CN114734455A - 一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂，主要包括旋转腰关节机构、肘关节机构、肩关节机构、手爪开合关节机构以及各个关节的传动机构，还包括各个关节之间的连杆机构，以及能够保持末端姿态的平行辅助连杆机构。各个关节内部均采用伺服电机组合行星减速器作为驱动装置，为关节提供足够大的扭矩以及准确的关节位置精度。相较于结构复杂、成本昂贵的传统水下机械臂，本发明公开的水下机械臂，其优点在于结构轻便简单，兼具较低的成本和很好的运动控制精度，与此同时良好的后驱性使其易于进行关节的统一密封和后期维护。本发明所述的机械臂可用于海参、海胆、扇贝等养殖海产品的自动化捕捞作业，有助于提升海产品养殖行业经济效益。

Description

一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂

技术领域

本发明实施例涉及水下机器人操作技术领域，具体涉及一种面向海产品捕捞作业的机械臂。

背景技术

随着人类对海洋探索与研究的不断深入，在海洋资源勘探、深海科学研究、水下捕捞等领域，采用水下机器人替代人类完成这些工作已成为机器人技术应用的前沿趋势。典型的水下机器人是由水下机器人-机械臂构成，其中机械臂作为水下机器人***中非常重要的一个组成环节，是执行水下作业、捕捞等任务的关键执行机构。

现有的商业化水下机械臂负载能力大，结构也较复杂，进而导致成本高昂，主要用于一些特殊的水下作业，从经济性角度不适用贝类、海参、海胆这类单只重量较小的海产品的捕捞作业。对于贝类、海参、海胆等海产品，目前主要还是采用人工潜水捕捞的方式。这种传统人工采捕作业方式，存在劳动强度大、潜水作业危险性高、以及潜水病对从业人员健康危害严重等问题。由于没有经济适用的水下捕捞机械臂，严重制约着水下机器人在海产品捕捞行业的应用。因此如何设计一种结构轻便、控制精度高、稳定可靠的多自由度水下机械臂，已成为海产品捕捞机器人领域亟待解决的技术问题。本发明提出了一种可用于海产品捕捞作业的四自由度机械臂，对于推动水下捕捞机器人的发展和应用有着重要的经济效益和社会价值。

发明内容

本发明的目的是克服现有水下机械臂中防水性能较差、可靠性低、结构复杂、工作空间较小、成本高昂的不足，设计了一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂，可用于近浅海养殖海产品的自动化捕捞作业，并且具有轻量化，结构紧凑，高可靠性，低成本以及操作性能优良的特点，为水下养殖产品自动化捕捞作业提供稳定可靠的执行机构方案。

为了实现上述目的，本发明实例提供如下技术方案：

一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂包含了旋转腰关节机构、肩关节及大臂机构、肘关节机构、末端平行机构以及手爪开合机构。其中所有驱动关节均采用驱动电机后置的形式，通过所述的两套平行机构将关节运动以及扭矩输出到末端关节。通过拉线机构实现手爪的开合，本发明的布置方式大大降低了机械臂整体防水难度，且易于关节的统一维修保养，使得水下机械臂的结构形式变得更加紧凑，控制方法更加简易，操作空间大，对于海产品养殖自动化捕捞市场具有良好的经济效益。

所述的四自由度水下机械臂主要包括旋转腰关节机构、肩关节机构、肘关节机构、手爪开合关节机构，各个关节的传动机构，以及能够保持末端姿态的平行连杆机构。所述的腰关节可实现基座与肩、肘关节的回转运动，并为整个水下机械臂提供支撑。肘关节及肩关节固定在上述腰关节上端，并且随腰关节转动，所述大臂机构下端传动连接所述肩关节机构，所述大臂机构末端通过肘关节铰链连接所述小臂机构。所述平行连杆机构中的平行杆与大臂机构及小臂机构组成两个平行四边形机构，使末端关节始终保持竖直向下的状态。手爪开合机构固连在末端关节上，是机械臂的执行机构。

所述的腰关节由腰关节旋转支撑机构、腰关节驱动机构以及在两者之间传递动力及运动的同步传动机构组成。所述旋转关节内部安装有能精确定位的关节编码器以及提供较大扭矩的伺服电机，所述关节外部安装有可精确传动的同步带运动副机构。所述腰关节旋转支撑部分由一对圆锥滚子轴承为整个机械臂提供必要的支撑及润滑。

