一种基于双RRRR构型的水下多功能协作型双机械臂制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双RRRR构型的水下多功能协作型双机械臂，属于机器人水下作业领域，其各机械臂均包括肩关节、大臂关节、小臂关节、腕关节这四个运动关节和一个末端手爪，构成双RRRR构型水下作业机构，可根据不同工作环境，采用不同的捕获模式对水下动、静态目标物进行捕获回收。本发明专利技术的协作型双机械臂，双臂协同相较于单臂更加灵活，协作抓取动、静态目标物的能力更强；末端手爪通过丝杆、推杆进行传动，实现手爪开度的精确控制，同时减少手爪纵向运动行程，构型更为紧凑；可实现手爪直接抓取和环抱抓取双重作业功能，解决水下动态目标难以抓取回收的难题，且双臂的多种捕获方式扩展了可达工作区域，提高了水下作业能力和工作效率。

An Underwater Multifunctional Cooperative Dual Manipulator Based on Double RRRR Configuration

【技术实现步骤摘要】
一种基于双RRRR构型的水下多功能协作型双机械臂
本专利技术属于机器人水下作业领域，更具体地，涉及一种基于双RRRR构型的水下多功能协作型双机械臂。
技术介绍
无人水下潜航器是一类可以在水下执行特定作业任务的无人航行器，是人类开发海洋资源不可缺少的工具，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。在绝大多数情况下，无人水下潜航器需要重复使用，这意味着它们在完成任务后必须能够被回收。因此，如何对无人水下潜航器实现快速、安全、可靠地回收已成为无人水下潜航器技术的一个研究重点。一般而言，无人水下潜航器的回收方式可分为水面回收与水下回收两种。与水面回收方式相比，水下回收方式受海况影响小，速度快，更为隐蔽、灵活，已成为中小型无人水下潜航器回收技术的发展趋势。水下回收方式主要有牵引回收、机械臂回收、直接对接回收和附着母艇回收等四种。其中，牵引回收和机械臂回收均采用中介装置与无人水下潜航器对接，可避免无人水下潜航器与母艇发生碰撞，但是对中介装置的位姿控制要求很高。直接对接回收不需要中介装置，但是直接对接产生的碰撞可能损坏无人水下潜航器或者母艇。附着母艇回收可使无人水下潜航器直接降落并附着在母艇上，但这种回收方式需对母艇的外部结构做较大修改，相关技术的难度很高，目前尚处于构想阶段。由于水下环境十分复杂，因此水下回收既要考虑水动力的作用又要考虑海流等不确定性因素的影响。此外，水下回收主要依赖的水声设备容易受到环境噪声的干扰，而图像处理设备则受到海水能见度低的限制而不具有通用性。这些问题导致了水下回收的难度大大增加，因此如何在复杂的水下环境中实现快速、安全、可靠地回收便成为迫切需要解决的难题。为此，在设计水下回收装置时一方面要具有良好的灵活性，以使水下机器人与母艇在保持足够距离的情况下实施安全回收，另一方面在面对不同的水下环境时，水下回收装置需要面对不同的捕获情况，因此需要多种捕获方式。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于双RRRR(关节式球面机器人)构型的水下多功能协作型双机械臂，通过双机械臂的机械、驱动、传动三个部分的结构设计，具备手爪直接抓取和环抱抓取双重作业功能，能够解决水下静、动态目标回收过程困难，灵活性较差，回收效率低下等问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于双RRRR构型的水下多功能协作型双机械臂，用于搭载至水下潜航器械上执行环抱和抓取工作，每个机械臂均包括肩部分、大臂部分、小臂部分、腕部分和爪部分；肩部分包括：底座、第一传动轴和肩关节电机；底座沿轴Z布置，第一传动轴沿X轴布置，且枢接于底座下部，第一传动轴一端与肩关节电机的输出轴对接；肩关节电机固定于底座上；底座用于与水下潜航器械固连；大臂部分包括：短臂、第二传动轴、大臂关节电机和大臂；短臂沿Z轴布置，其上部与第一传动轴固连；第二传动轴沿Y轴布置，且枢接于短臂下部，第二传动轴与大臂关节电机的输出轴对接；大臂关节电机固定于短臂上；大臂沿Z轴布置，其上部与第二传动轴固连；小臂部分包括：第三传动轴、小臂关节电机和小臂；第三传动轴沿Y轴布置，且枢接于大臂下部，第三传动轴与小臂关节电机的输出轴对接；小臂关节电机固定于大臂上；小臂沿Z轴布置，其上部与第三传动轴固连；腕部分包括腕关节电机，腕关节电机沿Z轴布置，且固定于小臂内部；腕关节电机的输出轴伸出小臂用于固定爪部分，以带动爪部分旋转。