专利名称：单自由度对称式摆动驱动的大展缩比水下机器人回收装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水下机器人回收装置，具体为一种在复杂水文环境下具有良好的伸展性、导向性和对接可靠性的单自由度对称式摆动驱动的大展缩比水下机器人回收装置。
背景技术：
水下机器人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，水下机器人需要重复使用，这意味着它们在完成任务后必须能够被回收。因此，如何对水下机器人实现快速、安全、可靠地回收已成为水下机器人技术的一个研究重点。一般而言，水下机器人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，已成为中小型水下机器人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水下机器人对接，可避免水下机器人与母艇发生碰撞，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水下机器人或者母艇。附着母艇回收可使水下机器人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伸展性能，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，另一方面在对接回收之前还应该能够尽量增大搜索范围以降低对水下机器人定位能力的要求，以便在机器人与母艇之间的位姿发生一定偏差时仍然能够找到并最终锁定机器人。但是，这方面的研究并不充分。针对上述问题，本发明设计了一种新颖的、单自由度对称式摆动驱动的、具有大展缩比的水下机器人回收装置。该装置可以在复杂水文环境下实现水下机器人的快速、安全、 可靠地回收功能，具有结构简单、控制方便、导向性良好、对接可靠性高、耗能低等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种单自由度对称式摆动驱动的大展缩比水下机器人回收装置，是一种具有良好的伸展性、导向性和对接可靠性的大展缩比水下机器人回收装置。 通过对称式摆动臂的驱动，该装置能够在轴向和径向上同时进行大比例的伸展或收缩。在伸展时，回收装置形成一个圆柱形包围区域，能够在较大范围内搜索水下机器人；在收缩时，回收装置可在径向和轴向上同时缩小以捕获水下机器人并且对其位置和姿态进行调整；在完全合拢时，水下机器人的轴线与回收管的轴线基本调整为重合状态，从而提供了良好的导向性与对接可靠性。
本发明的回收装置主要由回收管、摆动臂、直线型伸展机构、圆环型伸展机构和空间多分支铰链等组成。具体如下
回收管1，与母艇相连，用于容纳水下机器人8。当回收水下机器人8时，回收管1 从母艇伸出，回收装置开始工作，水下机器人8通过回收管1入坞。当回收完成后，回收管 1收进母艇。
摆动臂3，沿回收管1的圆周方向均布，用于驱动回收装置实现轴向和径向的伸缩运动。摆动臂3的一端通过回收管铰链2与回收管1铰接，可相对于回收管1往复摆动。摆动臂3的另一端通过空间四分支铰链4分别与内侧圆环型伸展机构5和直线型伸展机构6 铰接。在附图中，摆动臂3的数量为4，也可根据实际情况增加摆动臂3的数量。在工作时， 对称布置的摆动臂在单一动力源的驱动下联动，通过摆动驱使回收装置在轴向和径向上伸缩。
