一种水下机器人对接回收装置及操作方法与流程

1.本发明涉及水下回收装置技术领域，尤其是一种水下机器人对接回收装置及操作方法。


背景技术：

2.自治式无人潜水器(简称自治潜器)，具有航行距离远，智能化程度高的特点，在水下资源探查和开发中发挥着重要作用。在实际应用中，自治潜器根据任务需求，通常会进行能源补充和信息交换，以更好的执行多航次作业，这就需要涉及到自治潜器的对接回收任务，但其对接回收方式的不同直接影响自治潜器的回收安全性与作业效率。
3.现有技术中，自治潜器的对接回收是海洋应用领域的一项前沿技术，目前的对接回收方式主要有水下固定罩笼式对接回收、机械手捕捉回收，剪叉式捕捉回收等。但罩笼式对接回收装置要求自治潜器必须是纵向航行且与罩笼的张口方向一致，这种方式决定自治潜器只能沿单一方向进行对接，且自治潜器在调整对接姿态时，还会出现与罩笼发生碰撞损坏的风险；另外由于受到罩笼直径的限制，在对接回收不同直径尺寸的自治潜器时，其改造成本高，适应性不好。机械手捕捉式回收装置对机械手的伸展距离，末端手爪结构形式有特殊要求，且要求机械手的灵活操控能力较高，此种对接回收方式对机械手的要求高，回收装置可靠性差、成功率低。剪叉式捕捉回收装置要求自治潜器本身配置回收用的机械手，用于捕捉回收装置上的回收杆，这种方式需要对自治潜器进行改造，配置特殊设备以满足对接回收要求，对接回收代价大、操作复杂。
4.以上对接回收装置中存在对接机构可调性差、对接成功率低、对接操作复杂，以及容易发生自治潜器与对接回收装置碰撞损坏等缺点，严重影响自治潜器对接回收的安全性和成功率。


技术实现要素：

5.本技术人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种水下机器人对接回收装置及操作方法，该对接回收装置的主体结构为垂向坐落式对接回收形式，采用液压抱爪捕捉式对接回收，利用声学信标和光学灯阵导引方式使自治潜器向对接回收装置抵近航行，通过声学与光学通信设备实时获取自治潜器的对接姿态，抵近对接装置前，自治潜器逐步改变垂直高度，直至到达对接回收有效范围，此时，若自治潜器与液压抱爪仍存在偏转角度，则可以利用摆动液压缸辅助调整对接回收的方向。当自治潜器到达液压抱爪捕捉范围时，驱动液压抱爪快速闭合，在抱爪的弧形结构导引作用下，自治潜器被夹紧，且利用力反馈传感器检测夹紧力达到预定值时，自动停止液压缸动作，并保持锁紧状态，完成对自治潜器的回收。
6.该对接回收方式可以避免罩笼式对接回收对自治潜器航行方向的影响以及对接回收的碰撞风险，也不需要对自治潜器的结构形式和设备配置提出特殊要求，能够有效提高自治潜器水下对接回收的安全性与成功率。
7.本发明所采用的技术方案如下：
8.一种水下机器人对接回收装置，包括底座，所述底座的顶面中间位置安装有摆动液压缸，所述摆动液压缸的输出端固定底板，所述底板的上表面中间位置固定一个工作台，所述工作台上安装液压抱爪；位于工作台一旁的底板上安装有液压阀箱、蓝光通信机、摄像机、云台和led灯，位于工作台另一旁的底板上安装有电子舱；
9.底座的底部预留有安装接口，整个对接回收装置模块化安装在大型水下平台的顶部，随大型水下平台机动航行执行对接回收任务，或整个对接回收装置单独布放在海底执行对接回收任务；
10.液压抱爪的安装结构为：包括固定在工作台上的支撑架，所述支撑架上安装液压缸，所述液压缸的输出端连接主动爪，主动爪通过连接轴和转轴同时连接两个联动爪，两个联动爪对称布置在主动爪的两旁，每个联动爪的底部铰接连杆，连杆的两端分别铰接固定杆和从动爪，固定杆成“l”型结构，固定杆底面固定在工作台上，固定杆还通过直杆与从动爪连接，液压缸驱动主动爪带动从动爪动作，快速实现张开和闭合动作，自治潜器一旦进入对接回收位置，液压抱爪就快速闭合并保持锁紧状态，完成自治潜器的对接回收。
