一種用于海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手結構的制作方法

本發明屬于水下作業機器人技術領域，涉及一種用于海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手結構。

背景技術：

傳統的海參、扇貝等海生物的近海捕撈大多依靠潛水員下水作業完成，作業成本高、水溫低、潛水員面臨傷病和生命的威脅，尤其當作業深度超過20m，潛水員的工作時間大大縮短。而采用機器人代替潛水員可以較大地提高作業時間、降低捕撈成本，減少潛水員的傷病，提高捕撈的安全性。

目前，機器人捕撈海生物主要通過抽吸和抓取兩種方式來完成。專利文獻“海珍品采捕機器人(cn201410686861.x)”涉及到水下采捕機器人主要通過抽吸裝置由抽吸管將海珍品吸入收集容器內，雖然也可以完成海參等生物的捕撈，但在實際使用中容易將海底的泥沙、礁石、水草等雜物也吸進收集容器，甚至堵塞抽吸管。水下機械手是機器人完成水下目標抓取和作業的所常用方式。專利文獻“一種具有開放式結構的深海作業機械手(cn200910224334.6)”和“水下作業機器人及其工作方法(cn20151035070732.8)”涉及的水下機械手通過傳動軸末端的螺桿帶動螺母作直線運動，完成手指的開合運動。雖然能夠完成水下的目標抓取作業，但海參為光滑柔軟的長筒形生物，難以完成可靠并且無損的抓取。

本發明設計了一種用于海參等海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手結構，通過一個電機結合蝸輪蝸桿結構驅動多指手指的剛性連桿結構，完成對海參等復雜形狀海生物的周邊包絡、柔性自適應抓取。該發明具有抓取可靠、形狀適應性好、包絡速度快、易于水下密封等優點。

技術實現要素：

本發明的目的是設計一種用于海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手結構，主要針對現有的水下手指在抓取海參等海生物時形狀適應性不強，抓取不可靠或海參易受損壞等缺點，設計了一個電機結合渦蝸輪蝸桿結構驅動的多指手抓結構和驅動各個手指和手指的連桿結構，通過多指結構對海參的周邊包絡進行形狀適應性抓取運動，從而完成對海參等海生物的柔性、無損、可靠抓取。

為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案：

一種用于海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手結構，其特征在于：由載體框架、海參捕撈箱、三自由度機械手臂和形狀自適應手指模塊組成；三自由度機械手臂包括肩關節模塊、肘關節模塊、可轉動臂桿模塊、腕關節模塊以及兩個聚丙烯加長臂桿；三自由度機械手的載體框架搭載在水下機器人的底部，形狀自適應手指利用螺栓固定在三自由度機械手的前端，海參捕撈箱和三自由度機械手平行固定在載體框架內；機械手包含肩部和肘部的兩個俯仰關節和大臂的一個轉動關節。

所述的一種用于海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手機構，所述的肩關節模塊，其特征在于肩關節模塊包括肩關節外殼、肩關節端蓋、肩關節電機減速器一體機、肩關節主軸和肩關節主軸配合的肩關節連接器；肩關節外殼主軸配合端面安裝泛塞封，并利用泛塞封蓋和螺栓固定將泛塞封壓緊在肩關節外殼上；利用兩個不銹鋼軸承內圈與肩關節主軸配合，外圈分別與肩關節外殼和泛塞封蓋配合。

所述的一種用于海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手機構，所述的肘關節模塊，其特征在于肘關節模塊肘關節外殼、肘關節端蓋、裝配固定肘關節外殼內部的肘關節電機、裝配固定在肘關節電機上的肘關節主軸、和肘關節主軸配合的肘關節連接器，肘部俯仰關節與聚丙烯加長臂桿相連。

所述的一種用于海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手機構，所述的可轉動臂桿模塊，其特征在于可轉動臂桿模塊包括臂桿外殼、臂桿端蓋、固定在臂桿內部的臂桿電機、與臂桿電機相配合的不銹鋼軸套、和不銹鋼軸套相配合的臂桿連接器，臂桿模塊在臂桿電機的驅動下進行轉動運動。

