一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构

1.本发明涉及水下机器人应用技术领域，特别是涉及一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构。


背景技术：

2.近些年随着对海洋权益的日益重视，无人潜航器作为人类了解和开发海洋的重要载体，在海底勘探和国防建设方面发挥着重要作用。在无人潜航器的作业流程中，通常涉及到无人潜航器的抓捕回收与释放分离操作，该项技术是海洋高端技术领域中一项极具前瞻性和挑战性的课题，实现安全、稳定的收放无人潜航器成为亟待解决的难题。无人潜航器的收放主要是通过水下静止收放、水下动态收放以及水面人工收放三种方式实现：水下静止收放指在海底设置作业平台，无人潜航器自身通过调整姿态主动与平台对接锁定；水下动态回收是在收放设备与无人潜航器之间保持相对运动的过程中实现抓捕；水面人工回收则需要通过人工挂钩，对于可操作性提出了较高的要求。
3.在无人潜航器抓捕收放技术领域，诸多发明人提供了各种各样的解决方案，例如中国专利：一种高海况条件下的auv快速布放回收装置，专利申请号为：cn201911013241.9，该装置包括v形回收框、auv导向组件、吊索组件以及阻拦网组件，具有扩大回收区域、降低对接精度要求、快速布放回收等优点。又如中国专利：一种无人水面艇收放无人潜航器装置，专利申请号为：cn201811517264.9，该装置包括龙门架、驱动装置、激光测距仪和夹持机构等，通过驱动龙门架调整夹持机构的姿态，提高了无人潜航器和无人水面艇在海上对接效率。现有相关收放装置存在驱动数目多和操作流程复杂和抓捕成功率低等问题，且现有的技术中一般只能针对某一种型号尺寸的无人潜航器进行收放操作。研发具有通用性强、驱动方式便捷高效及抓取精确稳定的无人潜航器捕获机构具有重要实用价值。


技术实现要素：

4.发明目的：鉴于现有相关抓捕收放装置存在驱动复杂、夹持阶段接触操作成功率低的问题，本发明提供一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，采用单自由度联动驱动的方式促使捕获机构关节产生抓捕动作，达到精确抓取及稳定高效收放无人潜航器的目的。
5.技术方案：本发明的一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，包括可折弯机构、同步开合机构和钢丝绳索导引驱动机构；所述可折弯机构包括设有中空内腔的远节、中节、近节、用于连接三者实现弯曲运动的连杆传动组件及支撑座，所述中节两端分别与远节和近节一端铰接，所述近节另一端与支撑座铰接；所述连杆传动组件设于远节、中节、近节的内腔中，所述同步开合机构包括若干组对称均布的折展分支，所述折展分支底端与所述可弯折机构连接。
6.进一步的，所述远节两侧薄壁上设置有两对铰接孔，分别为第一铰接孔和第二铰接孔；所述中节两侧薄壁上设置有三对铰接孔，分别为第三铰接孔、第四铰接孔和第五铰接
孔；所述近节的两侧薄壁上设置有三对铰接孔，分别为第六铰接孔、第七铰接孔以及第八铰接孔；所述薄壁之间均为用于布置连杆传动组件的中空区域。
7.进一步的，所述支撑座中部设有第九铰接接头和第十铰接接头，靠近所述第十铰接接头处布置有弹簧限位槽，所述扭簧限位槽关于支撑座中轴面对称设有两组。
8.进一步的，所述中节的内腔于左右两侧分别贴合远节和近节的外表面；所述第一铰接孔与第三铰接孔同轴心并通过销轴转动铰接；所述第四铰接孔与第六铰接孔同轴心并通过销轴转动铰接。
9.进一步的，所述连杆传动组件包括对称布置的两组第一传动杆、第二传动杆和第三传动杆以及单组第四传动杆，所述第一传动杆的一端与第一铰接孔铰接，所述第三铰接孔位于第一铰接孔外侧，所述第一传动杆一端圆孔、第一铰接孔、第三铰接孔与销轴的轴心同轴，并通过销轴贯穿绕销轴转动；所述第二传动杆的一端嵌入第一传动杆的另一端并通过销轴转动铰接，第二传动杆的另一端延伸至第七铰接孔，通过销轴转动铰接；所述第三传动杆一端圆孔与第二铰接孔通过销轴转动铰接，第四传动杆的一端圆孔与第五铰接孔通过销轴转动铰接，所述第三传动杆的另一端圆孔与支撑座上设置的第十铰接接头铰接；所述第四传动杆的另一端圆孔亦与第十铰接接头铰接，三者同轴心布置并绕轴心转动；所述第三传动杆的另一端布置了方形凹槽，位于该凹槽处设置有v型角呈180
°
