一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船

1.本发明涉及无人船设备领域，尤其涉及一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船。


背景技术：

2.自主补给船(以下称为支持母船)是一种具备对水下机器人进行对接、捕捉、充能补给、投放功能的无人船舶。研究结果包含设计一款支持母船的外形，外形设计科学具有一定的抵抗海浪的能力，同时具有较强的运载能力和满足长期作业的可靠性；通过机械臂和矩阵夹具保持机器人与补给船的相对静止，矩阵夹具无需定位即可适应不同水下机器人的外形，且贴合紧密；包含对水下机器人进行无线充电的底座及和接收装置，通过多爪无线充电且包含视觉识别和多种位置检测传感器的机械臂及其算法在水面上完成对水下机器人的自主补给，具备自主完成回收作业的功能；同时拥有“水下机器人-支持母船-底面控制基站”数据及通信系统，以及针对支持母船开发的中继控制算法和一套具有gps定位和多种周围环境感知能力的支持母船硬件核心，且其具备开发对水下机器人群的部分信息处理和反馈闭环控制的开发能力。目前的自主补给船均使用针对水下机器人定制的机械式设备进行打捞回收，以中国科学院沈阳自动化研究所的自治式潜水器下水回收系统最具代表性，但其主要使用吊机通过钢丝绳连接收放器捕捉水下机器人，过程中精确度很低、捕捞难度大，且钢丝绳可能会搅入水下机器人推进器螺旋桨中,为了解决上述问题，我们提出了一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船。