进一步地旋转腰关节内部装载的伺服电机为腰关节整体机构提供动力及精确的运动位置，通过行星减速器减速并放大扭矩之后，再经同步带主动轮将动力及运动传递给同步带从动轮，同步带从动轮将动力及运动传递给腰关节旋转支撑机构，从而完成了整个腰关节运动及动力的传输。

所述腰关节固连在腰关节的输出平台上，所述腰关节不仅可以起腰关节动力及运动传输的作用，还起到整体机械臂的支撑作用。进一步地肩关节由旋转关节及其他的连接件组成。所述肩关节的不仅将动力及运动传输给大臂机构，同时还起到支撑大臂的作用。所述肩关节的动力及运动传输采用直驱的形式，即伺服电机产生动力及精确的运动，动力和运动通过减速器直接传输给大臂机构。

所述旋转肘关节与所述肩关节平行并且固连在腰关节的末端输出平台上。进一步地肘关节的运动及动力传输相对于腰、肩关节则更为复杂。所述肘关节由旋转肘关节、同步带传输机构、与肩关节同轴的小臂摇臂、小臂拉杆、小臂拉杆关节以及小臂构成。所述小臂肘关节通过铰链与大臂的末端相连，所述小臂的一端和小臂拉杆通过铰链相连，另一端通过铰链与末端关节相连接。所述小臂拉杆与所述小臂摇臂相铰接。所述小臂摇臂可与旋转肩关节同轴转动，并通过同步带运动副与所述肘关节相连。

进一步地末端关节安装在机械臂末端，起到连接小臂机构及手爪的作用。所述末端关节通过两组平行四边形机构与小臂平行辅助连杆安装基座相连，从而使所述末端关节始终保持竖直状态，达到保持手爪末端姿态的目的。

进一步地手爪开合自由度是由开合手爪、拉线管机构、卷线机构及爪开合关节组成。所述的手爪开合关节安装在机械臂末端，通过拉线机构将电机扭矩输出传递到手爪末端控制其开合运动。所述开合手爪末端与末端关节固连，所述拉线管机构与开合手爪末端相连，所述卷线机构与拉线管机构通过拉线相连，所述卷线机构通过拉线与拉线管机构相连，所述卷线机构安装在手爪开合关节的输出端。所述开合手爪末端包括开合底座、三根手指及自恢复弹簧。所述三根手指可绕基座开合，所述自恢复弹簧可实现三根手指的自动张开。所述拉线机构由内部拉线及外皮组成，可实现拉线与外皮的收缩及舒张运动。所述手爪开合关节带动卷线机构，控制其拉线的收缩及舒张。所述拉线收缩，可带动手爪手指的合拢，拉线舒张，在自恢复弹簧的作用下可带动手爪的张开。

本发明实施例具有如下优点：

1.一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂其所述的腰关节，肩关节，肘关节以及手爪手指的开合驱动关节均采用伺服控制方式，基于电机编码器反馈实现机械臂末端精确的位置控制，适用于水产品的精确捕捞作业。

2.一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂采用旋转驱动关节后置的方式，将所述的腰关节，肩关节，肘关节以及手爪手指的开合驱动关节均安置在机械臂末端，大大降低了防水性能的设计难度，易于后期关节统一维护。故本发明所公开的水下机械臂相较于传统的水下机械臂具有结构紧凑、关节模块化、轻量化的设计特点而且防水性能良好。与此同时工作空间较大，易于操作，适用于代替人力成本的养殖海产品捕捞作业。

3.本发明所述的水下捕捞机械臂采用两套平行四边形辅助杆件，使得末端关节在运动过程中始终与基座保持固定角度，简化了水下捕捞机械臂的控制算法，增强捕捞过程的稳定性、操作性，使得整个捕捞操作过程更加可靠直观，为自动化捕捞作业提供可靠平台基础。

4.本发明所述的水下捕捞机械臂均采用防腐耐压材料，为机械臂水下捕捞任务提供稳定可靠的结构基础，且相较于传统水下机械臂，本发明机械臂兼具较低的设计成本和较高的可靠性需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的一种基于旋转关节的水下机械臂示意图；

