杆308同步滑动但与主壳体100保持紧密接触的滑片1002，保证机壳的密封性能；作为末端连杆的“斜h”形连杆310前端两端点分别与固定连杆311铰接，后端两端点分别与移动轮309中心固定连接；固定连杆311固定在主壳体100外表面的安装槽1001内。
43.机器人入水后，控制系统控制导向气缸活塞杆303直线运动，带动驱动轴及与其固定连接的铰链支架306直线移动，从而控制连杆轮机构张开与回缩，即控制“斜h”形连杆310的张角(相对于机器人中心轴线)，移动轮311在连杆轮机构张开时与桩基础接触，辅助机器人运动并控制机器人运动方向。在设计“斜h”形连杆310的安装倾斜方向与张开角度时，主要考虑机器人入水和出水运动状态下的受力情况：机器人向桩坑底部运动时，机器人受重力作用快速下沉，为避免下沉过快，“斜h”形连杆310要与机器人运动方向(向下)呈锐角，适当加大机器人与桩基础的摩擦；当机器人向向水面回游时，螺旋桨202克服机器人重力向上运动，“斜h”形连杆310要与机器人运动方向呈钝角，减小摩擦；因此设计“斜h”形连杆310向机器人前侧(前盖102方向)倾斜。
44.抓取机构400，与固定在主壳体100前端的电机输出轴固定连接，用于机器人在桩坑中抓取钻头等目标物，具有六个自由度，其结构如图7所示，第一五自由度机械臂和两爪平行两指平行滑动机械手；第一五自由度机械臂包括：第一轴臂401、第二轴臂402、第三轴臂403、第四轴臂404、第一旋转座405；第一轴臂401、第二轴臂402、第三轴臂403、第四轴臂404依次通过旋转电机回转连接，第一旋转座405与第四轴臂404后端同轴旋转连接，形成五自由度机械臂；两指平行滑动机械手具有一个移动自由度，其结构如图8所示，包括固定板406、两个手指407、两个手指气缸(包括手指气缸体410、手指气缸活塞杆411)以及气缸固定板409；固定板406上表面固定在第一旋转座405上，下表面上设置有t型槽；手指底部的滑块嵌套在t型槽内；两个手指气缸体410通过气缸固定板409固定在固定板406中部，对应的两个手指气缸活塞杆411分别与对应侧手指407固定连接，实现手指气缸控制两个手指滑动收拢或张开，夹取或松开目标物。手指407末端内侧设置为多个凸起的粗糙表面结构，增加手指407与夹取目标物之间的摩擦，提高夹取可靠性。手指407上还安装有力传感器，用于检测夹紧力。
45.活动检测机构500，用于识别水底目标物，其结构如图9所示，包括第二五自由度机械臂、激光扫描仪507、金属探测仪508，以及连接架506；五自由度机械臂与固定在主壳体100前端的电机输出轴固定连接，包括：第一臂501、第二臂502、第三臂503、第四臂504、第二旋转座505。第一臂501、第二臂502、第三臂503、第四臂504依次通过旋转电机回转连接，第二旋转座505与第四轴臂504后端通过电机同轴旋转连接；连接架506固定在第二旋转座505上；激光扫描仪507、金属探测仪508固定在连接架506上。金属探测仪508主要用于识别目标物位置，激光扫描仪507主要用于识别目标物轮廓，二者的检测信号经控制系统去噪后，对于识别水下目标物具有极高的精度。
46.距离传感器600固定安装在机壳前盖102上，用于检测机器人与水面、桩坑底面的
距离。
47.本发明的一种水下抓取机器人的工作方法如下：
48.(1)控制系统和运动机构初始化；
49.(2)机器人入水，控制系统控制伺服电机203开始驱动螺旋桨202转动，为整个机器人提供推力；同时，导向机构300上的导向气缸在控制系统控制下推动导向气缸活塞杆302，使“斜h”形连杆310张开，移动轮309与桩坑内壁接触；机器人开始向桩坑底，即向下运动。
50.(3)当机器人向下运动到一定深度，前盖102上的距离传感器600感应到机器人距离桩底为预定距离x时，控制系统调整螺旋桨动力，使机器人维持相对静止，悬浮在该预定位置。
51.(4)当机器人稳定悬浮后，控制系统控制活动检测机构500上的机械臂运动，不断调整机械臂前端激光扫描仪与金属探测仪机器人的姿态和位置，以探测水下目标物(如钻头)；当金属探测仪508检测目标物的位置范围后，微调机械臂姿态，以适应激光扫描仪507精确识别目标物位置和轮廓，并将此信息发送给控制系统。
52.(5)控制系统根据活动检测机构500发送的目标物位置和轮廓信息，控制抓取机构400各关节电机转动，将手指407移动到目标物位置，并驱动手指407张开、收合夹取目标物；当手指407上的力传感器反馈夹紧力达到预定力值时，说明抓取成功，手指407停止运动。
53.(6)抓取成功后，控制系统控制伺服电机203反转，驱动机器人在桩坑中带着夹取的目标物向上回游。
54.(7)机器人返回至水面后，伺服电机203停止工作，导向气缸反向回缩，带动导向机构303上的“斜h”形连杆310回缩至初始位置，整个抓取过程结束。
55.以上实施方式为本发明的额优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。