的扭簧，所述扭簧的v型角左端抵住第三传动杆的方形凹槽，右端抵住扭簧限位槽，第九铰接接头和近节外表面设置的第八铰接孔通过销轴转动铰接。
10.进一步的，所述折展分支包括电动推杆、分支块、摆杆、锁扣、挺杆、滑动分支块，所述电动推杆驱动电机处固定设置有分支块，电动推杆总成处设有滑动分支块，摆杆一端的扁平状耳片嵌入分支块并通过销轴铰接，锁扣固定于摆杆中部，挺杆的一端与锁扣转动铰接，挺杆另一端与滑动分支块转动铰接；所述分支块和滑动分支块内部均设有圆柱导口。
11.进一步的，所述钢丝绳索导引驱动机构包括三组钢丝绳索和三组滑轮，所述钢丝绳索的始端与分支块固定连接，钢丝绳索依次穿过分支块和滑动分支块的圆柱导口，进而在滑动分支块处发生转向进一步向滑轮延伸，并绕所述滑轮一圈，最终连接至第四传动杆的中部。
12.进一步的，所述中节上相邻铰接孔的圆心顺次首尾连接成线，得到内角分别为18
°
、70
°
、92
°
的钝角三角形。
13.进一步的，所述近节上相邻铰接孔的圆心顺次首尾连接成线，得到内角分别为14
°
、41
°
、125
°
的钝角三角形。
14.进一步的，所述无人艇上装有龙门架，位于龙门架上部固定安装的吊机通过缆绳将导流罩释放到海中，所述捕获机构的同步开合机构在整体收拢状态下存储在导流罩内部，随着同步开合机构被逐渐从导流罩内部推出，所述同步开合机构逐渐张开，完成抓捕操作前的准备。
15.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
16.(1)本发明的一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，所设计的可折弯机构具备多连杆传动特性，仅需施加一个驱动就能实现机构整体从初始平直状态到极限折弯状态的连续运动。与同步开合机构共用钢丝绳索导引驱动机构作为抓捕操作的动力源，实现同步折弯和靠拢两级可折展运动，满足回收时抓取锁定无人潜航器的功能，利用扭
簧完成分离解锁的布放需求。本发明驱动方式便捷高效，简化了操作流程，能够满足快速布放的要求。
17.(2)本发明的一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，借助同步开合机构三个分支所具备的空间结构对称特性，将无人潜航器圆弧状头部作为执行抓捕及释放动作的工作区域，利用捕获机构介于整体收拢、张开的中间状态自适应对中贴合圆弧状头部轮廓，具有扩大捕获机构开口直径，增大捕获范围，抓捕准确的优势。
18.(3)本发明的一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，提出水面无人艇拖拽捕获机构完成无人潜航器回收，一定程度上可以避免传统在海面收放无人潜航器时海浪带来的扰动影响，提升收放作业无人化、智能化水平，保证抓捕锁定过程的安全性和稳定性。
附图说明
19.图1为本发明的可折弯机构整体结构示意图；
20.图2为本发明的可折弯机构支撑座处连接关系细节图；
21.图3为本发明的可折弯机构近节结构示意图；
22.图4为本发明的可折弯机构中节结构示意图；
23.图5为本发明的可折弯机构远节结构示意图；
24.图6为本发明的可折弯机构支撑座结构示意；
25.图7为本发明的可折弯机构三种弯曲变形状态示意图；
26.图8为本发明的同步开合机构及钢丝绳索导引驱动机构组成的整体张开状态结构示意图；
27.图9为本发明的同步开合机构及钢丝绳索导引驱动机构组成的整体收拢状态结构示意图；
28.图10为本发明的同步开合机构整体收拢与张开状态下抓捕范围示意图；
29.图11为本发明的抓捕准备状态示意图；
30.图12为本发明的抓捕锁定状态示意图。
具体实施方式
31.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
32.本发明的一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构包括可折弯机构、同步开合机构以及钢丝绳索导引驱动机构；所述可折弯机构包括远节1、中节2、近节3以及用于连接三者实现弯曲运动的连杆传动组件；所述同步开合机构包括三组对称均布的折展分支。
33.如图1所示，可折弯机构远节1、中节2和近节3均设置有中空内腔，可折弯机构中节2的内腔于左右两侧分别贴合远节1和近节3的外表面。可折弯机构远节1外表面设置的第一铰接孔11与可折弯机构中节2外表面设置的第三铰接孔21同轴心并通过销轴转动铰接。可折弯机构中节2外表面设置的第四铰接孔22与可折弯机构近节3外表面设置的第六铰接孔31同轴心并通过销轴转动铰接。