图2为本发明实施例提供的腰关节机构安装示意图；

图3为本发明实施例提供的肩关节机构及大臂机构安装示意图；

图4为本发明实施例提供的肘关节机构、大臂机构及小臂机构安装结构示意图；

图5为本发明实施例提供的末端平行机构安装结构示意图；

图6为本发明实施例提供的手爪开合机构结构示意图；

图中：

2腰关节机构总成；201旋转水下腰关节；202腰关节底座；203腰关节旋转关节固定外筒；204腰关节主动同步带轮；205腰关节同步带张紧轮；206腰关节同步带；207腰关节被动同步带轮；208腰关节旋转支撑；3肩关节及大臂；301大臂机构；302肩关节输出装置；303旋转肩关节；304肩关节支架；305旋转底座；4肘关节及小臂；401肘关节同步带；402肘关节同步带主动轮；403旋转肘关节；404肘关节同步带张紧轮；405肘关节铰链；406小臂机构；407小臂平行辅助连杆；408小臂摇臂；409肘关节同步带从动轮；5末端平行连杆机构；501连接铰架；502大臂平行辅助连杆；503平行杆固定座；504小臂辅助平行连杆；505末端关节；6手爪开合机构；601拉线及柔性套筒；602拉线支架；603卷线机构；604水下手爪开合关节；605拉线接头；606手爪基座；607手爪手指；608自恢复弹簧

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

此外，属于“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品、或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造的上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

为了解决现有技术中存在的相关的技术问题，本申请实施例提供了一种面向海产品捕捞作业的四自由度水下捕捞机械臂，旨在克服现有水下机械臂关节防水性能差、可靠性低、寿命短的不足，可以实现在高水压环境下的水下机械臂既定目标抓取，并且整体设计轻量化易于维护具有较高的可靠性及操作性。

具体地，如图1至6，基于旋转关节的四自由度水下机械臂包含了固定安装基座1，腰关节机构2，肩关节及大臂机构3，肘关节机构4，末端平行机构5以及手爪开合机构6。

进一步地所述的腰关节2为整个水下机械臂提供旋转支撑。肘关节4及肩关节3固定在腰关节2输出端，并且随腰关节2转动。所述大臂机构301下端传动连接所述肩关节机构3，所述大臂机构301末端通过肘关节铰链405连接所述小臂机构406。所述平行连杆机构5中的大臂、小臂平行辅助杆502、504与大臂机构301及小臂机构406组成两个平行四边形机构，使末端关节505始终保持竖直向下的状态。手爪开合机构6固连在末端关节505上，是机械臂的执行机构。

所述的腰关节机构1由腰关节旋转支撑机构208、基于旋转的腰关节驱动机构201以及在两者之间传递动力及运动的同步传动机构组成。所述旋转关节内部安装有能精确定位并提供较大扭矩的伺服电机及编码器，所述关节外部安装有可精确传动的同步带运动副机构。所述腰关节旋转支撑208部分由一对圆锥滚子轴承为整个机械臂提供必要的支撑及润滑。腰关节旋转关节的输出端将动力及运动传递给固连在腰关节旋转关节的同步带主动轮204上，同步带主动轮将动力及运动传递给同步带从动轮206，同步带从动轮206将动力及运动传递给腰关节旋转支撑机构208，从而完成了整个腰关节运动及动力的传输。

进一步地肩关节3是由一个旋转水下关节及其他的连接件组成。所述肩关节3固连在腰关节2的输出平台305上，所述肩关节3不仅可以起到大臂机构301动力及运动传输的作用，还起到大臂支撑的作用。所述肩关节3的输出端通过肩关节输出装置302直接将动力及运动传输到大臂机构301。

进一步地肘关节4的运动及动力传输相对于腰关节2及肩关节3更为复杂。所述旋转肘关节403与所述旋转肩关节303平行并且固连在旋转腰关节2的末端输出平台305上。所述肘关节4由旋转肘关节403、同步带传输机构以及与肩关节同轴的小臂摇臂408、小臂拉杆407、小臂机构406及小臂铰链405构成。所述小臂机构406通过肘关节铰链405与大臂机构301的末端相连，所述小臂机构406的一端与小臂拉杆407通过铰链相连，另一端通过铰链与末端关节505相连接。所述小臂拉杆407与所述小臂摇臂408相连。所述小臂摇臂408可与旋转肩关节同轴转动，并通过同步带运动副与所述肩关节的外磁体相连。进一步地所述肘关节输出端将动力和运动通过同步带传输给与肩关节同轴的肘关节同步带从动轮409，从动轮409带动小臂摇臂408以及小臂拉杆407将运动及动力传递给小臂机构406，从而实现小臂机构的动力传输及运动。