圆环型伸展机构5，用于实现径向伸缩运动，由若干数量的三角形杆件501与三角形杆件铰链502铰接而成。其中，每根三角形杆件501上有3个三角形杆件铰链502，分别与另外3根三角形杆件501铰接；相邻铰链连线之间具有一定的夹角，三个铰链连线构成一个三角形；每个三角形杆件501偏置一定的角度，以使其通过铰链502与其它三角形杆件501组成封闭的圆环型伸展机构5 ；在外力作用下，这些三角形杆件之间可以产生相对转动。在本回收装置中，有两组圆环形伸展机构5。其中，内侧圆环型伸展机构5的内端(圆环型伸展机构内径方向是内端)通过空间四分支铰链4分别与摆动臂3和直线型伸展机构 6铰接，内侧圆环型伸展机构5的外端(圆环型伸展机构外径方向是外端)通过空间三分支铰链7与直线型伸展机构6铰接。外侧圆环型伸展机构5与直线型伸展机构6通过两个空间三分支铰链7铰接。其中靠近回收管一侧的圆环型伸展机构为内侧圆环型伸展机构，另一侧为外侧圆环型伸展机构。
直线型伸展机构6，用于实现轴向伸缩运动，由若干数量的直杆件601与直杆件铰链602铰接而成。其中，每根直杆件601上有3个直杆件铰链602，分别与另外3根直杆件 601铰接。在外力作用下，这些直杆件之间可以产生相对转动。每一根直线型伸展机构6的一端(即近端)通过空间四分支铰链分别与摆动臂3和内侧圆环型机构的内端(圆环型伸展机构内径方向是内端)铰接，通过空间三分支铰链7与内侧圆环型机构的外端(圆环型伸展机构外径方向是外端)铰接。直线型伸展机构6的一端(即近端)通过空间四分支铰链4和空间三分支铰链7分别与摆动臂3和内侧圆环型伸展机构5铰接，另一端(即 远端)通过两个空间三分支铰链7与外侧圆环型伸展机构5铰接。其中，直线型伸展机构 6靠近回收管1的一端为近端，另一端为远端。在附图中，直线型伸展机构6的数量为4，也可根据实际情况增加直线型伸展机构6的数量。
空间四分支铰链4，具有三个子铰链，即第一子铰链401、第二子铰链402和第三子铰链403，用于分别连接内侧圆环型伸展机构5、直线型伸展机构6和摆动臂3。其中，第一子铰链401与子第二铰链402位于相同平面上，二者轴线垂直；第二子铰链402与第三子铰链403位于不同的平面上，二者轴线平行。具体连接方式为第一子铰链401与内侧圆环型伸展机构5的内端(圆环型伸展机构内径方向是内端)的三角形杆件铰链502连接，第二子铰链402与直线型伸展机构6近端的一个直杆件601连接，第三子铰链403与摆动臂3 连接。空间三分支铰链7，具有两个子铰链，既第四子铰链701和第五子铰链702，二者位于相同平面上且轴线垂直，用于分别连接内侧圆环型伸展机构5与直线型伸展机构6的近端。其中，第四子铰链701与内侧圆环型伸展机构5的外端(圆环型伸展机构外径方向是外端)的三角形杆件铰链502连接，第五子铰链702与直线型伸展机构6近端的直杆件601 连接。此外，空间三分支铰链7还用于连接外侧圆环型伸展机构5与直线型伸展机构6的远端，此时需要两个空间三分支铰链7。其中，一个空间三分支铰链7的第四子铰链701与外侧圆环型伸展机构5的外端的三角形杆件铰链502连接，第五子铰链702与直线型伸展机构6远端的一个直杆件601连接；另一个空间三分支铰链7的第四子铰链701与外侧圆环型伸展机构5的内端的三角形杆件铰链502连接，第五子铰链702与直线型伸展机构6 远端的另一个直杆件601连接。本发明的优点在于1.本发明的直线型伸展机构与圆环型伸展机构，可在轴向与径向上实现大幅度的伸缩，具有很大的展缩比。在收缩状态下，可充分节省所占的母艇空间；在展开状态下，可实现大范围的搜索。2.本发明的回收装置能够在轴向和径向上同时伸展，形成一个圆柱形包围区域， 可以在较大范围内搜索水下机器人。当回收装置逐渐合拢时，可在轴向和径向上同时收缩以捕捉水下机器人并且对其位置和姿态进行调整；当完全合拢时，水下机器人的轴线与回收管轴线基本调整为重合状态，因而具有良好的导向性与对接可靠性。3.本发明的摆动臂、内侧圆环型伸展机构、直线型伸展机构和外侧圆环型伸展机构通过空间多分支铰链组成一个完整的空间机构，可以实现联动。整个回收装置只需一个自由度即可同时实现轴向与径向上的大比例伸缩，结构简单、控制方便、耗能低、易于实现。