技术实现要素：

3.本发明提出的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，解决了现有的使用吊机通过钢丝绳连接收放器捕捉水下机器人，过程中精确度很低、捕捞难度大，且钢丝绳可能会搅入水下机器人推进器螺旋桨中的问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
5.一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，包括带矩阵夹具的双体补给船和多爪无线充电机械臂，所述双体补给船包含：左船体、右船体、左动力组、右动力组、连接桥板、前龙门、后龙门、第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头、控制器、蘑菇天线、矩阵夹具组。
6.优选的，所述左动力组与右动力组除电机转向不同外完全相同，每个动力组包含电机和螺旋桨组成，用于给船只提供动力，通过两个动力组直接的速度差实现转向。
7.优选的，摄像头用于在航行中进行视觉避障和确保充电时机械臂对接精准度，数据直接传输给控制器，所述控制器可控制多爪无线充电机械臂、矩阵夹具组、船体动力组。
8.优选的，所述矩阵夹具组包含两边对称的n个电磁锁夹具构成，排列为a行b列。
9.优选的，所述多爪无线充电机械臂包含底座、转动云台、大臂、小臂、多爪掌盘、c个无线充电爪指、第一伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、连接杆和电磁锁，所述底座与
转动云台同轴心配合，可通过第一伺服电机相对转动。
10.优选的，所述电磁锁夹包含弹簧、推杆、电磁铁组成，通电时推杆被向后拉动，断电后弹簧将推杆推出固定物体。
11.优选的，所述连接杆与小臂、与转动云台通过铰链连接，所述大臂与小臂、与转动云台通过铰链连接，具有两个自由度的转动，大臂与转动云台的相对转动通过第二伺服电机完成，小臂与大臂的相对转动通过连杆和第三伺服电机完成，由此可完成机械臂空间上的运动。
12.优选的，所述多爪掌盘通过顶部铰链与小臂连接，与六个中心对称的无线充电爪通过铰链连接，可通过在小臂顶端的安装绞盘连接c个无线充电爪同步控制收放，在c个无线充电爪完全打开时也可为常规圆盘型无线充电接收端充电，在c个无线充电爪完全收起时可与可收放式充电座充电。
13.优选的，所述无线充电爪指中含有d个小型线圈，用于与被充电端线圈电磁感应，所述可收放式充电座包含充电座筒体、电机柱、升降电机、齿轮、齿条、充电座、e个线圈，所述充电座分为c组，每组上含有e个线圈，与无线充电爪指的数量相同，e需满足大于等于d，所述充电座筒体与电机柱下端固定，电机柱上端与升降电机固定，所述升降电机与齿轮通过插销同轴配合固定，所述齿轮与齿条构成上下运动机构，齿条上端与充电座固定，使得电机旋转可控制充电座升降。
14.优选的，n取24，a取3，b取4,c取6，d取6。
15.一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船的控制方法，包含以下过程：
16.对接过程分为三个阶段：水下机器人的搜索、定位和对接；
17.搜索阶段，水下机器人首先通过自身的视觉系统来搜索大型无人水上补给船的位置，当机器人检测到补给船后，会发送信号通知补给船；
18.定位阶段，一旦机器人检测到补给船，会使用自身的定位系统来计算自己与补给船的距离和相对位置，同时，补给船也会对水下机器人进行定位，以便更好地控制机械臂的位置和姿态；
19.对接阶段，当水下机器人与补给船距离足够接近时，多爪无线充电机械臂会自动伸出，以便对水下机器人进行引导抓取操作，通过矩阵夹具在抓取完成后，机器人将稳定地固定在补给船中，再通过多爪无线充电完成补给任务。
20.本发明的有益效果为：
21.1、使用矩阵夹具可对不同外形的水下机器人进行固定，适用范围更广；
22.2、使用多爪无线充电机械臂可以减少对接固定和打捞的步骤直接对水下机器人进行充能，效率更高且实现难度更小；
23.3、可收放式充电座将无线充电从二维布局转变为三维布局，能够充分利用充电座的表面积，提高充能效率，增大水下机器人的有效载荷和空间。
24.综上所述，该装置有效的解决了现有的使用吊机通过钢丝绳连接收放器捕捉水下机器人，过程中精确度很低、捕捞难度大，且钢丝绳可能会搅入水下机器人推进器螺旋桨中的问题。
附图说明
25.图1为本发明的结构示意图。
26.图2为本发明的图1另一视角的结构示意图。
27.图3为本发明的图2另一视角的结构示意图。
28.图4为本发明的俯视图。
29.图5为本发明的多爪无线充电机械臂的结构示意图。
30.图6为本发明的图5另一视角的结构示意图。
31.图7为本发明的可收放式充电座结构示意图。
32.图8为本发明的通过矩阵夹具固定水下无人机的示意图。