进一步地末端关节为安装在机械臂末端的关节505，起到连接小臂机构406及手爪6的作用。所述末端关节通过两组平行四边形机构大臂平行辅助连杆502及小臂辅助平行连杆504与旋转底座305相连，使所述末端关节始终保持竖直状态，从而达到保持末端姿态的目的。

进一步地末端平行连杆机构由连接铰架501，大臂平行辅助连杆502，小臂辅助平行连杆504以及末端关节505组成。其中连接铰架501有三个铰接安装孔分别与小臂拉杆关节，大臂平行辅助连杆502以及小臂辅助平行连杆504铰接。其中大臂平行辅助连杆502另一端与平行杆固定座503铰接，小臂辅助平行连杆504另一端与末端关节505铰接。机械臂运动过程中大臂平行辅助连杆502与大臂机构301为一平行四边形两对边，小臂辅助平行连杆504与小臂机构406为另一平行四边形两对边。进一步地两组平行四边形机构保证末端关节505在运动过程中始终与腰关节基准面垂直。

进一步地手爪开合机构6是由开合手爪手指607、手爪基座606、拉线管机构601、卷线机构603及手爪开合关节604组成。所述开合手爪基座606与末端关节505固连，所述拉线管机构601与开合手爪手指607相连，所述卷线机构603与拉线机构601通过拉线相连，所述卷线机构603安装在手爪开合关节604的输出端。所述开合手爪末端包括开合底座606、手指607及自恢复弹簧608组成。所述三根手指可绕基座606开合，所述自恢复弹簧608可实现三根手指的自动张开。所述拉线机构601由内部拉线及外皮组成，可实现拉线与外皮的收缩及舒张运动。所述手爪开合关节604带动卷线机构603，控制其拉线机构601的收缩及舒张。所述拉线收缩，可带动手爪手指607的合拢，拉线舒张由于自恢复弹簧608，可带动手爪607的张开。

综上所述的旋转腰关节机构2、肩关节机构3、肘关节机构4、手爪开合关节机构6以及平行连杆机构5共同构成了基于旋转关节的四自由度水下机械臂，可以安全可靠的在水环境中到达工作空间内任意一点，且可以保证末端手爪的垂直姿态。同时安装于末端的机械手爪可以灵活地抓取水下目标。且克服现有水下机械臂中防水性能较差、可靠性低、寿命短的不足，可以实现在高水压环境下的水下目标抓取。与此同时具有较高的可靠性及较长的使用寿命。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (11)

1.一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂，其特征在于包括旋转腰关节机构(1)、肩关节机构(2)、肘关节机构(3)、手爪开合机构(5)以及能够保持末端姿态的平行辅助连杆机构(4)。所述的腰关节机构安装在底板(202)上端。所述肘关节(3)及肩关节(2)固定在腰关节(1)上端，并且随腰关节转动，所述大臂机构下端传动连接所述肩关节机构，所述大臂机构(301)末端通过肘关节铰链连接所述小臂机构(406)。所述平行辅助连杆机构(4)中的大臂、小臂平行辅助杆(502)、(504)连接铰架(501)及大臂机构(301)、小臂机构(406)组成两个平行四边形机构，使末端关节始终保持竖直向下的状态。开合手爪(5)固连在末端关节(505)上，是机械臂完成既定捕捞任务的执行机构。

2.如权利要求1所述的旋转腰关节机构(1)由腰关节旋转支撑机构(202)、腰关节驱动机构(201)以及在两者之间传递动力及运动的同步传动机构(204)(205)(206)(207)组成。所述旋转关节内部安装有能精确定位的关节角度编码器以及提供10Nm输出扭矩的伺服电机。所述关节外部安装有可精确传动的腰关节同步带运动副机构。所述腰关节旋转支撑部分由一对圆锥滚子轴承为整个机械臂提供必要的旋转支撑。