34.所述连杆传动组件包括第一传动杆4、第二传动杆5、第三传动杆6以及第四传动杆
7，所述第一传动杆4、第二传动杆5和第三传动杆6均设置有两组，所述第四传动杆7独立设置有一组。所述连杆传动组件布置在可折弯机构远节1、中节2和近节3的中空内腔处。
35.所述第一传动杆4的一端圆孔与可折弯机构远节1外表面设置的第一铰接孔11通过销轴转动铰接，可折弯机构中节2的第三铰接孔21位于第一铰接孔11的外侧，所述第一传动杆4的一端圆孔、第一铰接孔11、第三铰接孔21与销轴的轴心同轴，并通过销轴贯穿绕销轴转动。所述第二传动杆5的一端嵌入第一传动杆4的另一端并通过销轴转动铰接，第二传动杆5的另一端延伸至可折弯机构近节3外表面设置的第七铰接孔32，两者亦通过销轴转动铰接。所述第三传动杆6的一端圆孔与第二铰接孔12通过销轴转动铰接，第四传动杆7的一端圆孔与可折弯机构中节2外表面设置的第五铰接孔23通过销轴转动铰接。所述可折弯机构远节1、近节3的内表面与第一传动杆4、第二传动杆5的外表面相互接触并紧密贴合。所述第三传动杆6的两侧表面分别与第二传动杆5、第四传动杆7的外表面相互接触并紧密贴合。由于第一传动杆4、第二传动杆5以及第三传动杆6共设置有两组，关于第四传动杆7镜像对称各布置有一组。
36.如图2所示，所述第三传动杆6的另一端圆孔与支撑座9上设置的第十铰接接头92铰接，所述第四传动杆7的另一端圆孔亦与第二铰接接头92铰接，三者同轴心布置并绕轴心转动。所述第三传动杆6的另一端布置了方形凹槽，位于该凹槽处设置有v型角呈的扭簧8，在无任何受力情况下，所述扭簧8的v型角左端抵住第三传动杆6的方形凹槽，右端抵住扭簧限位槽93。此外，第九铰接接头91和可折弯机构近节3外表面设置的第八铰接孔33通过销轴转动铰接。
37.如图3所示，可折弯机构远节1的两侧薄壁上设置有两对铰接孔，分别为第一铰接孔11和第二铰接孔12，所述两对铰接孔周围带有中空内腔，用于布置连杆传动组件。
38.如图4所示，可折弯机构中节2的两侧薄壁上设置有三对铰接孔，分别为第三铰接孔21、第四铰接孔22以及第五铰接孔23。将相邻所述铰接孔的圆心顺次首尾连接成线，得到内角分别为18
°
、70
°
、92
°
的钝角三角形。所述可折弯机构中节2两侧薄壁之间为中空区域，用于布置连杆传动组件。
39.如图5所示，可折弯机构近节3的两侧薄壁上亦设置有三对铰接孔，分别为第六铰接孔31、第七铰接孔32以及第八铰接孔33。将相邻所述铰接孔的圆心顺次首尾连接成线，得到内角分别为14
°
、41
°
、125
°
的钝角三角形。所述可折弯机构近节3两侧薄壁之间为中空区域，用于布置连杆传动组件。
40.如图6所示，支撑座9的中部设置有第九铰接接头91和第十铰接接头92，靠近所述第十铰接接头92处布置有弹簧限位槽93，所述扭簧限位槽93关于支撑座9的中轴面对称设置有两组。
41.如图7所示，可折弯机构本身具备单自由度特性，借助传动组件的联动作用，可以实现可折弯机构远节、中节2、近节3从初始平直状态到过渡伸展状态最后再到极限折弯状态的连续弯曲运动，完成对无人潜航器圆弧状头部区域稳定抓捕。
42.如图8所示，所述同步开合机构沿电动推杆101圆周方向均匀设置有三组折展分支，可折弯机构固定设置在所述折展分支的末端。以一组折展分支为例，电动推杆101的驱动电机处固定设置有分支块102，电动推杆101的推杆总成处设置有滑动分支块106，摆杆103一端的扁平状耳片嵌入分支块102并通过销轴铰接，锁扣104通过螺钉被固定于摆杆103
中部，挺杆105的一端与锁扣104转动铰接，挺杆105的另一端与滑动分支块106转动铰接。所述分支块102和滑动分支块106的内部均设有圆柱导口。所述钢丝绳索导引驱动机构由一组电动推杆101、三组钢丝绳索107和三组滑轮108构成，所述钢丝绳索107的始端与分支块102固定连接，钢丝绳索107依次穿过分支块102和滑动分支块106的圆柱导口，进而在滑动分支块106处发生转向进一步向滑轮108延伸，并绕所述滑轮108一圈，最终连接至可折弯机构的第四传动杆7的中部。