33.图中标号：1、左船体；2、右船体；3、左动力组；4、右动力组；5、连接桥板；6、前龙门；7、后龙门；8、第一摄像头；9、第二摄像头；10、第三摄像头；11、控制器；12、蘑菇天线；13、矩阵夹具组；14、底座；15、转动云台；16、大臂；17、小臂；18、多爪掌盘；19、无线充电爪指；20、第一伺服电机；21、第二伺服电机；22、第三伺服电机；23、连接杆；24、充电座筒体；25、电机柱；26、升降电机；27、齿轮；28、齿条；29、充电座；30、线圈。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.参照图1-图8，一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，包括带矩阵夹具的双体补给船和多爪无线充电机械臂，双体补给船包含：左船体1、右船体2、左动力组3、右动力组4、连接桥板5、前龙门6、后龙门7、第一摄像头8、第二摄像头9、第三摄像头10、控制器11、蘑菇天线12、矩阵夹具组13，左动力组3与右动力组4除电机转向不同外完全相同，每个动力组包含电机和螺旋桨组成，用于给船只提供动力，通过两个动力组直接的速度差实现转向。
36.摄像头用于在航行中进行视觉避障和确保充电时机械臂对接精准度，数据直接传输给控制器11，控制器11可控制多爪无线充电机械臂、矩阵夹具组13、船体动力组；矩阵夹具组13包含两边对称的n个电磁锁夹具构成，排列为a行b列，矩阵夹具同时断电固定水下无人机避免其与补给船相对运动，使得无线充电机械臂的对接更容易和充电过程更加稳定。
37.多爪无线充电机械臂包含底座14、转动云台15、大臂16、小臂17、多爪掌盘18、c个无线充电爪指19、第一伺服电机20、第二伺服电机21、第三伺服电机22、连接杆23和电磁锁，底座14与转动云台15同轴心配合，可通过第一伺服电机20相对转动。
38.电磁锁夹包含弹簧、推杆、电磁铁组成，通电时推杆被向后拉动，断电后弹簧将推杆推出固定物体。
39.连接杆23与小臂17、与转动云台15通过铰链连接，大臂16与小臂17、与转动云台15通过铰链连接，具有两个自由度的转动，大臂16与转动云台15的相对转动通过第二伺服电机21完成，小臂17与大臂16的相对转动通过连杆和第三伺服电机22完成，由此可完成机械臂空间上的运动。
40.多爪掌盘18通过顶部铰链与小臂17连接，与六个中心对称的无线充电爪通过铰链连接，可通过在小臂17顶端的安装绞盘连接c个无线充电爪同步控制收放，在c个无线充电
爪完全打开时也可为常规圆盘型无线充电接收端充电，在c个无线充电爪完全收起时可与可收放式充电座29充电。
41.无线充电爪指19中含有d个小型线圈30，用于与被充电端线圈30电磁感应，可收放式充电座29包含充电座筒体24、电机柱25、升降电机26、齿轮27、齿条28、充电座29、e个线圈30，充电座29分为c组，每组上含有e个线圈30，与无线充电爪指19的数量相同，e需满足大于等于d，充电座筒体24与电机柱25下端固定，电机柱25上端与升降电机26固定，升降电机26与齿轮27通过插销同轴配合固定，齿轮27与齿条28构成上下运动机构，齿条28上端与充电座29固定，使得电机旋转可控制充电座29升降，可收放式充电座29在收起时可减少体积，在被矩阵夹具固定后可放出充电座29与多爪无线充电机械臂对接随后开始充能，可收放式充电座29包含充电座筒体24、电机柱25、升降电机26、齿轮27、齿条28、充电座29、e个线圈30；所述充电座29分为c组，每组上含有e个线圈30，与无线充电爪指19的数量相同，e需满足大于等于d，所述充电座筒体24与电机柱25下端固定，电机柱25上端与升降电机26固定；所述升降电机26与齿轮27通过插销同轴配合固定；所述齿轮27与齿条28构成上下运动机构，齿条28上端与充电座29固定，使得电机旋转可控制充电座29升降
42.具体的，n取24，a取3，b取4，c取6，d取6。
43.一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船的控制方法，包含以下过程：
44.对接过程分为三个阶段：水下机器人的搜索、定位和对接；
45.搜索阶段，水下机器人首先通过自身的视觉系统来搜索大型无人水上补给船的位置，当机器人检测到补给船后，它会发送信号通知补给船；
46.定位阶段，一旦机器人检测到补给船，它会使用自身的定位系统来计算自己与补给船的距离和相对位置，同时，补给船也会对水下机器人进行定位，以便更好地控制机械臂的位置和姿态；
47.对接阶段，当水下机器人与补给船距离足够接近时，多爪无线充电机械臂会自动伸出，以便对水下机器人进行引导抓取操作，通过矩阵夹具在抓取完成后，机器人将稳定地固定在补给船中，再通过多爪无线充电完成补给任务。
48.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，包括带矩阵夹具的双体补给船和多爪无线充电机械臂，其特征在于，所述双体补给船包含：左船体(1)、右船体(2)、左动力组(3)、右动力组(4)、连接桥板(5)、前龙门(6)、后龙门(7)、第一摄像头(8)、第二摄像头(9)、第三摄像头(10)、控制器(11)、蘑菇天线(12)、矩阵夹具组(13)。2.根据权利要求1所述的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，其特征在于，所述左动力组(3)与右动力组(4)除电机转向不同外完全相同，每个动力组包含电机和螺旋桨组成，用于给船只提供动力，通过两个动力组直接的速度差实现转向。3.