所述的一種用于海參等海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手機構，其特征在于，所述的腕關節模塊具體包括:腕關節外殼、腕關節端蓋、固定在腕關節外殼內部的腕關節電機、固定在腕關節電機上的腕關節主軸；腕關節手抓的運動由腕關節電機控制，手指基座安裝在腕關節外殼一端的平面上，由螺栓固定；腕關節電機固定于腕關節外殼內部；腕關節主軸與腕關節電機相連，腕關節電機帶動腕關節主軸轉動；腕關節主軸有一個平鍵和蝸桿內的平鍵形成過渡配合，腕關節主軸轉動帶動蝸桿同步轉動；蝸桿在轉動時帶動蝸輪轉動，蝸輪圓心處的軸孔有一個平鍵，蝸輪軸孔的平鍵和手指驅動主軸的平鍵為過渡配合，蝸輪轉動可帶動手指驅動主軸跟隨轉動。

所述的一種用于海參等海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手機構，其特征在于，所述自適應手指系統具體包括:自適應抓取手指模塊由手指基座、和手指基座配合手指驅動主軸、渦輪蝸桿組件、手指驅動連桿以及扭簧固定架，扭簧固定架上裝配有定制扭簧、快速包絡柔性手指組成；扭簧固定架和手指驅動連桿通過過渡配合裝配在手指驅動主軸上，扭簧固定架的軸孔有一個平鍵與手指驅動主軸的平鍵相配合；迫使手指驅動連桿上的銷軸與扭簧伸出端接觸。

所述的一種用于海參等海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手機構，其特征在于，所述的自適應多指手指模塊具體包括：自適應多指手指模塊的快速包絡柔性手指由手指驅動連桿、手指驅動連桿銷軸、兩塊鋁合金材質的手指側板、手指橡膠前蓋板、手指包絡連桿、手指遠指節、手指遠指節橡膠套、手指遠指節主軸、手指遠指節銷軸、手指近指節連桿銷軸；每側的三個快速包絡柔性手指共用一根手指驅動主軸，通過手指驅動主軸固定的蝸輪和手抓驅動主軸上固定的蝸桿相嚙合；手指驅動連桿通過手指驅動連桿銷軸一端固定在手指側板上，另一端在手指驅動主軸上旋轉；手指包絡連桿的一端通過手指近指節連桿銷軸固定在手指基座上，另一端通過手指遠指節銷軸固定在手指遠指節上；手指遠指節橡膠套和手指橡膠前蓋板分別固定在手指側板和手指遠指節上。

所述的一種用于海參等海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手機構，所述自適應抓取手指模塊，其特征在于：在模型的合攏和張開運動過程中，近指節和遠指節與水平面的夾角變化是線性關系的；關節處裝配有伺服電機，各關節端蓋處裝配有o型圈，各關節主軸處裝配有泛塞封和泛塞封蓋。

所述的一種用于海底生物無損捕撈的形狀自適應機械手機構，其特征在于：肩關節模塊中肩關節外殼端面、肘關節外殼、腕關節外殼、可轉動臂桿外殼肩關節外殼端面設有相應的密封圈溝槽并加裝o型密封圈，再利用螺栓螺母和肩關節端蓋緊固配合；肘關節外殼、腕關節外殼、可轉動臂桿外殼安裝有相應的泛塞封和泛塞封蓋。

附圖說明

圖1是無損捕撈形狀自適應機械手結構結構圖；

圖2是纜控水下機器人總體結構圖；

圖3是無損捕撈形狀自適應機械手臂結構剖面圖；

圖4是腕關節手抓剖面圖；

圖5是形狀自適應多指手指結構圖；

圖6是快速包絡柔性手指內部結構圖；

圖7是手指連桿結構驅動原理曲線圖。

具體實施方式

以下結合附圖及具體實施例對本發明做更詳細的說明：

本發明由載體框架、海參捕撈箱、三自由度機械手臂和形狀自適應多指手指組成。其中三自由度機械手臂包括肩關節模塊1、肘關節模塊2、可轉動臂桿模塊3、腕關節模塊4以及兩個聚丙烯加長臂桿6。安裝三自由度機械手的載體框架可以搭載在水下機器人的底部，形狀自適應多指手指5利用螺栓固定在三自由度機械手的前端，海參捕撈箱和三自由度機械手平行固定在載體框架內。機械手包含肩部和肘部的兩個俯仰關節和大臂的一個轉動關節；捕撈過程中通過兩個俯仰關節實現機械手向前下方展開，在轉動關節的協助下完成海生物的捕撈；捕撈完成后由轉動關節為主實現機械手的折疊，將捕獲到的海生物釋放到捕撈箱，捕撈箱蓋由壓簧實現釋放后的自動關閉。