图1是本发明的回收装置完全折叠时的示意图。图2是本发明的回收装置完全展开时的示意图。图3是本发明的回收装置合拢时的示意图。图4是本发明的回收装置完全合拢时的示意图。图5是本发明的回收装置的直线型伸展机构示意图。图6是本发明的回收装置的圆环型伸展机构示意图。图7是本发明的回收装置的空间四分支铰链示意图。图8是本发明的回收装置的空间三分支铰链示意图。图9是本发明的回收装置的空间四分支铰链的连接示意图。图10是本发明的回收装置的空间三分支铰链的连接示意图。图11是本发明的回收装置的直杆件的尺寸图。图12是本发明的回收装置的三角形杆件的尺寸图。其中，1为回收管，2为回收管铰链，3为摆动臂，4为空间四分支铰链，401为第一子铰链，402为第二子铰链，403为第三子铰链，5为圆环型伸展机构，501为三角形杆件，502为三角形杆件铰链，6为直线型伸展机构，601为直杆件，602为直杆件铰链，7为空间三分支铰链，701第四子铰链，702为第五子铰链，8为水下机器人。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案做进一步的说明。
参见图1至图4所示，回收管1与母艇相连，摆动臂3的一端通过回收管铰链2与回收管1铰接，另一端通过空间四分支铰链4分别与内侧圆环型伸展机构5和直线型伸展机构6铰接。直线型伸展机构6的一端(即近端)通过空间四分支铰链4和空间三分支铰链7分别与摆动臂3和内侧圆环型伸展机构5铰接，另一端(即远端)通过两个空间三分支铰链7与外侧圆环型伸展机构5铰接。其中，直线型伸展机构6靠近回收管1的一端为近端，另一端为远端。
参见图5所示，直线型伸展机构6由若干数量的直杆件601与直杆件铰链602铰接而成。其中，每根直杆件601上有3个直杆件铰链602，分别与另外3根直杆件601铰接。 在外力作用下，这些直杆件之间可以产生相对转动。每一根直线型伸展机构6的一端(即 近端)通过空间四分支铰链分别与摆动臂3和内侧圆环型机构的内端(圆环型伸展机构内径方向是内端)铰接，通过空间三分支铰链7与内侧圆环型机构的外端(圆环型伸展机构外径方向是外端)铰接。另一端(即远端)通过两个空间三分支铰链7与外侧圆环型伸展机构5铰接。直线型伸展机构6的数量可以根据实际情况进行更改。在本例中，直线型伸展机构6由M根直杆件601组成，具体尺寸参见图11所示。在完全收缩时，该机构的最小长度为0. 944米；在完全展开时，该机构的最大长度为1. 788米；伸缩比为1. 89。
参见图6所示，圆环型伸展机构5由若干数量的三角形杆件501与三角形杆件铰链502铰接而成。其中，每根三角形杆件501上有3个三角形杆件铰链502，分别与另外3根三角形杆件501铰接；相邻铰链连线之间具有一定的夹角，三个铰链连线构成一个三角形； 每个三角形杆件501偏置一定的角度，以使其通过铰链502与其它三角形杆件501组成封闭的圆环型伸展机构；在外力作用下，这些三角形杆件之间可以产生相对转动。在本回收装置中，有两组圆环形伸展机构5。其中，内侧圆环型伸展机构5的内端(圆环型伸展机构内径方向是内端)通过空间四分支铰链4分别与摆动臂3和直线型伸展机构6铰接，内侧圆环型伸展机构5的外端(圆环型伸展机构外径方向是外端)通过空间三分支铰链7与直线型伸展机构6铰接。外侧圆环型伸展机构5通过两个空间三分支铰链7与直线型伸展机构6 铰接。在本例中，圆环型伸展机构5由120根三角形杆件501组成，每根三角形杆件501上有3个铰链502，具体尺寸参见图12所示。在完全收缩时，该机构的最小内径为0. 315米； 在完全展开时，该机构的最大内径为2. 417米，展缩比为7. 67。