3.如权利要求1所述的旋转肩关节(2)由一个水下关节及其连接件(302)组成。所述旋转肩关节将动力和运动直接输出到大臂机构(301)，从而实现大臂的动力传输及运动。所述肩关节固连在腰关节的输出平台上，所述肩关节不仅可以起到大臂机构动力及运动传输的作用，还起到大臂支撑的作用。

4.如权利要求1所述的旋转肘关节(3)与所述旋转肩关节(2)平行并且固连在腰关节末端的输出平台(305)上。所述肘关节内部同样配备有伺服电机以及精确定位的关节角度编码器。所述旋转肘关节(3)将动力和运动通过肘关节同步带(401)传输给与肩关节同轴的肘关节同步带从动轮(409)，从动轮带动小臂摇臂(408)以及小臂拉杆(407)，进而将运动及动力传递给小臂机构(406)，从而实现小臂的动力传输及运动。

5.如权利要求1所述的保持末端姿态的平行辅助连杆机构(5)，由两根平行四边形辅助连杆(502)(504)以及连接铰架(501)组成，大臂辅助连杆(502)在机械臂运动过程中始终与大臂连杆(301)保持平行。运动过程中小臂辅助平行连杆(504)与小臂(406)始终平行。连接铰架(501)安装有三个铰接孔分别与小臂拉杆(407)关节、大臂平行辅助连杆(502)以及小臂平行辅助连杆(504)铰接相连。

6.如权利要求1所述的末端关节(505)安装在机械臂小臂机构(406)与小臂辅助连杆(504)末端，起到连接小臂及手爪的作用。其中小臂平行辅助连杆(504)，连接铰架(501)，末端关节(505)与小臂机构(406)共同组成平行四边形机构。如权利要求5所述末端关节(505)通过两组平行四边形机构与腰关节末端(503)相连，由于机械臂自身的结构形态特征，使所述末端关节始终保持竖直状态。

7.如权利要求1所述的手爪开合机构(5)是由开合手指(607)、手爪基座(606)、拉线管机构(601)、卷线机构(603)及手爪开合关节(604)组成。所述开合手爪基座(606)与机械臂的末端关节(505)固连，所述拉线管机构(601)与开合手指(607)固连，所述卷线机构(603)与拉线机构(601)通过拉线相连，所述卷线机构(603)安装在手爪开合关节(604)的输出端。所述开合手爪末端包括手爪底座(606)、开合手指(607)及自恢复弹簧(608)。所述三根开合手指呈径向均布安装在手爪底座(606)上并且可绕基座开合，所述自恢复弹簧(608)可实现三根手指的自动回复张开。所述拉线机构(601)由内部拉线及外皮组成，可实现拉线与外皮的收缩及舒张运动。所述手爪开合关节(604)带动卷线机构(603)，控制其拉线的收缩及舒张。所述拉线收缩，可带动开合手指(607)的合拢，拉线舒张，在自恢复弹簧(608)的作用下可带动手爪的张开。

8.如权利要求1所述的一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂，其特征在于所述腰关节、肩关节、肘关节以及手爪开合关节均采用电机伺服控制方式，可保证机械臂的末端位置精度，适用于目标海产品的精准捕捞作业。

9.如权利要求1所述的一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂，其特征在于结构紧凑轻便，可覆盖500mm工作空间，成本经济。整体采用驱动关节电机后置的方式，为机械臂统一的关节密封提供良好的机械形态基础，且易于后期维护维修，为海产品自动化捕捞作业提供经济可靠的执行机构。

10.如权力要求6所述的一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂末端关节，其特征在于采用两套平行四边形机构，进一步保证机械臂在捕捞过程中末端姿态始终保持不变，保证运动捕捞过程中末端手抓抓持姿态始终与腰关节垂直。该机构形态可以有效降低海产品捕捞过程中运动学控制算法难度，实现基于视觉传感的养殖海产品捕捞自动化作业。

11.如权利要求1所述的一种面向海产品捕捞作业的四自由度机械臂，其特征在于机械臂材料的选择考虑到其密度、强度、刚度、塑性、耐腐蚀性、稳定性、表面疏水性、成本等各种因素。最终选取奥氏体不锈钢作为关节外壳，碳纤维杆件作为机械臂本体，橡胶作为手爪手指。机械臂耐压耐腐蚀材料的选取应用可保证机械臂在水下特殊作业环境的可靠性及稳定性。

Images