11.其进一步技术方案在于：
12.位于底板的四个角处分别固定有支架，每个支架的外侧固定led导引灯阵。
13.所述联动爪呈圆弧形结构，包括两片间隔布置的联动片体，两片联动片体之间的内凹圆弧段设置有一号挡板；两片联动片体上开有安装连接轴和铰接轴的孔。
14.所述主动爪的结构为：包括两片间隔布置的主动折弯片体，两片主动折弯片体之间的内凹圆弧段设置有二号挡板。
15.所述主动爪和联动爪的安装方向相同，主动爪和联动爪的安装方向与从动爪的安装方向为相对安装。
16.所述底座采用金属框架。
17.所述底座为一体式结构。
18.所述底座的结构为：包括上下平行间隔的顶板和座底板，所述顶板和座底板均为实心的矩形结构，所述顶板和座底板的四周分别安装有侧板，侧板上开有上下两个梯形孔。
19.一种水下机器人对接回收装置的操作方法，包括如下操作步骤：
20.s1：准备工作，对接回收装置提前布放在海底预定位置；
21.s2：初始状态时，液压抱爪处于张开状态，张口朝上；
22.s3：当自治潜器需要回收时，通过声学和光学导引通信方式使自治潜器航行至对接回收装置附近；
23.s4：若自治潜器与液压抱爪的张口方向有偏差，摆动液压缸工作，调整底板的方向；
24.s5：确认自治潜器到达对接回收位置后，驱动液压抱爪快速闭合并保持锁紧状态，完成对自治潜器的对接回收。
25.本发明的有益效果如下：
26.本发明结构简单、操作方便，通过声学和光学通信导引的方式使自治潜器到达对接回收位置，利用摆动液压缸辅助调整对接回收的方向，采用液压抱爪快速捕捉回收，并根据力反馈传感器检测使液压抱爪自动停止动作，并保持锁紧状态。该对接回收装置主体结
构为垂向坐落式对接回收形式，采用液压抱爪捕捉式对接回收，兼具捕捉回收、机械导引、锁紧定位的功能，能够适应性不同直径大小的自治潜器的回收需求，还具有安全性高，方向可调性好，对接回收动作执行快速、简单、可靠等特点。
附图说明
27.图1为本发明的结构示意图(回收自治潜器)。
28.图2为本发明的结构示意图(未回收自治潜器)。
29.图3为本发明的主视图。
30.图4为本发明的俯视图。
31.图5为本发明液压抱爪的安装示意图。
32.图6为本发明液压抱爪的主视图。
33.图7为本发明单个联动爪的结构示意图。
34.图8为本发明单个联动爪另一视角的结构示意图。
35.图9为本发明主动爪的结构示意图。
36.图10为本发明主动爪另一视角的结构示意图。
37.图11为本发明底座的结构示意图。
38.其中：2、自治潜器；
39.101、底座；102、led导引灯阵；103、led灯；104、云台；105、摄像机；106、蓝光通信机；107、液压阀箱；108、液压抱爪；109、声学通信机；110、电子舱；111、声学信标；112、液压缸；113、底板；114、摆动液压缸；115、支架；116、工作台；117、支撑架；
40.1011、顶板；1012、侧板；1013、座底板；
41.1081、联动爪；1082、连接轴；1083、主动爪；1084、固定杆；1085、连杆；1086、转轴；1087、从动爪；1088、直杆；
42.10811、联动片体；10812、一号挡板；
43.10831、主动折弯片体；10832、二号挡板。
具体实施方式
44.下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
45.如图1-图11所示，本实施例的水下机器人对接回收装置，包括底座101，底座101的顶面中间位置安装有摆动液压缸114，摆动液压缸114的输出端固定底板113，底板113的上表面中间位置固定一个工作台116，工作台116上安装液压抱爪108；位于工作台116一旁的底板113上安装有液压阀箱107、蓝光通信机106、摄像机105、云台104和led灯103，位于工作台116另一旁的底板113上安装有电子舱110；