43.如图8和9所示，为实现无人潜航器的抓捕锁定操作，所述同步开合机构需要具备从整体张开状态至收拢状态变形的能力。所述折展分支借助布置在中心位置电动推杆101的推杆总成径直推动滑动分支块106，基于此联动作用下三个折展分支完成一级同步靠拢运动。同时，中心位置的电动推杆101又可作为布置在折展分支末端的可折弯机构的动力源，由于所述钢丝绳索107长度不可变且不具备弹性伸缩特性，因此钢丝绳索107在电动推杆101的推杆总成推出过程中，沿着圆柱导口拉拽可折弯机构，可折弯机构中的扭簧8两侧v型角受到来自第三传动杆6的方形凹槽和扭簧限位槽93的联合作用力发生弹性形变，基于此过程，可折弯机构从初始平直状态向极限折弯状态转变，驱使其在钢丝绳索导引驱动机构作用下完成二级同步折弯运动。
44.为了实现无人潜航器收放装置集群、快速作业，所述同步开合机构从整体收拢状态至张开状态的作业过程要求是可逆的。所述电动推杆101的推杆逐渐收回的过程中，可折弯机构中的扭簧8两侧v型角存储积蓄的弹力逐渐被释放，借助扭簧8的回弹特性，可折弯机构从极限折弯状态向初始平直状态转变，所述同步开合机构从整体收拢状态恢复到张开状态。
45.如图10所示，面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构利用机构的变形运动实现空间姿态的转换，以便实现抓取多类型、多直径尺寸的无人潜航器，增强捕获机构的适用性和通用性。末端开口处张开与收拢时外接圆直径比可以体现捕获机构的抓捕能力，于本实例中，末端开口张开时的直径为d＝618.2mm，，末端开口收拢时的直径为d＝143.5mm，因此所述。所述可折展捕获机构的抓捕范围能够适合直径介于d和d之间的无人潜航器。
46.如图11所示，当水面无人艇111接收到回收无人潜航器的指令到作业海域，位于龙门架112上部固定安装的吊机113通过缆绳114将导流罩115释放到海中。同步开合机构在整体收拢状态下存储在导流罩115内部，随着同步开合机构被逐渐从导流罩115内部推出，所述同步开合机构逐渐张开，完成抓捕操作前的准备。
47.如图11所示，水面无人艇111与无人潜航器同向而行，无人潜航器的头部接触到同步开合机构，随即钢丝绳索导引驱动机构产生动作，同步开合机构的三个折展分支均向中心靠拢，在此过程中，位于同步开合机构末端的可折弯机构产生折弯运动，贴合无人潜航器的头部进行包裹式夹持，完成锁定作业，进而通过吊机113执行吊装回收任务并跟随水面无人艇111返航。

技术特征：
1.面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，包括可折弯机构、同步开合机构和钢丝绳索导引驱动机构；所述可折弯机构包括设有中空内腔的远节(1)、中节(2)、近节(3)、用于连接三者实现弯曲运动的连杆传动组件及支撑座(9)，所述中节(2)两端分别与远节(1)和近节(3)一端铰接，所述近节(3)另一端与支撑座(9)铰接；所述连杆传动组件设于远节(1)、中节(2)、近节(3)的内腔中，所述同步开合机构包括若干组对称均布的折展分支，所述折展分支底端与所述可弯折机构连接。2.根据权利要求1所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述远节(1)两侧薄壁上设置有两对铰接孔，分别为第一铰接孔(11)和第二铰接孔(12)；所述中节(2)两侧薄壁上设置有三对铰接孔，分别为第三铰接孔(21)、第四铰接孔(22)和第五铰接孔(23)；所述近节(3)的两侧薄壁上设置有三对铰接孔，分别为第六铰接孔(31)、第七铰接孔(32)以及第八铰接孔(33)；所述薄壁之间均为用于布置连杆传动组件的中空区域。3.根据权利要求2所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述支撑座(9)中部设有第九铰接接头(91)和第十铰接接头(92)，所述铰接接头的另一侧布置有扭簧限位槽(93)，所述扭簧限位槽(93)关于支撑座(9)中轴面对称设有两组。4.根据权利要求2所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述中节(2)的内腔于左右两侧分别贴合远节(1)和近节(3)的外表面；所述第一铰接孔(11)与第三铰接孔(21)同轴心并通过销轴转动铰接；所述第四铰接孔(22)与第六铰接孔(31)同轴心并通过销轴转动铰接。5.