形狀自適應多指手指由電機減速器一體1-3、手指電機密封外殼、手指驅動主軸5-1、泛塞封1-7、泛塞封蓋1-8、泛塞封軸承、手指基座5-2、蝸輪5-3、蝸桿5-4、蝸桿軸承、六個快速包絡柔性手指、手指驅動主軸5-1，扭簧固定架5-6、扭簧5-7、扭簧定位銷軸等組成。其中手指驅動主軸固定在電機減速器一體機上，泛塞封蓋1-8固定在手指電機密封外殼上，通過泛塞封1-7實現對電機減速器一體機的動密封；在手指驅動主軸5-1的泛塞封蓋1-8一端和手指驅動主軸的末端分別通過泛塞封軸承和蝸桿軸承實現手指驅動主軸的軸向位置固定，從而確保泛塞封的動密封有效；六個快速包絡柔性手指通過手指基座5-2固定在手指電機密封外殼的兩側，形成對目標的周邊包絡；每側的三個快速包絡柔性手指共用一根手指驅動主軸5-1，通過手指驅動主軸5-1固定的蝸輪5-3和蝸桿5-4與手指基座5-2相嚙合；其中手指基座蝸桿和兩側蝸輪的可靠嚙合由手指基座5-1確保實現；每根手指驅動主軸5-1上固定有三個扭簧固定架5-6，分別對應三個手指的運動；每個扭簧固定架5-6通過扭簧和扭簧定位銷軸驅動手指驅動連桿5-5運動,每個快速包絡柔性手指由手指驅動連桿5-5作為主動連桿驅動其運動。這樣手指驅動主軸通過蝸輪5-3蝸桿5-4驅動手指驅動主軸，手指驅動主軸帶動扭簧固定架5-6同步運動,當六個快速包絡柔性手指中的任何一個手指受到阻礙時,其他手指將繼續包絡物體,從而對復雜形狀的海生物實現穩定的自適應周邊包絡。

快速包絡柔性手指由扭簧固定架5-6，手指驅動連桿5-5、手指驅動連桿銷軸5-8、手指側板5-9、手指橡膠前蓋板5-10、手指包絡連桿5-11、手指遠指節5-12、手指遠指節橡膠套5-13、手指遠指節主軸5-14、手指遠指節銷軸5-15、手指近指節連桿銷軸5-16組成。其中,扭簧固定架5-6通過扭簧5-7帶動手指驅動連桿5-5實現每一側的三個快速包絡柔性手指的同步包絡運動，手指驅動連桿5-5通過手指驅動連桿銷軸5-8一端固定在手指側板5-9上，另一端在手指驅動主軸5-1上旋轉；手指近指節連桿的一端通過手指近指節連桿銷軸5-16固定在手指基座5-1上，另一端通過手指遠指節銷軸5-15固定在手指遠指節上；手指遠指節橡膠套5-13和手指橡膠前蓋板5-10分別固定在手指側板5-9和手指遠指節上。這樣快速包絡柔性手指將通過手指驅動連桿5-5帶動由手指驅動連桿5-5、手指包絡連桿5-11、手指側板5-9和手指遠指節5-12組成的四連桿結構實現近指節和遠指節對目標的同時包絡；并且，參照電機減速器一體機的電流反饋，將實現手指遠指節橡膠套5-13和手指橡膠前蓋板5-10對目標柔性抓取力的控制。

結合圖1至圖2說明本實施方式。如圖1所示，纜控水下機器人為一個開架式的rov，其中底層結構為作業層，主要裝配有多自由度水下機械手和海參捕撈箱。水下機械手利用螺栓裝配固定在水下機器人下層框架前底板的中部位置上，前底板中間位置設有開口可讓水密線纜穿過前底板與水下機器人的控制艙連通。海參捕撈箱利用螺栓固定在整個底板的右側位置，其位置與收回的機械手抓端平行可以使水下機械手抓到海參后正好能放到海參捕撈箱內。