进一步地，腕部分还包括：轴承座、传动盖和箱体；轴承座固定于小臂下端；腕关节电机的输出轴下端穿过轴承座内部的轴承，且与传动盖固连；箱体固定于传动盖下表面,；爪部分包括：支架、推杆、第一销轴、第二销轴、第三销轴、爪关节电机、丝杆、拨块、导套、爪部以及连杆；支架沿Z轴固定于箱体下表面，其径向开设有腰型槽，轴向开设有连通腰型槽的通孔；导套设于支架的通孔内，固定推杆只能沿Z轴运动，推杆设于导套的通孔内，下端固连第一销轴，以带动第一销轴在腰型槽内上下移动；支架下端固连第二销轴，第二销轴与第一销轴平行；丝杆平行于推杆且固定于箱体上，丝杆一端与爪关节电机的输出轴对接；爪关节电机固定于箱体上；拨块设于丝杆上作为动子，推杆上部与拨块固连；两个爪部关于Z轴对称，均枢接于第二销轴上，每个爪部上关于Z轴对称有一个开孔，分别与两个第三销轴相连；两个连杆关于Z轴对称，一端共同枢接于第一销轴上，另一端分别枢接于两个第三销轴上，且与第二销轴的枢接位置错开。进一步地，爪部分还包括滑套，滑套外表面与支架的通孔过盈配合，内表面与推杆滑动配合。进一步地，丝杆为T型丝杆。进一步地，肩关节电机、大臂关节电机、小臂关节电机、腕关节电机和爪关节电机均为水密电机。进一步地，小臂部分还包括：隔垫、前端盖和第二法兰；前端盖连接小臂关节电机与第二法兰，第二法兰固定在小臂之上；隔垫位于第三传动轴与大臂中间。进一步地，还包括控制器和加权机械臂关节运动距离最优程序模块；控制器分别连接肩关节电机、大臂关节电机、小臂关节电机和腕关节电机，以控制各关节电机的运动角度；设肩关节电机、大臂关节电机、小臂关节电机和腕关节电机的初始角度依次为θ01、θ02、θ03、θ04，角度权重依次为ω1、ω2、ω3、ω4，且ω1>ω2>ω3>ω4，使爪部分从初始位置运动到目标位置的各关节角度的运动学逆解有n组，记为[θk1，θk2，θk3，θk4]，k＝1～n，则所述控制器在调用所述加权机械臂关节运动距离最优程序模块时，执行如下步骤：(1)计算第k组解的加权运动距离权和得：(2)计算出所有的权和ak后，再进行选小，即取minak为最优解的运动距离权和，其对应的四个关节角度，即为满足加权机械臂关节运动距离最优的解；(3)控制器按照最优解对应的关节角度，控制各关节电机旋转，从而使爪部分从初始位置运动到目标位置。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、现有技术水下一般为单臂抓取作业，本专利技术设计了协作型双机械臂，双臂协同相较于单臂更加灵活，协作抓取动、静态目标物的能力更强；本专利技术的协作型双机械臂具有双运动臂，每一单臂具有四个自由度，构成RRRR-RRRR型机构，可安装于水下无人潜航器，实现捕获、水下打捞等应用，双臂运动灵活，平衡性好、可自由旋转、运行可靠、省时省力。2、本专利技术协作型双机械臂能够实现多种方式对于水下物体的捕获：当捕获静、动态小型目标物时，可采用双臂协同爪部捕获，控制电机旋转至某一角度，伸展双机械臂靠近目标物，闭合爪部从而对目标物进行捕获；或单臂抓取固定结构物作为支点，另外一臂完成复杂外界海流扰动下的精确捕获任务。当捕获静、动态大型目标物时，可采用双臂协同环抱捕获，控制电机旋转至某一角度，伸展机械臂环抱目标物，从而对目标物进行捕获。两种作业形态下的双臂协同抓取，解决了水下动态目标难以抓取回收的难题，提高了机械臂水下作业能力，且双臂的多种捕获方式扩展了其工作区域，提高了工作效率，从而为水下物体捕获工作提供了便捷和保障。3、末端的爪部分通过丝杆、推杆、连杆、销轴部件，将电机的转动转化为推杆的平动，再通过连杆、销轴部件转化为爪部的转动，能够实现爪部开度的精确控制，同时也减少了手爪纵向运动行程，构型上更为紧凑。