根据权利要求3所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述连杆传动组件包括对称布置的两组第一传动杆(4)、第二传动杆(5)和第三传动杆(6)以及单组第四传动杆(7)，所述第一传动杆(4)的一端与第一铰接孔(11)铰接，所述第三铰接孔(21)位于第一铰接孔(11)外侧，所述第一传动杆(4)一端圆孔、第一铰接孔(11)、第三铰接孔(21)与销轴的轴心同轴，并通过销轴贯穿绕销轴转动；所述第二传动杆(5)的一端嵌入第一传动杆(4)的另一端并通过销轴转动铰接，第二传动杆(5)的另一端延伸至第七铰接孔(32)，通过销轴转动铰接；所述第三传动杆(6)一端圆孔与第二铰接孔(12)通过销轴转动铰接，第四传动杆(7)的一端圆孔与第五铰接孔(23)通过销轴转动铰接，所述第三传动杆(6)的另一端圆孔与支撑座(9)上设置的第十铰接接头(92)铰接；所述第四传动杆(7)的另一端圆孔亦与第十铰接接头(92)铰接，三者同轴心布置并绕轴心转动；所述第三传动杆(6)的另一端布置了方形凹槽，位于该凹槽处设置有v型角呈180
°
的扭簧(8)，所述扭簧(8)的v型角左端抵住第三传动杆(6)的方形凹槽，右端抵住扭簧限位槽(93)，第九铰接接头(91)和近节(3)外表面设置的第八铰接孔(33)通过销轴转动铰接。6.根据权利要求5所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述折展分支包括电动推杆(101)、分支块(102)、摆杆(103)、锁扣(104)、挺杆(105)、滑动分支块(106)，所述电动推杆(101)驱动电机处固定设置有分支块(102)，电动推杆(101)推杆总成处设有滑动分支块(106)，摆杆(103)一端的扁平状耳片嵌入分支块(102)并通过销轴铰接，锁扣(104)固定于摆杆(103)中部，挺杆(105)的一端与锁扣(104)转动铰接，挺杆(105)另一端与滑动分支块(106)转动铰接；所述分支块(102)和滑动分支块(106)内部均设有圆柱导口。
7.根据权利要求6所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述钢丝绳索导引驱动机构包括三组钢丝绳索(107)和三组滑轮(108)，所述钢丝绳索(107)的始端与分支块(102)固定连接，钢丝绳索(107)依次穿过分支块(102)和滑动分支块(106)的圆柱导口，进而在滑动分支块(106)处发生转向进一步向滑轮(108)延伸，并绕所述滑轮(108)一圈，最终连接至第四传动杆(7)的中部。8.根据权利要求2所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述中节(2)上相邻铰接孔的圆心顺次首尾连接成线，得到内角分别为18
°
、70
°
、92
°
的钝角三角形。9.根据权利要求2所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述近节(3)上相邻铰接孔的圆心顺次首尾连接成线，得到内角分别为14
°
、41
°
、125
°
的钝角三角形。10.根据权利要求1-9任一项所述的面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，其特征在于，所述无人艇(111)上装有龙门架(112)，位于龙门架(112)上部固定安装的吊机(113)通过缆绳(114)将导流罩(115)释放到海中，所述捕获机构的同步开合机构在整体收拢状态下存储在导流罩(115)内部，随着同步开合机构被逐渐从导流罩(115)内部推出，所述同步开合机构逐渐张开，完成抓捕操作前的准备。

技术总结
本发明公开了一种面向无人潜航器收放的绳驱动可折展捕获机构，包括可折弯机构、同步开合机构、钢丝绳索导引驱动机构，可折弯机构利用连杆传动组件连接远节、中节、近节实现弯曲运动。为进一步扩大捕获机构抓取范围，引入同步开合机构，该机构设置有三组对称均布的折展分支以及钢丝绳索导引驱动机构，在直线电动推杆作用下，仅需单自由度就能实现同步折弯和靠拢两级可折展运动，基于此双重运动特性，完成抓取锁定无人潜航器的操作。通过将扭簧在抓取锁定状态因形变积蓄的弹性势能逐渐释放，完成分离解锁动作，实现无人潜航器的布放。本发明具有驱动方式灵活，可对不同型号的无人潜航器开展捕获，具有较强的通用性，能够实现快、准、稳收放作业。稳收放作业。稳收放作业。


技术研发人员：张国兴 夏新露 郭金伟 王佳 李冲 卢道华
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/14