46.底座101的底部预留有安装接口，整个对接回收装置模块化安装在大型水下平台的顶部，随大型水下平台机动航行执行对接回收任务，或整个对接回收装置单独布放在海底执行对接回收任务；
47.液压抱爪108的安装结构为：包括固定在工作台116上的支撑架117，支撑架117上安装液压缸112，液压缸112的输出端连接主动爪1083，主动爪1083通过连接轴1082和转轴1086同时连接两个联动爪1081，两个联动爪1081对称布置在主动爪1083的两旁，每个联动
爪1081的底部铰接连杆1085，连杆1085的两端分别铰接固定杆1084和从动爪1087，固定杆1084成“l”型结构，固定杆1084底面固定在工作台116上，固定杆1084还通过直杆1088与从动爪1087连接，液压缸112驱动主动爪1083带动从动爪1087动作，快速实现张开和闭合动作，自治潜器2一旦进入对接回收位置，液压抱爪108就快速闭合并保持锁紧状态，完成自治潜器2的对接回收。
48.位于底板113的四个角处分别固定有支架115，每个支架115的外侧固定led导引灯阵102。
49.联动爪1081呈圆弧形结构，包括两片间隔布置的联动片体10811，两片联动片体10811之间的内凹圆弧段设置有一号挡板10812；两片联动片体10811上开有安装连接轴1082和铰接轴的孔。
50.主动爪1083的结构为：包括两片间隔布置的主动折弯片体10831，两片主动折弯片体10831之间的内凹圆弧段设置有二号挡板10832。
51.主动爪1083和联动爪1081的安装方向相同，主动爪1083和联动爪1081的安装方向与从动爪1087的安装方向为相对安装。
52.底座101采用金属框架。
53.底座101为一体式结构。
54.底座101的结构为：包括上下平行间隔的顶板1011和座底板1013，顶板1011和座底板1013均为实心的矩形结构，顶板1011和座底板1013的四周分别安装有侧板1012，侧板1012上开有上下两个梯形孔。
55.本实施例的水下机器人对接回收装置的操作方法，包括如下操作步骤：
56.s1：准备工作，对接回收装置提前布放在海底预定位置；
57.s2：初始状态时，液压抱爪108处于张开状态，张口朝上；
58.s3：当自治潜器2需要回收时，通过声学和光学导引通信方式使自治潜器2航行至对接回收装置附近；
59.s4：若自治潜器2与液压抱爪108的张口方向有偏差，摆动液压缸114工作，调整底板113的方向；
60.s5：确认自治潜器2到达对接回收位置后，驱动液压抱爪108快速闭合并保持锁紧状态，完成对自治潜器2的对接回收。
61.液压抱爪108的内部安装有力反馈传感器，当抱爪闭合，夹紧自治潜器2，并达到力反馈传感器的设定值，自动停止液压缸112动作，并保持锁紧状态。
62.本发明所述的水下机器人对接回收装置的具体结构和功能如下：
63.主要包括底座101、摆动液压缸114、底板113、液压抱爪108、声光导引通信设备、液压阀箱107、电子舱110等。
64.其中，液压抱爪108是由液压缸112驱动主动爪1083带动从动爪1087动作，可快速实现张开和闭合动作，在实际工作中，自治潜器2一旦进入对接回收位置，液压抱爪108就可以快速闭合并保持锁紧状态，完成自治潜器2的对接回收，有效提高对接回收的成功率。
65.其中，声光导引通信设备包括声学通信机109、声学信标111、光学蓝光通信机106、led导引灯阵102等。
66.其中，底座101主要采用金属框架，是整个装置的主要支撑。