根据权利要求1所述的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，其特征在于，摄像头用于在航行中进行视觉避障和确保充电时机械臂对接精准度，数据直接传输给控制器(11)，所述控制器(11)可控制多爪无线充电机械臂、矩阵夹具组(13)、船体动力组。4.根据权利要求1所述的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，其特征在于，所述矩阵夹具组(13)包含两边对称的n个电磁锁夹具构成，排列为a行b列。5.根据权利要求1所述的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，其特征在于，所述多爪无线充电机械臂包含底座(14)、转动云台(15)、大臂(16)、小臂(17)、多爪掌盘(18)、c个无线充电爪指(19)、第一伺服电机(20)、第二伺服电机(21)、第三伺服电机(22)、连接杆(23)和电磁锁，所述底座(14)与转动云台(15)同轴心配合，可通过第一伺服电机(20)相对转动。6.根据权利要求5所述的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，其特征在于，所述电磁锁夹包含弹簧、推杆、电磁铁组成，通电时推杆被向后拉动，断电后弹簧将推杆推出固定物体。7.根据权利要求1所述的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，其特征在于，所述连接杆(23)与小臂(17)、与转动云台(15)通过铰链连接，所述大臂(16)与小臂(17)、与转动云台(15)通过铰链连接，具有两个自由度的转动，大臂(16)与转动云台(15)的相对转动通过第二伺服电机(21)完成，小臂(17)与大臂(16)的相对转动通过连杆和第三伺服电机(22)完成，由此可完成机械臂空间上的运动。8.根据权利要求1所述的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，其特征在于，所述多爪掌盘(18)通过顶部铰链与小臂(17)连接，与六个中心对称的无线充电爪通过铰链连接，可通过在小臂(17)顶端的安装绞盘连接c个无线充电爪同步控制收放，在c个无线充电爪完全打开时也可为常规圆盘型无线充电接收端充电，在c个无线充电爪完全收起时可与可收放式充电座(29)充电。9.根据权利要求1所述的一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，其特征在于，所述无线充电爪指(19)中含有d个小型线圈(30)，用于与被充电端线圈(30)电磁感应，所述可收放式充电座(29)包含充电座筒体(24)、电机柱(25)、升降电机(26)、齿轮(27)、齿条(28)、充电座(29)、e个线圈(30)，所述充电座(29)分为c组，每组上含有e个线圈(30)，与无线充电爪指(19)的数量相同，e需满足大于等于d，所述充电座筒体(24)与电机柱(25)下端固定，电机柱(25)上端与升降电机(26)固定，所述升降电机(26)与齿轮(27)通过插销同轴配合固定，所述齿轮(27)与齿条(28)构成上下运动机构，齿条(28)上端与充电座(29)固定，使得电机旋转可控制充电座(29)升降。
10.一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船的控制方法，其特征在于，基于上述权利要求1-9任一项所述的无人补给船，包含以下过程：对接过程分为三个阶段：水下机器人的搜索、定位和对接；搜索阶段，水下机器人首先通过自身的视觉系统来搜索大型无人水上补给船的位置，当机器人检测到补给船后，会发送信号通知补给船；定位阶段，一旦机器人检测到补给船，会使用自身的定位系统来计算自己与补给船的距离和相对位置，同时，补给船也会对水下机器人进行定位，以便更好地控制机械臂的位置和姿态；对接阶段，当水下机器人与补给船距离足够接近时，多爪无线充电机械臂会自动伸出，以便对水下机器人进行引导抓取操作，通过矩阵夹具在抓取完成后，机器人将稳定地固定在补给船中，再通过多爪无线充电完成补给任务。

技术总结
本发明公开了一种包含矩阵夹具和多爪无线充电的机械臂的无人补给船，涉及无人船设备领域，针对现有的使用吊机通过钢丝绳连接收放器捕捉水下机器人，过程中精确度很低、捕捞难度大，且钢丝绳可能会搅入水下机器人推进器螺旋桨中的问题，现提出如下方案，其包括带矩阵夹具的双体补给船和多爪无线充电机械臂，所述双体补给船包含：左船体、右船体、左动力组、右动力组、连接桥板、前龙门、后龙门、第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头、控制器、蘑菇天线。本发明结构新颖，该装置有效的解决了现有的使用吊机通过钢丝绳连接收放器捕捉水下机器人，过程中精确度很低、捕捞难度大，且钢丝绳可能会搅入水下机器人推进器螺旋桨中的问题。搅入水下机器人推进器螺旋桨中的问题。搅入水下机器人推进器螺旋桨中的问题。


技术研发人员：何健超 邹屹祁 葛旺 俞志伟 徐奕新 汪子淇 符恒 庄迪 梁思怡 张家琪 常永瑞 刘梦瑶
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/10/7