如圖2所示，本發明的水下機械手擁有4個自由度，包括肩關節1的俯仰運動、可轉動臂桿3的轉動運動、肘關節2的俯仰運動、手指的抓取運動。兩個聚丙烯的加長臂桿6則可顯著加大水下機械手手指端的可伸達范圍。按照海參捕撈作業的要求，通過水下機器人的視覺感知系統發現并定位目標海參位置，然后控制水下機器人運動到目標海參附近。此時機械手開始工作，肩關節模塊在電機的驅動下進行俯仰運動使臂桿模塊下移，對準目標海參，臂桿模塊在臂桿電機的驅動下進行轉動運動，同時肘關節模塊在電機的驅動下進行俯仰運動，機械手的腕關節由收攏姿態轉動到伸開姿態，并使手抓模塊到達并對準目標海參，然后水下機械手手抓模塊在腕關節電機的驅動下自適應無損抓取目標海參。如圖1所示，抓取過程完成后，肩關節模塊繼續進行俯仰運動至臂桿模塊上移至指定位置，然后臂桿模塊在臂桿電機的驅動下進行轉動運動，同時肘關節模塊在電機的驅動下進行俯仰運動，使水下機械手由伸開狀態回到收攏狀態，且腕關節處在離海參捕撈箱平行位置，手指模塊在腕關節電機的驅動下由自適應包絡的抓取姿態轉換成手抓模塊自適應張開姿態，將海參投放到海參捕撈箱內。然后肩關節模塊、肘關節模塊進行俯仰運動，分別上移至指定位置，海參捕撈箱蓋在彈簧伸長力作用下自動合攏，一個海參捕撈抓取、投放的完整過程進行完畢。

結合圖3至圖4說明本實施方式。如圖3的機械手臂剖面圖所示，一種適用于水下海參無損捕撈的自適應多自由度機械手，其裝配有伺服電機的關節模塊都需要保證靜密封和動密封能力，各關節端蓋處裝配有o型圈1-6保證靜密封，各關節主軸處裝配有泛塞封1-7和泛塞封蓋1-8保證各關節的動密封能力。各關節電機由水密插頭和水密線纜與水下機器人的水密控制艙連接，用來傳送電能和控制信號。

如圖4的腕關節手抓剖面圖所示，手抓模塊的張開和自適應包絡主要由腕關節電機控制。每側的三個快速包絡柔性手指共用一根手指驅動主軸，通過手指驅動主軸固定的蝸輪5-3和手指驅動主軸5-1上固定的蝸桿5-4相嚙合；其中手指基座蝸桿和兩側蝸輪的可靠嚙合由手指基座5-1確保實現；每根手指驅動主軸上固定有三個扭簧固定架，分別對應三個手指的運動；每個扭簧固定架5-6通過扭簧5-7和扭簧定位銷軸驅動手指驅動連桿銷軸5-8運動,每個快速包絡柔性手指由手指驅動連桿5-6作為主動連桿驅動其運動。這樣手指驅動主軸通過蝸輪5-3蝸桿5-4驅動手指驅動主軸，手指驅動主軸4-4帶動扭簧固定架5-6同步運動,扭簧固定架5-6通過扭簧帶動手指驅動連桿實現每一側的三個快速包絡柔性手指的同步包絡運動,當六個快速包絡柔性手指中的任何一個手指受到阻礙時,其他手指將繼續包絡物體,從而對復雜形狀的海生物實現穩定的自適應周邊包絡。

當水下機械手準備海參抓取作業時，手抓模塊處于張開狀態且靠近目標海參，腕關節電機4-3轉動，帶動腕關節主軸4-4同步轉動，蝸桿5-4跟隨腕關節主軸4-4同步轉動，蝸桿5-4轉動帶動蝸輪5-3跟隨轉動，帶動手指驅動主軸5-1與蝸輪5-3保持同步轉動，驅動六根手指模塊實現自適應包絡運動，抓取海參。并且，參照電機減速器一體機的電流反饋，將實現手指遠指節橡膠套5-13和手指橡膠前蓋板5-10對目標柔性抓取力的控制。在準備將海參投放到海參捕撈箱的作業過程中，腕關節電機反轉，使腕關節主軸4-4、蝸輪5-3蝸桿5-4、手指驅動主軸5-1依次反向轉動，手指模塊自適應張開，海參自動落入海參捕撈箱內，海參投放作業完成。