4、本专利技术设计的双RRRR构型水下机械臂的机械构型独特，机械臂安本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双RRRR构型的水下多功能协作型双机械臂，用于搭载至水下潜航器械上执行环抱和抓取工作，每个机械臂均包括肩部分、大臂部分、小臂部分、腕部分和爪部分，其特征在于：肩部分包括：底座(135)、第一传动轴(146)和肩关节电机(115)；底座(135)沿轴Z布置，第一传动轴(146)沿X轴布置，且枢接于底座(135)下部，第一传动轴(146)一端与肩关节电机(115)的输出轴对接；肩关节电机(115)固定于底座(135)上；底座(135)用于与水下潜航器械固连；大臂部分包括：短臂(134)、第二传动轴(149)、大臂关节电机(119)和大臂(84)；短臂(134)沿Z轴布置，其上部与第一传动轴(146)固连；第二传动轴(149)沿Y轴布置，且枢接于短臂(134)下部，第二传动轴(149)与大臂关节电机(119)的输出轴对接；大臂关节电机(119)固定于短臂(134)上；大臂(84)沿Z轴布置，其上部与第二传动轴(149)固连；小臂部分包括：第三传动轴(86)、小臂关节电机(126)和小臂(83)；第三传动轴(86)沿Y轴布置，且枢接于大臂(84)下部，第三传动轴(86)与小臂关节电机(126)的输出轴对接；小臂关节电机(126)固定于大臂(84)上；小臂(83)沿Z轴布置，其上部与第三传动轴(86)固连；腕部分包括腕关节电机(79)，腕关节电机(79)沿Z轴布置，且固定于小臂(83)内部；腕关节电机(79)的输出轴伸出小臂(83)用于固定爪部分，以带动爪部分旋转。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双RRRR构型的水下多功能协作型双机械臂，用于搭载至水下潜航器械上执行环抱和抓取工作，每个机械臂均包括肩部分、大臂部分、小臂部分、腕部分和爪部分，其特征在于：肩部分包括：底座(135)、第一传动轴(146)和肩关节电机(115)；底座(135)沿轴Z布置，第一传动轴(146)沿X轴布置，且枢接于底座(135)下部，第一传动轴(146)一端与肩关节电机(115)的输出轴对接；肩关节电机(115)固定于底座(135)上；底座(135)用于与水下潜航器械固连；大臂部分包括：短臂(134)、第二传动轴(149)、大臂关节电机(119)和大臂(84)；短臂(134)沿Z轴布置，其上部与第一传动轴(146)固连；第二传动轴(149)沿Y轴布置，且枢接于短臂(134)下部，第二传动轴(149)与大臂关节电机(119)的输出轴对接；大臂关节电机(119)固定于短臂(134)上；大臂(84)沿Z轴布置，其上部与第二传动轴(149)固连；小臂部分包括：第三传动轴(86)、小臂关节电机(126)和小臂(83)；第三传动轴(86)沿Y轴布置，且枢接于大臂(84)下部，第三传动轴(86)与小臂关节电机(126)的输出轴对接；小臂关节电机(126)固定于大臂(84)上；小臂(83)沿Z轴布置，其上部与第三传动轴(86)固连；腕部分包括腕关节电机(79)，腕关节电机(79)沿Z轴布置，且固定于小臂(83)内部；腕关节电机(79)的输出轴伸出小臂(83)用于固定爪部分，以带动爪部分旋转。2.根据权利要求1所述的一种基于双RRRR构型的水下多功能协作型双机械臂，其特征在于，腕部分还包括：轴承座(38)、传动盖(34)和箱体(16)；轴承座(38)固定于小臂(83)下端；腕关节电机(79)的输出轴下端穿过轴承座(38)内部的轴承，且与传动盖(34)固连；箱体(16)固定于传动盖(34)下表面,；爪部分包括：支架(6)、推杆(8)、第一销轴(3)、第二销轴(2)、第三销轴(4)、爪关节电机(17)、丝杆(33)、拨块(11)、导套(10)、爪部(1)以及连杆(5)；支架(6)沿Z轴固定于箱体(16)下表面，其径向开设有腰型槽，轴向开设有连通腰型槽的通孔；导套(10)设于支架(6)的通孔内，固定推杆(8)只能沿Z轴运动，推杆(8)设于导套(10)的通孔内，下端固连第一销轴(3)，以带动第一销轴(3)在腰型槽内上下移动；支架(6)下端固连第二销轴(2)，第二销轴(2)与第一销轴(3)平行；丝杆(33)平行于推杆(8)且固定于箱体(16)上，丝杆(33)一端与爪关节...

【专利技术属性】
技术研发人员：向先波，汤漾平，程尉，唐国元，张琴，徐国华，刘传，刘宇豪，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42