参见图7和图9所示，空间四分支铰链4具有三个子铰链401、402和403，用于分别连接内侧圆环型伸展机构5、直线型伸展机构6和摆动臂3。其中，子铰链401与子铰链 402位于相同平面上，二者轴线垂直；子铰链402与子铰链403位于不同的平面上，二者轴线平行。具体连接方式为子铰链401与内侧圆环型伸展机构5的内端铰链502连接，子铰链402与直线型伸展机构6近端的一个直杆件601连接，子铰链403与摆动臂3连接。
参见图8和图10所示，空间三分支铰链7具有两个子铰链701和702，位于相同平面上且二者轴线垂直，用于分别连接内侧圆环型伸展机构5与直线型伸展机构6的近端。其中，子铰链701与内侧圆环型伸展机构5的外端铰链502连接，子铰链702与直线型伸展机构6近端的另一个直杆件601连接。此外，空间三分支铰链7还用于连接外侧圆环型伸展机构5与直线型伸展机构6的远端，此时需要两个空间三分支铰链7。其中，一个空间三分支铰链7的子铰链701与外侧圆环型伸展机构5的外端子铰链502连接，子铰链702与直线型伸展机构6远端的一个直杆件601连接；另一个空间三分支铰链7的子铰链701与外侧圆环型伸展机构5的内端子铰链502连接，子铰链702与直线型伸展机构6远端的另一个直杆件601连接。本发明的单自由度对称式摆动驱动的大展缩比水下机器人回收装置的操作过程如下在回收工作启动之前，摆动臂3贴合在回收管1的外壁上。此时，回收装置在轴向和径向上处于最小收缩状态，折叠包围在回收管1的外壁上，所占据的空间很小。当准备回收水下机器人时，回收管1从母艇中伸出；摆动臂3在电机等驱动装置的带动下向外摆动，通过空间四分支铰链4推动内侧圆环型伸展机构5沿径向伸展；在径向伸展的过程中，空间四分支铰链4的子铰链402与空间三分支铰链7的子铰链702之间的距离逐渐减小，从而驱使连接在子铰链402与子铰链702上的直线型伸展机构6沿轴向伸展； 在轴向伸展的过程中，安装在直线型伸展机构6远端的内外两个空间三分支铰链7的子铰链701之间的距离逐渐减小，从而驱使连接在它们上面的外侧圆环型伸展机构5也沿径向伸展。当摆动臂3摆动到与回收管轴线成90°时，回收装置展开至最大状态。此时，由摆动臂3、内侧圆环型伸展机构5、直线型伸展机构6和外侧圆环型伸展机构5形成了一个圆柱形搜索区域。当水下机器人8进入此区域后，回收工作开始。摆动臂3继续向外摆动，通过空间四分支铰链4带动内侧圆环型伸展机构5沿径向收缩；在径向收缩的过程中，空间四分支铰链4的子铰链402与空间三分支铰链7的子铰链702之间的距离逐渐增大，从而带动连接在子铰链402与子铰链702上的直线型伸展机构6沿轴向收缩；在轴向收缩的过程中，安装在直线型伸展机构6末端的内外两个空间三分支铰链7的子铰链701之间的距离逐渐增大， 从而驱使连接在它们上面的外侧圆环型伸展机构5沿径向收缩。此时，由摆动臂3、内侧圆环型伸展机构5、直线型伸展机构6和外侧圆环型伸展机构5形成的圆柱形搜索区域逐渐缩小，驱使水下机器人的轴线逐渐与回收管的轴线趋于重合。当摆动臂3摆动到与回收管轴线成180°时，回收装置完全合拢。此时，水下机器人的轴线与回收管的轴线基本调整为重合状态。接下来，水下机器人通过回收管自行入坞；或者，从回收管中伸出捕捉钩抓住水下机器人并将其拖入回收管中。当回收工作完成后，摆动臂3反方向摆动至贴合在回收管1的外壁上。此时，回收装置在轴向和径向上处于最小收缩状态，折叠包围在回收管1的外壁上。最后，回收管收回母艇。