結合圖5至圖6說明本實施方式。如圖5所示，手指模塊主要由左右對稱的6根手指來實現自適應包絡運動，完成抓取動作。手指模塊裝配有手指驅動連桿5-5和手指包絡連桿以及扭簧固定架5-6，扭簧固定架5-6上裝配有定制扭簧5-7。扭簧固定架5-7和手指驅動連桿5-5都裝配在手指驅動主軸5-1上，且為過渡配合，扭簧固定架5-6的軸孔有一個平鍵與手指驅動主軸的平鍵相配合，使扭簧固定架5-6可跟隨手指驅動主軸5-1同步轉動。

如圖6所示，手指模塊自適應包絡運動實施過程如下：手指驅動主軸5-1轉動可帶動扭簧固定架5-6同步轉動，扭簧固定架5-6轉動時，扭簧固定架5-6上的擋銷推動定制扭簧5-7受力，扭簧壓縮變形，使扭簧另一個伸出端推動手指驅動連桿上的擋銷，手指驅動連桿5-5跟隨轉動帶動與手指近指節銷軸5-16固定裝配的近指節部分向手抓系統中心平面進行自適應合攏運動。近指節的合攏運動帶動手指包絡連桿運動推動遠指節實現跟隨包絡運動。當六個快速包絡柔性手指中的任何一個手指受到阻礙時,其他手指將繼續包絡物體,從而對復雜形狀的海生物實現穩定的自適應周邊包絡。手抓模塊兩側各三根手指同時進行對稱的手指自適應包絡運動就能實現對目標物體的抓取作業。由于手指系統的前蓋板為聚丙烯材質，手指尖為天然橡膠材質，質地相對較軟，故可以實現手抓系統的自適應無損抓取。

當水下機械手需要進行海參投放作業時，手指驅動主軸由具體實施方式二敘述中腕關節電機反轉一直帶動手指驅動主軸5-1反轉，帶動扭簧固定架5-6同步反向轉動，扭簧固定架5-6反向轉動時，扭簧固定架5-6上的擋銷推動定制扭簧5-7受力，扭簧受力變形，使扭簧另一個伸出端推動手指驅動連桿5-5上的擋銷，手指驅動連桿5-5跟隨反向轉動帶動與手指近指節銷軸5-16固定裝配的近指節部分進行自適應張開運動。近指節的張開運動帶動手指包絡連桿運動推動遠指節實現跟隨張開運動。手抓模塊兩側各三根手指同時進行對稱的手指自適應張開運動就能實現對目標海參的投放作業。至此一次完整的海參抓取、投放作業過程完成。

結合圖7說明本實施方式。近指節和遠指節的聯動過程由實施方式三中敘述的手指驅動連桿5-5跟隨轉動帶動與手指近指節銷軸5-16固定裝配的近指節部分向手抓系統中心平面進行自適應合攏運動。近指節的合攏運動帶動手指包絡連桿5-11運動推動遠指節實現跟隨包絡運動。如圖7所示的手指連桿驅動原理曲線圖，橫坐標為近指節與手指基座水平面夾角，縱坐標為遠指節與手指基座水平面夾角，通過公式計算得到圖7的近指節和遠指節聯動過程的夾角變化關系。當近指節和手指基座水平面呈110°夾角時，遠指節和手指基座水平面呈60°夾角，手指模型呈包絡合攏狀態；當近指節和水平面呈160°夾角時，遠指節和水平面呈15°夾角，手指模型呈自適應張開狀態。在手指模型的合攏和張開運動過程中，近指節和遠指節與水平面的夾角變化是線性關系的，可以保證手指在進行抓取動作時近指節和遠指節配合的包絡運動是迅速而連貫的，進而保證整個海參抓取的過程的快速、穩定、可靠。

本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發明的原理，應被理解為本發明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本發明公開的這些技術啟示做出各種不脫離本發明實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發明的保護范圍內。