67.其中，底板113作为各设备的安装基础，预留有设备安装接口，各设备根据使用要求，有序安装在底板113上。
68.底板113与底座101之间有摆动液压缸114，根据对接回收需求，控制摆动液压缸114带动底板113转动方向，从而实现该装置对接回收的方向调整。底板113上表面工作台116上纵向中间位置安装液压抱爪108，沿纵向还安装有蓝光通信机106，用于近距离的光学通信。
69.还安装有观察监视设备，包括云台104、led灯103和摄像机105，用于实时观察自治潜器2的对接回收情况，led灯103与摄像机105可以随着云台104的转动调整观察方向，有效增大观察范围。
70.底板113的四角位置安装有用于光学导引的led导引灯阵102，led导引灯阵102的数量可以根据需要进行调整。在底板113的两侧位置分别安装有声学通信机109和声学信标111，用于对自治潜器2进行远距离的声学通信以及导引定位。
71.其中，液压阀箱107主要控制液压阀路的通闭，操控摆动液压缸114和液压抱爪108执行动作。
72.底板113上还安装有电子舱110，用于该装置的供配电与信息控制。
73.实际工作过程中：
74.自治潜器2在完成水下作业任务后或能源即将耗尽前，航行至对接回收装置所在区域进行对接回收。
75.首先操控对接回收装置的声学通信机109发送指令使自治潜器2切换到对接回收航行模式，然后自治潜器2根据声学导引信号向对接回收装置航行抵近。到达蓝光通信机106的有效距离后，利用蓝光通信与自治潜器2建立信息交换通道，获取自治潜器2的姿态、航速信息。到达摄像机105可视距离后，自治潜器2利用自身配置的摄像机105按照对接装置上led导引灯阵102的导引实现自身位姿信息的调整，为对接回收做准备。在到达对接回收位置前，通过观察监视设备观察自治潜器2的位置是否与液压抱爪108闭合方向一致，若存在偏差，可通过摆动液压缸114调整底板113方向，从而避免自治潜器2自身重新调整方向，节约对接回收时间。最后，确认自治潜器2垂向运动到液压抱爪108的闭合范围后，驱动液压抱爪108快速闭合，在液压抱爪108的弧形导引作用下，自治潜器2到达对接回收位置，根据力反馈传感器的检测使液压抱爪108自动停止动作并保持锁紧状态，从而完成对自治潜器2的对接回收。
76.通过以上操作可以有效提高自治潜器水下对接回收的安全性与成功率。
77.以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

技术特征：
1.一种水下机器人对接回收装置，其特征在于：包括底座(101)，所述底座(101)的顶面中间位置安装有摆动液压缸(114)，所述摆动液压缸(114)的输出端固定底板(113)，所述底板(113)的上表面中间位置固定一个工作台(116)，所述工作台(116)上安装液压抱爪(108)；位于工作台(116)一旁的底板(113)上安装有液压阀箱(107)、蓝光通信机(106)、摄像机(105)、云台(104)和led灯(103)，位于工作台(116)另一旁的底板(113)上安装有电子舱(110)；底座(101)的底部预留有安装接口，整个对接回收装置模块化安装在大型水下平台的顶部，随大型水下平台机动航行执行对接回收任务，或整个对接回收装置单独布放在海底执行对接回收任务；液压抱爪(108)的安装结构为：包括固定在工作台(116)上的支撑架(117)，所述支撑架(117)上安装液压缸(112)，所述液压缸(112)的输出端连接主动爪(1083)，主动爪(1083)通过连接轴(1082)和转轴(1086)同时连接两个联动爪(1081)，两个联动爪(1081)对称布置在主动爪(1083)的两旁，每个联动爪(1081)的底部铰接连杆(1085)，连杆(1085)的两端分别铰接固定杆(1084)和从动爪(1087)，固定杆(1084)成“l”型结构，固定杆(1084)底面固定在工作台(116)上，固定杆(1084)还通过直杆(1088)与从动爪(1087)连接，液压缸(112)驱动主动爪(1083)带动从动爪(1087)动作，快速实现张开和闭合动作，自治潜器(2)一旦进入对接回收位置，液压抱爪(108)就快速闭合并保持锁紧状态，完成自治潜器(2)的对接回收。