权利要求
1.一种单自由度对称式摆动驱动的大展缩比水下机器人回收装置，其特征在于该回收装置包括回收管(1)、摆动臂(3)、直线型伸展机构(6)、圆环型伸展机构(5)和空间多分支铰链，所述的空间多分支铰链包括空间四分支铰链(4)和空间三分支铰链(7)；具体如下回收管(1)，与母艇相连，用于容纳水下机器人；摆动臂(3)，沿回收管(1)的圆周方向均布，摆动臂(3)的一端通过回收管铰链(2)与回收管(1)铰接，可相对于回收管(1)往复摆动；摆动臂(3)的另一端通过空间四分支铰链 ⑷分别与内侧圆环型伸展机构(5)和直线型伸展机构(6)铰接；圆环型伸展机构(5)，由三角形杆件(501)与三角形杆件铰链(502)铰接而成；其中， 每根三角形杆件(501)上有3个三角形杆件铰链(502)，分别与另外3根三角形杆件(501) 铰接；每个三角形杆件(501)偏置一定的角度，以使其通过铰链(50 与其它三角形杆件 (501)组成封闭的圆环型伸展机构(5)；在本回收装置中，有两组圆环形伸展机构(5)；其中，内侧圆环型伸展机构(5)的内端通过空间四分支铰链⑷分别与摆动臂(3)和直线型伸展机构(6)铰接，内侧圆环型伸展机构(5)的外端通过空间三分支铰链(7)与直线型伸展机构(6)铰接；外侧圆环型伸展机构(5)与直线型伸展机构(6)通过两个空间三分支铰链(7)铰接；直线型伸展机构(6)，由直杆件(601)与直杆件铰链(602)铰接而成，其中，每根直杆件(601)上有3个直杆件铰链(602)，分别与另外3根直杆件(601)铰接；每一根直线型伸展机构(6)的一端通过空间四分支铰链分别与摆动臂(3)和内侧圆环型机构的内端铰接， 通过空间三分支铰链(7)与内侧圆环型机构的外端铰接；直线型伸展机构(6)的一端通过空间四分支铰链⑷和空间三分支铰链⑵分别与摆动臂(3)和内侧圆环型伸展机构(5) 铰接，另一端通过两个空间三分支铰链⑵与外侧圆环型伸展机构(5)铰接。
2.根据权利要求1所述的单自由度对称式摆动驱动的大展缩比水下机器人回收装置， 其特征在于该空间四分支铰链G)，具有三个子铰链，即第一子铰链G01)、第二子铰链 (402)和第三子铰链003)，其中，第一子铰链(401)与子第二铰链(40 位于相同平面上， 二者轴线垂直；第二子铰链G02)与第三子铰链(40 位于不同的平面上，二者轴线平行。
3.根据权利要求1所述的单自由度对称式摆动驱动的大展缩比水下机器人回收装置， 其特征在于该空间三分支铰链(7)，具有两个子铰链，既第四子铰链(701)和第五子铰链 (702)，二者位于相同平面上且轴线垂直。
全文摘要
本发明提供了一种单自由度对称式摆动驱动的大展缩比水下机器人回收装置。该装置主要由回收管、摆动臂、直线型伸展机构、圆环型伸展机构和空间多分支铰链等组成。通过对称式摆动臂的驱动，该装置能够在轴向和径向上同时进行大比例的伸展或收缩。在伸展时，回收装置形成一个圆柱形包围区域，能够在较大范围内搜索水下机器人；在收缩时，回收装置可在径向和轴向上同时缩小以捕获水下机器人并且对其位置和姿态进行调整；在完全合拢时，水下机器人的轴线与回收管的轴线基本调整为重合状态，从而实现水下机器人的快速、安全、可靠地回收。整个回收装置仅需一个自由度即可同时实现轴向与径向上的大比例联动伸缩，结构简单、控制方便、耗能低、易于实现。
文档编号B63C7/16GK102490878SQ20111038204
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月25日 优先权日2011年11月25日
发明者胡强, 边宇枢, 高志慧 申请人:北京航空航天大学