2.如权利要求1所述的一种水下机器人对接回收装置，其特征在于：位于底板(113)的四个角处分别固定有支架(115)，每个支架(115)的外侧固定led导引灯阵(102)。3.如权利要求1所述的一种水下机器人对接回收装置，其特征在于：所述联动爪(1081)呈圆弧形结构，包括两片间隔布置的联动片体(10811)，两片联动片体(10811)之间的内凹圆弧段设置有一号挡板(10812)；两片联动片体(10811)上开有安装连接轴(1082)和铰接轴的孔。4.如权利要求1所述的一种水下机器人对接回收装置，其特征在于：所述主动爪(1083)的结构为：包括两片间隔布置的主动折弯片体(10831)，两片主动折弯片体(10831)之间的内凹圆弧段设置有二号挡板(10832)。5.如权利要求1所述的一种水下机器人对接回收装置，其特征在于：所述主动爪(1083)和联动爪(1081)的安装方向相同，主动爪(1083)和联动爪(1081)的安装方向与从动爪(1087)的安装方向为相对安装。6.如权利要求1所述的一种水下机器人对接回收装置，其特征在于：所述底座(101)采用金属框架。7.如权利要求1所述的一种水下机器人对接回收装置，其特征在于：所述底座(101)为一体式结构。8.如权利要求1所述的一种水下机器人对接回收装置，其特征在于：所述底座(101)的结构为：包括上下平行间隔的顶板(1011)和座底板(1013)，所述顶板(1011)和座底板(1013)均为实心的矩形结构，所述顶板(1011)和座底板(1013)的四周分别安装有侧板(1012)，侧板(1012)上开有上下两个梯形孔。9.一种如权利要求1所述的水下机器人对接回收装置的操作方法，其特征在于：包括如下操作步骤：
s1：准备工作，对接回收装置提前布放在海底预定位置；s2：初始状态时，液压抱爪(108)处于张开状态，张口朝上；s3：当自治潜器(2)需要回收时，通过声学和光学导引通信方式使自治潜器(2)航行至对接回收装置附近；s4：若自治潜器(2)与液压抱爪(108)的张口方向有偏差，摆动液压缸(114)工作，调整底板(113)的方向；s5：确认自治潜器(2)到达对接回收位置后，驱动液压抱爪(108)快速闭合并保持锁紧状态，完成对自治潜器(2)的对接回收。

技术总结
一种水下机器人对接回收装置及操作方法，主要包括底座，摆动液压缸，底板，液压抱爪，声光导引通信设备，液压阀箱，电子舱等。采用垂向坐落式对接回收形式，采用液压抱爪捕捉式对接回收，利用声学信标和光学灯阵导引方式使自治潜器向对接回收装置抵近航行，通过声学与光学通信设备实时获取自治潜器的对接姿态，抵近对接装置前，自治潜器逐步改变垂直高度，直至到达对接回收有效范围，驱动液压抱爪快速闭合，在抱爪的弧形结构导引作用下，自治潜器被夹紧，且利用力反馈传感器检测夹紧力达到预定值时，自动停止液压缸动作，并保持锁紧状态，完成对自治潜器的回收。对自治潜器的回收。对自治潜器的回收。


技术研发人员：郭佳 姚明超 倪天 吴海波 王俊霖 徐明浩
受保护的技术使用者：深海技术科学太湖实验室
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/1